本文介紹了離心機的原理、分類及功能,重點回顧了實驗（experiment)室用離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)(由復雜到簡單的發(fā)展歷程,明確了目前離心機采用的主要驅(qū)動結(jié)構(gòu),同時指出加強離心機動力特性的設(shè)計是提高(我G離心機品質(zhì)的重要手段,并對驅(qū)動結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢作了展望。

　　離心機是根據(jù)物質(zhì)在水溶液中的密度、大小和形狀的區(qū)別(difference)在離心力場中進行物質(zhì)的分離、精制及純化的科學儀器。離心機根據(jù)其處理的規(guī)?？煞譃楣I(yè)用離心機與實驗室用離心機。工業(yè)用離心機處理量大,而實驗室用離心機處理量相對地小,但分離效果好。本文只討論實驗室用離心機。
　　通常人們以產(chǎn)生離心加速度的大小作為標準對離心機進行分類[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;能產(chǎn)生幾萬倍重力加速度的為高速離心機;能產(chǎn)生10萬倍重力加速度以上的為超速離心機。由低速到高速離心機的分離能力逐漸增強,結(jié)構(gòu)由簡單到復雜,技術(shù)難度也大大增加了。
　　離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)使離心機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),是離心機設(shè)計中的核心技術(shù)之一。為保證離心機可靠地運行,較高的分離效率,高質(zhì)量的分離效果,對離心機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)有如下基本要求:工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動小,運行穩(wěn)定可靠;轉(zhuǎn)速精度（精確度）高;升降速快;噪聲低;體積小,結(jié)構(gòu)簡單。
　　有關(guān)離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)(方面的文獻[2~5]集中在40~60年代,Anderson在文獻[5]中利用60年代轉(zhuǎn)子動力學的成果對離心機的運行穩(wěn)定性及引起失穩(wěn)的因素進行了闡述,這之后離心機已作為一種商品,有關(guān)離心機方面的研究論文很少公開發(fā)表。目前G內(nèi)的離心機市場(shì chǎng)主要被外商占*,G內(nèi)離心機廠家(factory)多數(shù)處于停滯狀態(tài)。為扭轉(zhuǎn)這種局面,研究和回顧離心機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有特別重要的意義。
　　1離心機(Centrifuge)驅(qū)動結(jié)構(gòu)回顧
　　離心機是集機械、力學、電器控制、制冷、真空、生物化學(huà xué)等多學科于一身的科學儀器,隨著相關(guān)學科的發(fā)展而發(fā)展,但其驅(qū)動結(jié)構(gòu)卻是由復雜到簡單。下面通過幾個典型的離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu),回顧其發(fā)展歷程。
　　11離心機的起源
　　1878年瑞典人DeLava1研制出牛奶分離器(見圖1),這是離心機的雛形[2]。該分離器通過皮帶傳遞力矩,使傳遞軸驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子中的牛奶在離心力場的作用下成為奶油。該機利用人力驅(qū)動,轉(zhuǎn)速可達3000r/min。
　　12油透平驅(qū)動離心機
　　瑞典物理化學家Svedberg[3]為了確定膠體顆粒大小的分布,將膠體混合到水中,再用光學方法測定溶液的濃度分布。1923年Svedberg將牛奶分離器進行改造,增加(increase)齒輪增速機構(gòu),研制出**臺實驗用離心(Centrifugal)機,轉(zhuǎn)速10000r/min,離心加速度5000g,并能夠測**小直徑為5m膠體的沉降速度,但該離心機不能進行蛋白質(zhì)分子沉降研究,它需要更強大的離心力場。為達到更大的離心力場,Svedberg從1926年~1939年的十幾年間不斷進行改進,與蒸汽的Boestad合作研制成功(success)油透平驅(qū)動超速離心機(見圖2),曾達到**高轉(zhuǎn)速75000r/min,**大離心加速度達429000g。該機器是用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。該機器后來由瑞典的LKB公司生產(chǎn)出售,從而大大地推動了生物化學等基礎(chǔ)學科的發(fā)展(Develop)。
　　13空氣透平驅(qū)動離心機
　　Svedberg等在瑞典Uppsala大學研究油透平離心機(Centrifuge)的時候,美G正在進行空氣透平離心機的研究工作(gōng zuò)。EHenriot和EHuguenard在1925年發(fā)表了關(guān)于在圓錐（Tapered）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(gāo sù)旋轉(zhuǎn)的裝置的文章(見圖3)。JWBeams等對這裝置進行改進后,對外徑為19mm的小陀螺用氫氣吹,可達到1200000r/min的轉(zhuǎn)速,但當增大離心機轉(zhuǎn)子直徑時,空氣阻力就非常大,轉(zhuǎn)速升不上去。
　　14高速電機增速機構(gòu)離心機
