本文介紹了離心機(jī)的原理、分類及功能,重點(diǎn)回顧了實(shí)驗(yàn)室用離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單的發(fā)展歷程,明確了目前離心機(jī)采用的主要驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),同時(shí)指出加強(qiáng)離心機(jī)動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)是提高我國(guó)離心機(jī)品質(zhì)的重要手段,并對(duì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

　　離心機(jī)是根據(jù)物質(zhì)在水溶液中的密度、大小和形狀的區(qū)別在離心力場(chǎng)中進(jìn)行物質(zhì)的分離、精制及純化的科學(xué)儀器。離心機(jī)根據(jù)其處理的規(guī)�？煞譃楣�業(yè)用離心機(jī)與實(shí)驗(yàn)室用離心機(jī)。工業(yè)用離心機(jī)處理量大,而實(shí)驗(yàn)室用離心機(jī)處理量相對(duì)地小,但分離效果好。本文只討論實(shí)驗(yàn)室用離心機(jī)。

　　通常人們以產(chǎn)生離心加速度的大小作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)離心機(jī)進(jìn)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(jī);能產(chǎn)生幾萬(wàn)倍重力加速度的為高速離心機(jī);能產(chǎn)生10萬(wàn)倍重力加速度以上的為超速離心機(jī)。由低速到高速離心機(jī)的分離能力逐漸增強(qiáng),結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,技術(shù)難度也大大增加了。

　　離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使離心機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),是離心機(jī)設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)之一。為保證離心機(jī)可靠地運(yùn)行,較高的分離效率,高質(zhì)量的分離效果,對(duì)離心機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)有如下基本要求:工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)小,運(yùn)行穩(wěn)定可靠;轉(zhuǎn)速精度高;升降速快;噪聲低;體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　　有關(guān)離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面的文獻(xiàn)[2~5]集中在40~60年代,Anderson在文獻(xiàn)[5]中利用60年代轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的成果對(duì)離心機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性及引起失穩(wěn)的因素進(jìn)行了闡述,這之后離心機(jī)已作為一種商品,有關(guān)離心機(jī)方面的研究論文很少公開(kāi)發(fā)表。目前國(guó)內(nèi)的離心機(jī)市場(chǎng)主要被外商占領(lǐng),國(guó)內(nèi)離心機(jī)廠家多數(shù)處于停滯狀態(tài)。為扭轉(zhuǎn)這種局面,研究和回顧離心機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有特別重要的意義。

　　1離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)回顧

　　離心機(jī)是集機(jī)械、力學(xué)、電器控制、制冷、真空、生物化學(xué)等多學(xué)科于一身的科學(xué)儀器,隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展,但其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)卻是由復(fù)雜到簡(jiǎn)單。下面通過(guò)幾個(gè)典型的離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),回顧其發(fā)展歷程。

　　11離心機(jī)的起源

　　1878年瑞典人DeLava1研制出牛奶分離器(見(jiàn)圖1),這是離心機(jī)的雛形[2]。該分離器通過(guò)皮帶傳遞力矩,使傳遞軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子中的牛奶在離心力場(chǎng)的作用下成為奶油。該機(jī)利用人力驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r/min。

　　12油透平驅(qū)動(dòng)離心機(jī)

　　瑞典物理化學(xué)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(xué)方法測(cè)定溶液的濃度分布。1923年Svedberg將牛奶分離器進(jìn)行改造,增加齒輪增速機(jī)構(gòu),研制出第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用離心機(jī),轉(zhuǎn)速10000r/min,離心加速度5000g,并能夠測(cè)最小直徑為5m膠體的沉降速度,但該離心機(jī)不能進(jìn)行蛋白質(zhì)分子沉降研究,它需要更強(qiáng)大的離心力場(chǎng)。為達(dá)到更大的離心力場(chǎng),Svedberg從1926年~1939年的十幾年間不斷進(jìn)行改進(jìn),與蒸汽透平公司的Boestad合作研制成功油透平驅(qū)動(dòng)超速離心機(jī)(見(jiàn)圖2),曾達(dá)到最高轉(zhuǎn)速75000r/min,最大離心加速度達(dá)429000g。該機(jī)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(zhuǎn)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(shí)用真空泵保持266kPa左右的真空度,以求離心轉(zhuǎn)子的溫度穩(wěn)定。該機(jī)器后來(lái)由瑞典的LKB公司生產(chǎn)出售,從而大大地推動(dòng)了生物化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

　　13空氣透平驅(qū)動(dòng)離心機(jī)

