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离心机的振动与临界转速

由于转子的加工误差和离心机安装误差造成转子质心在不同程度上偏离离心机主轴,因此,在转子旋转时会产生振动,这些振动在某些特定转速下会与离心机驱动系统的固有频率发生共振,从而引起整个系统强烈振动。出现这种现象时的转速称为临界转速。

临界转速与离心机和与之配用的转子有关。一台离心机可配用数种转子,因此设计离心机时应考虑离心机的减振设计对各种转子的包容性。离心机的工作范围很宽,从几千转/分钟至几万转/分钟,离心机振动发生的转速越高,其危险性就越大。

人类加工任何东西肯定会有误差,加工精度越高,误差就越小,但加工成本则大大提高。离心机设计时用多种知识的综合利用来达到允许一定的加工误差,使离心机的振动控制在正常范围之内。但是若用户使用不当,就会破坏这种设计平衡,导致严重事故。

一旦在高转速下发生振动,应立即以最快的降速挡使离心机停转,所有人员应快速离开现场,以免发生断轴等事故时的人员伤害。绝不能断电,一断电,刹车(快速降速)就没有了,转子停转很慢。事故一般是由于离心机操作不当引起的,如转于在主轴上没放好、转子的盖子没盖好、甩开转子的吊篮没放好等。这种事故的结果是伴随着巨大声音,300~400kg的离心机突然旋转约270°角度。打开盖子可看到转子躺在腔内,取出转子可观察到转子的外缘面严重刮伤变色,离心腔内壁也会受损,甚至制冷剂泄露。有时转子和转子盖分离,试管中的液体洒在腔内,主轴断开或严重弯曲。由于用户的操作不当引起的这种事故屡屡发生,现代的离心机一般都有不平衡保护功能。即离心机启动时一旦转子的振动大于一定大小,离心机就自动降速停机,但具有这种性能的离心机有时也漏报,不能确保不出事故。

共振频率主要取决于离心机驱动部的设计、转子的形状和重量。在同一转子中装入样品的质量分布不同,临界转速亦会略有变化。一般来说,同一转子的临界转速也不止一个,但最关键是如何快速穿过第一临界转速。现代的离心机一般都是这样设计的。

只有离心机的工作转速不在临界转速时,转子才能平稳运转。对工作转速不高的低速离心机,一般都尽可能提高临界转速,使离心机在临界转速以下运转。这种离心机的轴很粗,刚度大,称为刚性轴。当转速要求很高时,尽可能降低临界转速,轴做得细一些,刚度小,称为挠性轴,现代的超速离心机都采用挠性轴。

上边已提到离心机的任何部件都存在加工误差和安装误差,即转子的质量中心从主轴(挠性轴)的几何中心偏离,这肯定要引起振动,但挠性轴在高速旋转时,有“自动调心作用”。其作用原理是转子在高速旋转时产生圆盘效应,使挠性轴弯曲时的弹性反作用力把要从主轴几何中心线偏离的转子拉回到主轴的几何中心线上,振动就消失了。当然,这时在转子存在的不平衡量也要有一定的限度,超过其限度,振动就不消失。

超速离心机中采用挠性轴,转子在升速和降速过程中要通过临界转速,尤其在升速时快速穿越临界转速,离心机才能平稳运转。此外,有的离心操作中离心机在运转过程中还要加入或抽取样品,样品质量分布不均匀会加剧离心机在共振区的振动,所以它的振动是很复杂的。离心机在共振区工作会影响它的使用精度和寿命,严重时会导致离心机损坏。现代的离心机制造厂大都声称他们的离心机能允许的装样不平衡量为10%,但离心机在转于不平衡下的工作肯定对离心机是不利的,我们不提倡不平衡运转,用户还是应尽量做好样品的装样平衡。

国内关于离心机振动问题较深人的研究是清华大学工程力学系。笔者课题组成员杨云在该系攻读博士学位,两个单位合作培养。他的研究课题是为提高离心机动力特性的设计水平,讨论典型离心机转子支撑系统,进行动特性计算,通过对转子的支撑系统的振型分析,明确各主要零部件对各阶临界转速的影响,并用宴验验证计算结果,为离心机动特性设计提供理论方法。