國內(nèi)外高速離心機(jī)研究現(xiàn)狀

　　離心機(jī)是通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力場對不同沉淀系數(shù)物質(zhì)進(jìn)行分離、濃縮及純化的科學(xué)儀器。廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域,如醫(yī)院、血站、科研單位、制藥廠等。根據(jù)轉(zhuǎn)速可分為低速、高速和超高速三種類型,即轉(zhuǎn)速在6000r/min的稱為低速離心機(jī),轉(zhuǎn)速在12000r/min-25000r/min的稱為高速離心機(jī),轉(zhuǎn)速在75000r/min以上的稱為超高速離心機(jī);根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為臺式高速離心機(jī)和立式高速離心機(jī);根據(jù)其處理的規(guī)?？梢苑譃楣I(yè)用離心機(jī)和實(shí)驗(yàn)室用離心機(jī)。

　　在離心機(jī)的發(fā)展歷程中,如何提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的性能始終是一個重要目標(biāo),也是離心機(jī)設(shè)計(jì)中的核心部分。據(jù)文獻(xiàn)Anderson利用60年代的轉(zhuǎn)子動力學(xué)的成果對離心機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性及引起的失穩(wěn)因素進(jìn)行了闡述,這以后,離心機(jī)的改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)便成為一種商業(yè)秘密,研究成果很少公開發(fā)表。離心機(jī)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)同時也在革新,經(jīng)歷了幾個典型的系統(tǒng)。1878年瑞典人研制出牛奶分離器,這是離心機(jī)的雛形。該分離器通過皮帶傳遞力矩使傳遞軸驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)該機(jī)利用人力驅(qū)動轉(zhuǎn)速可達(dá)。年瑞典物理化學(xué)家將牛奶分離器進(jìn)行改造,增加齒輪增速機(jī)構(gòu),研制出*臺實(shí)驗(yàn)用離心機(jī),轉(zhuǎn)速。為達(dá)到更大的離心力場,從年～年的十幾年間不斷進(jìn)行改進(jìn)與蒸汽透平公司的合作研制成功油透平驅(qū)動超速離心機(jī)曾達(dá)到z高轉(zhuǎn)速。與此同時,美國進(jìn)行了空氣透平離心機(jī)的研究。該機(jī)型較成熟的設(shè)計(jì)是年設(shè)計(jì)的裝置,主要由空氣驅(qū)動透平、止推空氣軸承、真空腔、離心機(jī)轉(zhuǎn)子、壓縮空氣系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)組成,所用的軸直徑為的撓性軸,使用鋁合金離心機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)萬倍重力加速度。前兩種結(jié)構(gòu)的離心機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn),但其體積龐大,整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,這不僅降低了機(jī)器的可靠性,同時噪聲很大,使用也不方便。隨著電機(jī)技術(shù)和制造業(yè)的發(fā)展,年把空氣透平驅(qū)動離心機(jī)的空氣透平部分用高速電機(jī)所驅(qū)動的齒輪箱代替,制造出*臺高速電機(jī)—齒輪傳動離心機(jī)。該結(jié)構(gòu)的離心機(jī)在年代末年代初達(dá)到,使用的是鋁合金離心機(jī)轉(zhuǎn)子。此類產(chǎn)品經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐鈦合金轉(zhuǎn)子z高轉(zhuǎn)速75000～83000r/min(z大離心加速度約五六十萬倍重力加速度)，機(jī)器穩(wěn)定性也得到大大提高。年代瑞士人研制了變頻電機(jī)直接驅(qū)動的離心機(jī),該機(jī)與以往的離心機(jī)不同,電機(jī)在下,轉(zhuǎn)子在上,因而操作方便,離心機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)。從結(jié)構(gòu)上看,因?yàn)樗Φ袅她X輪箱使離心機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化、緊湊。年代后期美國公司推出變頻電機(jī)直接驅(qū)動超速離心機(jī),后來又在高速和低速離心機(jī)上也采用該驅(qū)動方式,變頻電機(jī)直接驅(qū)動成為離心機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主流。電機(jī)直接驅(qū)動形式是目前z簡捷的驅(qū)動方式,該結(jié)構(gòu)對電機(jī)、支承、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度及轉(zhuǎn)子的動平衡有更高的要求。

　　我國離心機(jī)的研制始于1958年,經(jīng)過多年努力,*生物物理研究所于年末在我國*次研制成功全部用國產(chǎn)元件材料的超速離心機(jī)。該離心機(jī)也采用高速電機(jī)齒輪增速驅(qū)動結(jié)構(gòu)使用鈦合金離心機(jī)轉(zhuǎn)子,z高轉(zhuǎn)速,這為國內(nèi)其后研制高速、低速離心機(jī)打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。在該類驅(qū)動結(jié)構(gòu)中,也有采用高速電機(jī)—皮帶增速機(jī)構(gòu)的離心機(jī),與高速電機(jī)—齒輪增速結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)區(qū)別。

　　雖然電機(jī)直接驅(qū)動方式是z簡捷的結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)需要對離心機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)做比較深入的理論研究,否則很難做到優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　近年來,我國對提高離心機(jī)轉(zhuǎn)速的研究現(xiàn)狀不容樂觀,導(dǎo)致這種差距的原因除了我國的離心機(jī)研究起步較晚以外,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)理論的深入研究與轉(zhuǎn)子材料是兩個重要的阻礙因素。目前國內(nèi)的離心機(jī)廠家多數(shù)處于停滯狀態(tài),高速離心機(jī)市場主要被外商占領(lǐng)價格居高不下,轉(zhuǎn)速上萬轉(zhuǎn)的大約上萬美元。因此,盡快將轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論及有限元方法等力學(xué)手段引入離心機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,在離心機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中強(qiáng)化其動力特性的設(shè)計(jì),以提升我國離心機(jī)產(chǎn)品的競爭力。如果選用磁懸浮或其他方式的支承,將會使離心機(jī)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步的改進(jìn),離心機(jī)將更加完善。這樣可以達(dá)到事半功倍的效果,也是改善我國離心機(jī)品質(zhì)的重要手段。