　　Svedberg等在瑞典Uppsala大學(xué)研究油透平離心機(jī)的時(shí)候,美國(guó)正在進(jìn)行空氣透平離心機(jī)的研究工作。EHenriot和EHuguenard在1925年發(fā)表了關(guān)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(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的裝置的文章(見(jiàn)圖3)。JWBeams等對(duì)這裝置進(jìn)行改進(jìn)后,對(duì)外徑為19mm的小陀螺用氫氣吹,可達(dá)到1200000r/min的轉(zhuǎn)速,但當(dāng)增大離心機(jī)轉(zhuǎn)子直徑時(shí),空氣阻力就非常大,轉(zhuǎn)速升不上去。

　　14高速電機(jī)增速機(jī)構(gòu)離心機(jī)

　　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(shí)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,1945年EGPickels把空氣透平驅(qū)動(dòng)離心機(jī)的空氣透平部分用高速電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的齒輪箱代替,制造出第一臺(tái)高速電機(jī)齒輪傳動(dòng)離心機(jī)(見(jiàn)圖5)。該結(jié)構(gòu)的離心機(jī)在60年代末70年代初達(dá)到65000r/min,使用的是鋁合金離心機(jī)轉(zhuǎn)子。此類產(chǎn)品經(jīng)過(guò)20多年的生產(chǎn)實(shí)踐,鈦合金轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速75000~83000r/min(最大離心加速度約五六十萬(wàn)倍重力加速度),機(jī)器穩(wěn)定性也得到大大提高。

　　我國(guó)離心機(jī)的研制始于1958年,經(jīng)過(guò)多年努力,中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所于1974年末在我國(guó)第一次研制成功全部用國(guó)產(chǎn)元件材料的超速離心機(jī)[7]。該離心機(jī)也采用高速電機(jī)齒輪增速驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),使用鈦合金離心機(jī)轉(zhuǎn)子,最高轉(zhuǎn)速60000r/min,這為國(guó)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)。

　　15電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)離心機(jī)

　　電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)形式是目前最簡(jiǎn)捷的驅(qū)動(dòng)方式,該結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)、支撐、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度及轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡有更高的要求。

　　1940年JWBeams用電機(jī)取代空氣透平離心機(jī)的空氣透平,電機(jī)是商用電扇改裝的,變頻調(diào)速,驅(qū)動(dòng)直徑為152mm離心機(jī)轉(zhuǎn)子,在30min達(dá)到60000r/min,需功率1600W。盡管該結(jié)構(gòu)比空氣透平機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但溫升很大,不便于推廣(見(jiàn)圖6)。

　　50年代瑞士人EWiedeman研制了變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)UltragroTypU54,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)65000r/min。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(jiǎn)化、緊湊。

　　70年代后期,美國(guó)Beckman公司推出變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)超速離心機(jī),后來(lái)又在高速和低速離心機(jī)上也采用該驅(qū)動(dòng)方式。變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)成為離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的主流。

　　2離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的展望

　　離心機(jī)由于科研與生產(chǎn)的需要而產(chǎn)生,隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單。目前離心機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)120000r/min,最大離心加速度可達(dá)694000g,基本滿足科研的需要。

　　離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)趨向電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式,對(duì)于重量較大的離心機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用雙層減振結(jié)構(gòu),對(duì)于較輕的離心機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用單層減振結(jié)構(gòu),并且有雙層減振結(jié)構(gòu)向單層減振結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。另外,驅(qū)動(dòng)電機(jī)將由無(wú)刷電機(jī)(直流無(wú)刷電機(jī)和變頻電機(jī))取代有刷電機(jī),這樣不僅免去了定期更換碳刷的麻煩,而且提高了電機(jī)的可靠性,同時(shí)也降低了噪聲。雖然電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式為最簡(jiǎn)捷的結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)需要對(duì)離心機(jī)驅(qū)動(dòng)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)。這是我國(guó)離心機(jī)與國(guó)際先進(jìn)水平離心機(jī)有較大差距的主要原因之一。

　　因此,我們應(yīng)該盡快將轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論及有限元方法等力學(xué)手段引入離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,在離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中強(qiáng)化其動(dòng)力特性的設(shè)計(jì),這樣可以達(dá)到事半功倍的效果,也是改善我國(guó)離心機(jī)品質(zhì)的重要手段。

　　在離心機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中支承軸承為滾珠軸承,隨著轉(zhuǎn)速增大,軸承發(fā)熱并伴有較大的噪聲,影響了離心機(jī)的品質(zhì)。因此,如果支承選用磁懸浮或氣懸浮軸承,將會(huì)使離心機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步的改進(jìn),離心機(jī)將更加完善。這有待于懸浮軸承的進(jìn)一步發(fā)展。