中国一流的离心机生产企业
专注生物医疗、实验室离心机

国内外高速离心机研究现状

离心机是通过高速旋转产生的离心力场对不同沉淀系数物质进行分离、浓缩及纯化的科学仪器。广泛应用于生物、医药、农业、化工等领域,如医院、血站、科研单位、制药厂等。根据转速可分为低速、高速和超高速三种类型,即转速在6000r/min的称为低速离心机,转速在12000r/min-25000r/min的称为高速离心机,转速在75000r/min以上的称为超高速离心机;根据结构可分为台式和立式;根据其处理的规模可以分为工业用离心机和实验室用离心机

在离心机的发展历程中,如何提高转子系统的性能始终是一个重要目标,也是离心机设计中的核心部分。据文献Anderson利用60年代的转子动力学的成果对离心机的运行稳定性及引起的失稳因素进行了阐述,这以后,离心机的改进创新设计便成为一种商业秘密,研究成果很少公开发表。离心机的驱动结构同时也在革新,经历了几个典型的系统。1878年瑞典人研制出牛奶分离器,这是离心机的雏形。该分离器通过皮带传递力矩使传递轴驱动转子旋转该机利用人力驱动转速可达。年瑞典物理化学家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。为达到更大的离心力场,从年~年的十几年间不断进行改进与蒸汽透平公司的合作研制成功油透平驱动超速离心机曾达到最高转速。与此同时,美国进行了空气透平离心机的研究。该机型较成熟的设计是年设计的装置,主要由空气驱动透平、止推空气轴承、真空腔、离心机转子、压缩空气系统和光学系统组成,所用的轴直径为的挠性轴,使用铝合金离心机转子转速达万倍重力加速度。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,年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。该结构的离心机在年代末年代初达到,使用的是铝合金离心机转子。此类产品经过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。年代瑞士人研制了变频电机直接驱动的离心机,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。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。年代后期美国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。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、支承、系统旋转精度及转子的动平衡有更高的要求。

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。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,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。在该类驱动结构中,也有采用高速电机—皮带增速机构的离心机,与高速电机—齿轮增速结构没有本质区别。

在“九五”国家科技攻关中研制的低速大容量冷冻离心机和高速冷冻离心机均采用电机直接驱动结构。电机直接驱动结构又可分为双层减振结构见图和单层减振结构见图两种。

电机直接驱动单层减振离心机

电机直接驱动单层减振离心机

电机直接驱动双层减振离心机

电机直接驱动双层减振离心机

虽然电机直接驱动方式是最简捷的结构,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。

近年来,我国对提高离心机转速的研究现状不容乐观,国外离心机最高转速可达到,而国内的达到导致这种差距的原因除了我国的离心机研究起步较晚以外,转子系统的动力学理论的深入研究与转子材料是两个重要的阻碍因素。目前国内的离心机厂家多数处于停滞状态,高速离心机市场主要被外商占领价格居高不下,转速上万转的大约上万美元。因此,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转子系统结构的设计中,在离心机转子系统结构设计中强化其动力特性的设计,以提升我国离心机产品的国际竞争力。如果选用磁悬浮或其他方式的支承,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。