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所有行业离心机种类分类及其发展历史

通用离心机(实验室离心机)
生活经验告诉人们,自然状态下久置固、液两相混合物,可以获得沉降、澄清、富集、分离等效果,那是利用了地球重力长期作用的结果;甩手可以马上除去掌上水珠,利用了运动特别是曲线运动产生的离心惯性力,达到快速分离效果;就是说质量通过加速度产生了力,高速运动或高速旋转必然可加快自然发生的过程,于是便诞生了手动甩干机和离心分离机械。18 世纪中叶产业革命发生,随着纺织、轻工等行业对脱水、分离工艺的需求,近代模式的离心机即应运而生。1836 年第一台三足式离心机在德国问世[1],同时也出现了棉布脱水机;1878 年瑞典人 de Laval 研制出手动-皮带式牛奶分离器用来制造奶油,从此离心机伴随着工业发展与日俱进,广泛应用于轻工、食品、化工、医药、采矿等等领域,至今品种已达一二千种。它们属于正统意义上的离心机,是离心机家族的主要成员,称为通用离心机。下图为两台早期离心机图片。
1891 年脚踏离心机1901 年气体涡轮驱动带两个玻璃管的离心机

载人离心机
大约也是在 200 年前,人们为了医疗和娱乐需要也开始建造能上人的离心机了,1795 年Erasmus Darwin 制造了诱人入睡的离心机;1898年 F. R. von Weausch 博士建造了直径 3.3 m、可产生 3 g 用于人体实验的离心机。那时莱特兄弟还没有上天,并不知道飞机为何物;1903 年兄弟俩的飞机刚试飞,英国人 Hiram Maxim 爵士就推出可产生 6.87 g 的载人离心机,它居然一举把人甩晕了,创造了首例 G-LOC(G-induced loss of consciousness,加速度诱发意识丧失)的历史记录。可见,载人离心机一开始与飞行无关,医疗和娱乐追求才是其原始推动力。长期以来人们这种初衷目标进展缓慢,直至近代,俄罗斯才有了载人离心机可协助人类进行关节炎和高血压等病症治疗的报道,俄罗斯萨马拉国立医科大学利用载人离心机对高血压、动脉粥样硬化等 10 多种病症进行辅助治疗产生了疗效,此疗法还在俄罗斯获得专利。而类离心机的各种旋转游戏机,目前也渐趋繁杂且遍地开花。
而作为科学意义上的载人离心机与航空发生关系却不幸始于人类的杀伐与战争,大约 100 年前第一次世界大战,空军快速发展,伴随而来的是飞行事故频发,事故损失一度曾是空战损失的 3 倍,G-LOC 现象开始引起人们高度关注,于是纷纷利用离心机对动物进行相关研究。1931 年法国人Flamme 使用臂长 8 m 的离心机开创了人体加速度生理学研究先河,从此,载人离心机与飞行结合起来获得了新生。航空航天事业进展大大促进了载人离心机的发展,上世纪六、七十年代达到一个快速发展时期。图 0-3 是 1941 年二战时期,位于加拿大多伦多的同盟国第一台载人离心机,正在进行早期抗荷服试验,被试者坐在转臂端部吊舱内,中央坐着医生。
同盟国第一台载人离心机
土工离心机
1869 年,法国人 E. Phillips 在其“弹性体平衡相似性”一文中,提出利用缩模在离心机上对英法海峡金属桥梁进行研究,以确定弹性梁挠度的设想至今已一百余年了。1931 年美国人 P. R. Bucky、1932 年苏联人 Г. И. Покровский 和 Н. Н.Давиденков 等科学家相继指出离心机可以使塑性体的土工模型产生与原型完全相似的力学关系,从而可以准确模拟一个已知系统的质量所引起的载荷状态。1933- 1935 年期间,相继研制出小型土工离心机,从而诞生了离心模型试验方法(见图 0-4)。可是美国人在之后相当长的一段时间内并未重视这一技术,他们更钟情于数值模拟。于是,土工离心机首先是在原苏联获得了长期而稳定的发展,从上世纪 30 年代至 60 年代可以说是苏联时代,其成果影响着世界。此后,英国、日本相继开展了土工离心模拟试验研究工作,英国人后来在这一技术的推广方面功莫大焉,终于导致七、八十年代土工离心模拟试验技术获得全球大进展的局面。为适应这种趋势,1981 年国际土力学及基础工程学会(International Society for Mechanics and FoundationEngineering )专门成立了离心机试验技术委员会(Technical Committee on Centrifuge Testing),成为迄今为止国际学术界唯一的探讨离心机模拟试验技术的重要论坛[6-8]。
1933 年的土工离心机
航空航天离心机
上世纪 60~70 年代伴随着探空工程活跃,针对飞行器部件和整星用的航空、航天物体离心机也悄然兴起。首先是在美国遍地开花,空军、海军以及学校等部门纷纷建立各种设备进行稳态加速度模拟试验研究;但好景不长,随着液体火箭技术发展和再入技术逐渐成熟,稳态加速度环境的严酷度与其他动力学环境相比较,重要性陡降,70 年代以后,航天物体离心机的发展步伐放缓且趋萎缩。而在土力学界,却因为构建大型、超大型建筑物需要,土工离心机作为物体离心机的代表方向应运而生,物体离心机的加速度和载荷规模在土工离心机方面得以充分张扬。近年来,将振动台与离心机复合起来进行缩模地震模拟,与爆炸和冲击复合起来进行类比模拟,成为土工离心机的热门课题,离心机动力学试验的复合与扩展对离心机而言,将意味着力、结构与监测控制技术在质与量上的高度集中与拓展。
另一方面,随着飞行速度和飞机机动性能的飙升,航空人用离心机和地面飞行模拟器作为选拔锻炼飞行员和部分代替昂贵的实飞而得以重视。目前,人用离心机在航空离心机领域正在向动态飞行模拟器方向发展,即实现飞行模拟器与人用离心机的复合,意味着结构与控制技术在精细程度上的前进与追求。
可见,稳态加速度模拟试验用离心机的“复合”是它现在的发展方向,即稳态加速度与动态加速度复合及稳态加速度与多轴运动相结合是这种离心机的重要发展趋势。同时,我们也可以预言:物体离心机分别在土工和航空载人领域将具有一定的发展潜力。
 
