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离心机转子的安全设计

离心机转子

超速离心机的转速远远超过我们能想到的其他所有的设备,如喷气式飞机的涡轮发动机的转速约24000r/min,而超速离心机的转速一般都在60000r/min以上。为了达到很大的离心加速度,在超速离心机转子设计中有时采用极限设计,这违背了常规的机械设计原理。为了保证其安全,就严格地规定了操作规程和使用寿命。

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远在20世纪30年代瑞典科学家T Svedberg等首次研究超速离心机时,钢制转子转速就达75000r/min(400000g),他们就已经注意到了转子的安全性。

常规的机械设计是受力构件设计在材料的应力-应变曲线的弹性直线段,即胡克定律范围内。在这范围内,当构件受力时发生变形,受力大,则变形也大。但不受力时变形就消失,这是因为只有弹性变形,而没有永久变形。但在超速离心机的转子设计中,为了极大地发挥材料的潜在性能,人们在研究初期使用用铅合金时就在胡克定律范围以外使用,而这种做法延续至今。

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20世纪30年代到40年代超速离心机的研究工作移到美国,Virginia大学的J.W.Beams教授等就逐渐建立了“炸头”实验方法,试图确保自己超速离心机的安全性。1947年由E.G.Pickels制造出第一台分析和制备超速离心机,后由Beckman公司生产以来,相继有包括日立公司在内的散家公司生产,其中Beckman公司和日立公司等在J.W.Beams教授的方法基础上进行了严格的安全性实验。它们的转子除个别的型号以外,基本上确保了安全性,但公司的工作极端保密,不公开发表,大家可要参考英泰仪器关于离心机转子材料介绍一文。国外学者的有些研究工作是发表的,但他们的工作只是原则性的或是试探性的,不是在实际生产实践中可采用的参考数据。

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国外有文献报道的离心机事故中最可怕的就是转子在使用当中的突然“爆炸”,如果生产厂家不知道转子在多少转速运行多少时间后就该“爆炸”而把离心机卖出去,等于是把定时炸弹卖给了用户,更严重的是连制造厂都不知道何时“爆炸”。

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笔者在国外文献的基础上结合国产材料的现状进行了转子的一系列机械安全性工作。为了使转子在正常使用时不让“爆炸”,做了两类工作:一是确定最高安全使用转速,二是确定在最高转速下的允许使用时间或次数,即寿命。从工作性质来看,前者是确定允许的离心应力极限,而后者是反复使用的疲劳极限,如果超过这两个极限就危险。这些在国外大公司产品中都告诉用户,我们的使命是确定国产转子的这两种数据。