　　前兩種結(jié)構(gòu)的離心機雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn),但其體積龐大,整體結(jié)構(gòu)比較復雜,這不僅降低了機器的可靠性,同時噪聲很大,使用也不方便。隨著電機技術(shù)和制造業(yè)的發(fā)展,1945年EGPickels把空氣透平驅(qū)動離心機的空氣透平部分用高速電機所驅(qū)動的齒輪箱代替,制造出**臺高速電機齒輪傳動離心機(見圖5)。該結(jié)構(gòu)的離心機在60年代末70年代初達到65000r/min,使用的是鋁合金離心機轉(zhuǎn)子。此類產(chǎn)品經(jīng)過20多年的生產(chǎn)實踐,鈦合金轉(zhuǎn)子**高轉(zhuǎn)速75000~83000r/min(**大離心加速度約五六十萬倍重力加速度),機器穩(wěn)定性也得到大大提高。
　　我G離心機的研制始于1958年,經(jīng)過多年努力,中G科學(science)院生物物理研究所于1974年末在我G**次研制成功全部用G產(chǎn)元件材料(Material)的超速離心機[7]。高速離心機的轉(zhuǎn)速一般在10000～30000r/min之間，并且?guī)в兄吕湎到y(tǒng)。由于轉(zhuǎn)速較高，產(chǎn)生離心力大，是對樣品溶液中懸浮物質(zhì)進行高純度分離、濃縮、精制，提取各種樣品進行研究的有效制備儀器。是醫(yī)學、藥物學、生物學、化學、農(nóng)業(yè)科學、食品環(huán)保等科研生產(chǎn)部門使用的重要儀器設(shè)備，廣泛用于各種藥物、生物制品，如血液、細胞、蛋白質(zhì)，酶、核酸、病毒、激素等等。該離心機也采用高速電機齒輪增速驅(qū)動結(jié)構(gòu)(,使用鈦合金離心機轉(zhuǎn)子,**高轉(zhuǎn)速60000r/min,這為G內(nèi)其后研制高速、低速離心機打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　15電機直接驅(qū)動離心機
　　電機直接驅(qū)動形式是目前**簡捷的驅(qū)動方式,該結(jié)構(gòu)對電機、支撐、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度及轉(zhuǎn)子的動平衡有更高的要求。
　　1940年JWBeams用電機取代空氣透平離心機(Centrifuge)的空氣透平,電機是商用電扇改裝的,變頻調(diào)速,驅(qū)動直徑為152mm離心機轉(zhuǎn)子,在30min達到60000r/min,需功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）1600W。盡管該結(jié)構(gòu)(比空氣透平機結(jié)構(gòu)簡單,但溫升很大,不便于推廣(見圖6)。
　　50年代瑞士人EWiedeman研制了變頻電機直接驅(qū)動的離心機UltragroTypU54,該機與以往的離心機不同,電機在下,轉(zhuǎn)子（rotor）在上,因而操作方便,離心機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達65000r/min。從結(jié)構(gòu)上看,因為甩掉了齒輪箱,使離心機結(jié)構(gòu)進一步簡化、緊湊。
　　70年代后期,美GBeckman公司推出變頻電機直接驅(qū)動超速離心機,后來又在高速(gāo sù)和低速離心機上也采用該驅(qū)動方式方法。冷凍離心機就是利用離心力使得需要分離的不同物料得到加速分離的機器。冷凍離心機有分為低速、高速冷凍離心機，以及超速分析、制備兩用冷凍離心機等多種型號。變頻電機直接驅(qū)動成為離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主流。
　　2離心機(Centrifuge)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的展望
　　離心機由于科研與生產(chǎn)的需要而產(chǎn)生,隨著相關(guān)科學技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,驅(qū)動結(jié)構(gòu)由復雜到簡單。目前離心機**高轉(zhuǎn)速可達120000r/min,**大離心加速度可達694000g,基本滿足科研的需要。
　　離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)趨向電機直接驅(qū)動方式,對于重量較大的離心機轉(zhuǎn)子通常采用雙層減振結(jié)構(gòu),對于較輕的離心機轉(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。另外,驅(qū)動電機將由無刷電機(直流無刷電機和變頻電機)取代有刷電機,這樣不僅免去了定期更換碳(C)刷的麻煩,而且提高了電機的可靠性,同時也降低了噪聲。雖然電機直接驅(qū)動方式為**簡捷的結(jié)構(gòu),但這種結(jié)構(gòu)需要對離心機驅(qū)動系統(tǒng)做比較深入的理論研究,否則很難做到優(yōu)化設(shè)計。這是我G離心機與G際先進水平離心機有較大差距的主要原因之一。
　　因此,我們應該盡快將轉(zhuǎn)子動力學理論及有限元方法等力學手段引入離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,在離心機驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計中強化其動力特性的設(shè)計,這樣可以達到事半功倍的效果,也是改善我G離心機品質(zhì)的重要手段。
　　在離心機驅(qū)動結(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(fever)并伴有較大的噪聲,影響了離心機的品質(zhì)。冷凍離心機又稱沉淀器，類型有用來將液體中的懸浮物質(zhì)很快分離出來的分離型離心機，有用濃縮和提純微粒的制備式大型離心機，還有實驗分析用的低速分析用離心機，盡管離心機的類型不同，但功能可視為分離、濃縮、提純和分析幾類。因此,如果支承選用磁懸浮或氣懸浮軸承,將會使離心機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)有進一步的改進,離心機將更加完善。這有待于懸浮軸承的進一步發(fā)展。