气体离心机
铀是重要的能源和战略物资,自然界采集的铀矿首先被富集、转化成为稳定的固态化合物氟化铀(UF6),它在 56.4℃即可升华为气体,主要是235UF6和 238UF6的混合物。我们真正需要的是前者,而它只占混合物质量的 0.711%,用于核燃料的丰度至少需要 3.0%以上,武器级需要 93%以上,如何分离和富集它们呢?科学家发现235UF6和238UF6分子量之间有一点点细微差别,前者比后者稍轻但不到 1%,这一细微差别就为利用气体扩散法和离心分离法创造了条件。人们获取浓缩铀是为了获得能源,然欲取之必先予之。这两种方法都是耗能大户,一套全规模的气体扩散设备需要相当于 50 万人以上城市的供电能力,比较起来离心分离法却要小很多,于是它逐渐成为铀浓缩的重要手段[9]。在离心分离法中,稍重的 238UF6 富集于离心机转筒壁,稍轻的 235UF6 集中在转轴附近,然后通过空心轴被抽送到下一级;如此联级,逐渐浓缩,最终获得满意产品。不同分子量气体分离的概念,是Lindemann 和 Aston 在 1919 年首先提出来的,美国人 Jesse·W·Beams 于 1936-1937 年利用离心机成功地实现了氯同位素分离,后来德国人 Gernot
Zippe 开发了磁悬浮气体离心机,他们在二战以后分别为美国和苏联服务,德国人 Max·Steenbeck 是当时苏联主要的铀分离科学家 ,Gernot Zippe 担任苏联离心机的总工程师,早在上世纪 60 年代末 70年代初,苏联首先建立起来工业规模的离心机设备,随后美国、日本、德国等也相继拥有了这一技术 [10-12],图 0-5 和图 0-6 给出了气体离心机的示意图[13]。
气体离心机示意图 1 气体离心机示意图 2

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