本文介紹了離心機的原理、分類及功能,重點回顧了實驗室用離心機驅動結構由復雜到簡單的發(fā)展歷程,明確了目前離心機采用的主要驅動結構,同時指出加強離心機動力特性的設計是提高我國離心機品質的重要手段,并對驅動結構的發(fā)展趨勢作了展望。

　　離心機是根據(jù)物質在水溶液中的密度、大小和形狀的區(qū)別在離心力場中進行物質的分離、精制及純化的科學儀器。離心機根據(jù)其處理的規(guī)模可分為工業(yè)用離心機與實驗室用離心機。工業(yè)用離心機處理量大,而實驗室用離心機處理量相對地小,但分離效果好。本文只討論實驗室用離心機。

　　通常人們以產(chǎn)生離心加速度的大小作為標準對離心機進行分類[1]:產(chǎn)生離心加速度為數(shù)千倍重力加速度(g=98m/s2)的為低速離心機;能產(chǎn)生幾萬倍重力加速度的為高速離心機;能產(chǎn)生10萬倍重力加速度以上的為超速離心機。由低速到高速離心機的分離能力逐漸增強,結構由簡單到復雜,技術難度也大大增加了。

　　離心機驅動結構使離心機轉子高速旋轉,是離心機設計中的核心技術之一。為保證離心機可靠地運行,較高的分離效率,高質量的分離效果,對離心機的驅動結構有如下基本要求:工作轉速范圍內(nèi)振動小,運行穩(wěn)定可靠;轉速精度高;升降速快;噪聲低;體積小,結構簡單。

　　有關離心機驅動結構方面的文獻[2~5]集中在40~60年代,Anderson在文獻[5]中利用60年代轉子動力學的成果對離心機的運行穩(wěn)定性及引起失穩(wěn)的因素進行了闡述,這之后離心機已作為一種商品,有關離心機方面的研究論文很少公開發(fā)表。目前國內(nèi)的離心機市場主要被外商占領,國內(nèi)離心機廠家多數(shù)處于停滯狀態(tài)。為扭轉這種局面,研究和回顧離心機的驅動結構具有特別重要的意義。

　　1離心機驅動結構回顧

　　離心機是集機械、力學、電器控制、制冷、真空、生物化學等多學科于一身的科學儀器,隨著相關學科的發(fā)展而發(fā)展,但其驅動結構卻是由復雜到簡單。下面通過幾個典型的離心機驅動結構,回顧其發(fā)展歷程。

　　11離心機的起源

　　1878年瑞典人DeLava1研制出牛奶分離器(見圖1),這是離心機的雛形[2]。該分離器通過皮帶傳遞力矩,使傳遞軸驅動轉子旋轉,轉子中的牛奶在離心力場的作用下成為奶油。該機利用人力驅動,轉速可達3000r/min。

　　12油透平驅動離心機

　　瑞典物理化學家Svedberg[3]為了確定膠體顆粒大小的分布,將膠體混合到水中,再用光學方法測定溶液的濃度分布。1923年Svedberg將牛奶分離器進行改造,增加齒輪增速機構,研制出第一臺實驗用離心機,轉速10000r/min,離心加速度5000g,并能夠測最小直徑為5m膠體的沉降速度,但該離心機不能進行蛋白質分子沉降研究,它需要更強大的離心力場。為達到更大的離心力場,Svedberg從1926年~1939年的十幾年間不斷進行改進,與蒸汽透平公司的Boestad合作研制成功油透平驅動超速離心機(見圖2),曾達到最高轉速75000r/min,最大離心加速度達429000g。該機器是用15馬力油泵打出壓力油,經(jīng)冷卻器后噴射油透平,橫放的離心轉子兩端各有透平,離心室不是真空而是由高壓容器供給氫氣,同時用真空泵保持266kPa左右的真空度,以求離心轉子的溫度穩(wěn)定。該機器后來由瑞典的LKB公司生產(chǎn)出售,從而大大地推動了生物化學等基礎學科的發(fā)展。

　　13空氣透平驅動離心機

　　Svedberg等在瑞典Uppsala大學研究油透平離心機的時候,美國正在進行空氣透平離心機的研究工作。EHenriot和EHuguenard在1925年發(fā)表了關于在圓錐面上刻槽,并用壓縮空氣吹這些槽,使陀螺型離心轉子高速旋轉的裝置的文章(見圖3)。JWBeams等對這裝置進行改進后,對外徑為19mm的小陀螺用氫氣吹,可達到1200000r/min的轉速,但當增大離心機轉子直徑時,空氣阻力就非常大,轉速升不上去。

　　14高速電機增速機構離心機

　　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,1945年EGPickels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,制造出第一臺高速電機齒輪傳動離心機(見圖5)。該結構的離心機在60年代末70年代初達到65000r/min,使用的是鋁合金離心機轉子。此類產(chǎn)品經(jīng)過20多年的生產(chǎn)實踐,鈦合金轉子最高轉速75000~83000r/min(最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。

　　我國離心機的研制始于1958年,經(jīng)過多年努力,中國科學院生物物理研究所于1974年末在我國第一次研制成功全部用國產(chǎn)元件材料的超速離心機[7]。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,最高轉速60000r/min,這為國內(nèi)其后研制高速、低速離心機打下了良好的技術基礎。

　　15電機直接驅動離心機

　　電機直接驅動形式是目前最簡捷的驅動方式,該結構對電機、支撐、系統(tǒng)旋轉精度及轉子的動平衡有更高的要求。

　　1940年JWBeams用電機取代空氣透平離心機的空氣透平,電機是商用電扇改裝的,變頻調(diào)速,驅動直徑為152mm離心機轉子,在30min達到60000r/min,需功率1600W。盡管該結構比空氣透平機結構簡單,但溫升很大,不便于推廣(見圖6)。

　　50年代瑞士人EWiedeman研制了變頻電機直接驅動的離心機UltragroTypU54,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65000r/min。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。

　　70年代后期,美國Beckman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。

　　2離心機驅動結構的展望

　　離心機由于科研與生產(chǎn)的需要而產(chǎn)生,隨著相關科學技術的發(fā)展而發(fā)展,驅動結構由復雜到簡單。目前離心機最高轉速可達120000r/min,最大離心加速度可達694000g,基本滿足科研的需要。

　　離心機驅動結構趨向電機直接驅動方式,對于重量較大的離心機轉子通常采用雙層減振結構,對于較輕的離心機轉子通常采用單層減振結構,并且有雙層減振結構向單層減振結構發(fā)展的趨勢。另外,驅動電機將由無刷電機(直流無刷電機和變頻電機)取代有刷電機,這樣不僅免去了定期更換碳刷的麻煩,而且提高了電機的可靠性,同時也降低了噪聲。雖然電機直接驅動方式為最簡捷的結構,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。這是我國離心機與國際先進水平離心機有較大差距的主要原因之一。

　　因此,我們應該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驅動結構的設計中,在離心機驅動結構設計中強化其動力特性的設計,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。

　　在離心機驅動結構中支承軸承為滾珠軸承,隨著轉速增大,軸承發(fā)熱并伴有較大的噪聲,影響了離心機的品質。因此,如果支承選用磁懸浮或氣懸浮軸承,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。這有待于懸浮軸承的進一步發(fā)展。