國內外高速離心機研究現(xiàn)狀

　　離心機是通過高速旋轉產生的離心力場對不同沉淀系數(shù)物質進行分離、濃縮及純化的科學儀器。廣泛應用于生物、醫(yī)藥、農業(yè)、化工等領域,如醫(yī)院、血站、科研單位、制藥廠等。根據(jù)轉速可分為低速、高速和超高速三種類型,即轉速在6000r/min的稱為低速離心機,轉速在12000r/min-25000r/min的稱為高速離心機,轉速在75000r/min以上的稱為超高速離心機;根據(jù)結構可分為臺式高速離心機和立式高速離心機;根據(jù)其處理的規(guī)?？梢苑譃楣I(yè)用離心機和實驗室用離心機。

　　在離心機的發(fā)展歷程中,如何提高轉子系統(tǒng)的性能始終是一個重要目標,也是離心機設計中的核心部分。據(jù)文獻Anderson利用60年代的轉子動力學的成果對離心機的運行穩(wěn)定性及引起的失穩(wěn)因素進行了闡述,這以后,離心機的改進創(chuàng)新設計便成為一種商業(yè)秘密,研究成果很少公開發(fā)表。離心機的驅動結構同時也在革新,經歷了幾個典型的系統(tǒng)。1878年瑞典人研制出牛奶分離器,這是離心機的雛形。該分離器通過皮帶傳遞力矩使傳遞軸驅動轉子旋轉該機利用人力驅動轉速可達。年瑞典物理化學家將牛奶分離器進行改造,增加齒輪增速機構,研制出*臺實驗用離心機,轉速。為達到更大的離心力場,從年～年的十幾年間不斷進行改進與蒸汽透平公司的合作研制成功油透平驅動超速離心機曾達到z高轉速。與此同時,美國進行了空氣透平離心機的研究。該機型較成熟的設計是年設計的裝置,主要由空氣驅動透平、止推空氣軸承、真空腔、離心機轉子、壓縮空氣系統(tǒng)和光學系統(tǒng)組成,所用的軸直徑為的撓性軸,使用鋁合金離心機轉子轉速達萬倍重力加速度。前兩種結構的離心機雖然實現(xiàn)了轉子的高速旋轉,但其體積龐大,整體結構比較復雜,這不僅降低了機器的可靠性,同時噪聲很大,使用也不方便。隨著電機技術和制造業(yè)的發(fā)展,年把空氣透平驅動離心機的空氣透平部分用高速電機所驅動的齒輪箱代替,制造出*臺高速電機—齒輪傳動離心機。該結構的離心機在年代末年代初達到,使用的是鋁合金離心機轉子。此類產品經過多年的生產實踐鈦合金轉子z高轉速75000～83000r/min(z大離心加速度約五六十萬倍重力加速度)，機器穩(wěn)定性也得到大大提高。年代瑞士人研制了變頻電機直接驅動的離心機,該機與以往的離心機不同,電機在下,轉子在上,因而操作方便,離心機轉子轉速可達。從結構上看,因為甩掉了齒輪箱使離心機結構進一步簡化、緊湊。年代后期美國公司推出變頻電機直接驅動超速離心機,后來又在高速和低速離心機上也采用該驅動方式,變頻電機直接驅動成為離心機驅動結構的主流。電機直接驅動形式是目前z簡捷的驅動方式,該結構對電機、支承、系統(tǒng)旋轉精度及轉子的動平衡有更高的要求。

　　我國離心機的研制始于1958年,經過多年努力,*生物物理研究所于年末在我國*次研制成功全部用國產元件材料的超速離心機。該離心機也采用高速電機齒輪增速驅動結構使用鈦合金離心機轉子,z高轉速,這為國內其后研制高速、低速離心機打下了良好的技術基礎。在該類驅動結構中,也有采用高速電機—皮帶增速機構的離心機,與高速電機—齒輪增速結構沒有本質區(qū)別。

　　雖然電機直接驅動方式是z簡捷的結構,但這種結構需要對離心機驅動系統(tǒng)做比較深入的理論研究,否則很難做到優(yōu)化設計。

　　近年來,我國對提高離心機轉速的研究現(xiàn)狀不容樂觀,導致這種差距的原因除了我國的離心機研究起步較晚以外,轉子系統(tǒng)的動力學理論的深入研究與轉子材料是兩個重要的阻礙因素。目前國內的離心機廠家多數(shù)處于停滯狀態(tài),高速離心機市場主要被外商占領價格居高不下,轉速上萬轉的大約上萬美元。因此,盡快將轉子動力學理論及有限元方法等力學手段引入離心機轉子系統(tǒng)結構的設計中,在離心機轉子系統(tǒng)結構設計中強化其動力特性的設計,以提升我國離心機產品的競爭力。如果選用磁懸浮或其他方式的支承,將會使離心機的驅動結構有進一步的改進,離心機將更加完善。這樣可以達到事半功倍的效果,也是改善我國離心機品質的重要手段。