离心机驱动结构回顾与展望

[2013/1/10]

　　本文介绍了离心机的原理、分类及功能,重点回顾了实验室用离心机驱动结构由复杂到简单的发展历程,明确了目前离心机采用的主要驱动结构,同时指出加强离心机动力特性的设计是提高我国离心机品质的重要手段,并对驱动结构的发展趋势作了展望。

　　离心机是根据物质在水溶液中的密度、大小和形状的区别在离心力场中进行物质的分离、精制及纯化的科学仪器。离心机根据其处理的规模可分为工业用离心机与实验室用离心机。工业用离心机处理量大,而实验室用离心机处理量相对地小,但分离效果好。本文只讨论实验室用离心机。

　　通常人们以产生离心加速度的大小作为标准对离心机进行分类[1]:产生离心加速度为数千倍重力加速度(g=98m/s2)的为低速离心机;能产生几万倍重力加速度的为高速离心机;能产生10万倍重力加速度以上的为超速离心机。由低速到高速离心机的分离能力逐渐增强,结构由简单到复杂,技术难度也大大增加了。

　　离心机驱动结构使离心机转子高速旋转,是离心机设计中的核心技术之一。为保证离心机可靠地运行,较高的分离效率,高质量的分离效果,对离心机的驱动结构有如下基本要求:工作转速范围内振动小,运行稳定可靠;转速精度高;升降速快;噪声低;体积小,结构简单。

　　有关离心机驱动结构方面的文献[2~5]集中在40~60年代,Anderson在文献[5]中利用60年代转子动力学的成果对离心机的运行稳定性及引起失稳的因素进行了阐述,这之后离心机已作为一种商品,有关离心机方面的研究论文很少公开发表。目前国内的离心机市场主要被外商占领,国内离心机厂家多数处于停滞状态。为扭转这种局面,研究和回顾离心机的驱动结构具有特别重要的意义。

　　1离心机驱动结构回顾

　　离心机是集机械、力学、电器控制、制冷、真空、生物化学等多学科于一身的科学仪器,随着相关学科的发展而发展,但其驱动结构却是由复杂到简单。下面通过几个典型的离心机驱动结构,回顾其发展历程。

　　11离心机的起源

　　1878年瑞典人DeLava1研制出牛奶分离器(见图1),这是离心机的雏形[2]。该分离器通过皮带传递力矩,使传递轴驱动转子旋转,转子中的牛奶在离心力场的作用下成为奶油。该机利用人力驱动,转速可达3000r/min。

　　12油透平驱动离心机

　　瑞典物理化学家Svedberg[3]为了确定胶体颗粒大小的分布,将胶体混合到水中,再用光学方法测定溶液的浓度分布。1923年Svedberg将牛奶分离器进行改造,增加齿轮增速机构,研制出第一台实验用离心机,转速10000r/min,离心加速度5000g,并能够测最小直径为5m胶体的沉降速度,但该离心机不能进行蛋白质分子沉降研究,它需要更强大的离心力场。为达到更大的离心力场,Svedberg从1926年~1939年的十几年间不断进行改进,与蒸汽透平公司的Boestad合作研制成功油透平驱动超速离心机(见图2),曾达到最高转速75000r/min,最大离心加速度达429000g。该机器是用15马力油泵打出压力油,经冷却器后喷射油透平,横放的离心转子两端各有透平,离心室不是真空而是由高压容器供给氢气,同时用真空泵保持266kPa左右的真空度,以求离心转子的温度稳定。该机器后来由瑞典的LKB公司生产出售,从而大大地推动了生物化学等基础学科的发展。

　　13空气透平驱动离心机

　　Svedberg等在瑞典Uppsala大学研究油透平离心机的时候,美国正在进行空气透平离心机的研究工作。EHenriot和EHuguenard在1925年发表了关于在圆锥面上刻槽,并用压缩空气吹这些槽,使陀螺型离心转子高速旋转的装置的文章(见图3)。JWBeams等对这装置进行改进后,对外径为19mm的小陀螺用氢气吹,可达到1200000r/min的转速,但当增大离心机转子直径时,空气阻力就非常大,转速升不上去。

　　14高速电机增速机构离心机

　　前两种结构的离心机虽然实现了转子的高速旋转,但其体积庞大,整体结构比较复杂,这不仅降低了机器的可靠性,同时噪声很大,使用也不方便。随着电机技术和制造业的发展,1945年EGPickels把空气透平驱动离心机的空气透平部分用高速电机所驱动的齿轮箱代替,制造出第一台高速电机齿轮传动离心机(见图5)。该结构的离心机在60年代末70年代初达到65000r/min,使用的是铝合金离心机转子。此类产品经过20多年的生产实践,钛合金转子最高转速75000~83000r/min(最大离心加速度约五六十万倍重力加速度),机器稳定性也得到大大提高。

　　我国离心机的研制始于1958年,经过多年努力,中国科学院生物物理研究所于1974年末在我国第一次研制成功全部用国产元件材料的超速离心机[7]。该离心机也采用高速电机齿轮增速驱动结构,使用钛合金离心机转子,最高转速60000r/min,这为国内其后研制高速、低速离心机打下了良好的技术基础。

　　15电机直接驱动离心机

　　电机直接驱动形式是目前最简捷的驱动方式,该结构对电机、支撑、系统旋转精度及转子的动平衡有更高的要求。

　　1940年JWBeams用电机取代空气透平离心机的空气透平,电机是商用电扇改装的,变频调速,驱动直径为152mm离心机转子,在30min达到60000r/min,需功率1600W。尽管该结构比空气透平机结构简单,但温升很大,不便于推广(见图6)。

　　50年代瑞士人EWiedeman研制了变频电机直接驱动的离心机UltragroTypU54,该机与以往的离心机不同,电机在下,转子在上,因而操作方便,离心机转子转速可达65000r/min。从结构上看,因为甩掉了齿轮箱,使离心机结构进一步简化、紧凑。

　　70年代后期,美国Beckman公司推出变频电机直接驱动超速离心机,后来又在高速和低速离心机上也采用该驱动方式。变频电机直接驱动成为离心机驱动结构的主流。

　　2离心机驱动结构的展望

　　离心机由于科研与生产的需要而产生,随着相关科学技术的发展而发展,驱动结构由复杂到简单。目前离心机最高转速可达120000r/min,最大离心加速度可达694000g,基本满足科研的需要。

　　离心机驱动结构趋向电机直接驱动方式,对于重量较大的离心机转子通常采用双层减振结构,对于较轻的离心机转子通常采用单层减振结构,并且有双层减振结构向单层减振结构发展的趋势。另外,驱动电机将由无刷电机(直流无刷电机和变频电机)取代有刷电机,这样不仅免去了定期更换碳刷的麻烦,而且提高了电机的可靠性,同时也降低了噪声。虽然电机直接驱动方式为最简捷的结构,但这种结构需要对离心机驱动系统做比较深入的理论研究,否则很难做到优化设计。这是我国离心机与国际先进水平离心机有较大差距的主要原因之一。

　　因此,我们应该尽快将转子动力学理论及有限元方法等力学手段引入离心机驱动结构的设计中,在离心机驱动结构设计中强化其动力特性的设计,这样可以达到事半功倍的效果,也是改善我国离心机品质的重要手段。

　　在离心机驱动结构中支承轴承为滚珠轴承,随着转速增大,轴承发热并伴有较大的噪声,影响了离心机的品质。因此,如果支承选用磁悬浮或气悬浮轴承,将会使离心机的驱动结构有进一步的改进,离心机将更加完善。这有待于悬浮轴承的进一步发展。

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