CN1196691A - 稳定离心机转子的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及调节当围绕其几何轴线旋转的旋转体通过其临界速度时所发生的振动的方法和装置,其通过在保持旋转体的转动惯量的前提下使旋转体的旋转轴线能够偏移到其质量重心来实现这种调节。一盘支撑在旋转体的传动轴上,并通过滑动支撑件支撑在其周边位置上。

Description

稳定离心机转子的装置和方法
本发明领域
本发明涉及一种调节旋转体的方法和设备，特别是减小离心机转子在加速和减速过程中经过其临界和回旋速度时所引起的振动的方法和设备。
背景技术
离心机是一种用于使一种材料的样品受到离心力，以便按照样品的密度将其分离出所构成的组分的装置。离心机通常用于诊所的分析试验室里，通过离心力将病人的血样分离成红血球和血浆组分。离心机包括一旋转体或转子，它通常装在一静止的保护外壳内进行高速旋转运动。转子可以配有叶片或腔室，当待分离的样品受到离心力时这些叶片或腔室带走要分离的样品。
转子是离心机系统中的一部分，该系统包括一马达或其它动能能源、一传动轴和一设置在传动轴的上端的转子安装装置，转子装设在该装置上。像其它高速转动的机械装置或物体一样，转子具有某种固有的振动频率，当转子以某种临界速度转动时这种固有的振动频率特别明显。转子通常是绕其几何中心旋转的。但在临界速度下(转子的固有频率(resinant frequencies))，转子的转动轴线会从其几何中心向其质量中心横向偏移。这样就会引起转子振动。而且，由于装载不当或其它原因使得转子不平衡时，这种振动就会显著增加。在正常使用过程中，转子一般是在从停止状态向其运行速度加速或完成分离后从运行速度向停止状态减速时通过临界速度。虽然在临界速度下系统的转动能低于高速运行速度下的能量，但一般由于制造公差所引起的转子的不平衡就是在这种较低的旋转的所谓“临界速度”下才容易使转子产生最大振幅。
因此，通常为离心机的转子安装或旋转设计提供某种形式的灵活的机构，当转子的转动接近并穿过临界速度时该机构调节系统所产生的力。
当操作员为离心机转子装载时，重要的目标是获得围绕传动轴的重量平衡对称的样品分布，为此通常配有指示装置。然而这样也通常无法实现均匀合理的平衡。例如，在紧急情况下可能需要以只部分充填的转子使离心机运转，或极端的情况是，转子内只装一个单独的试管使离心机运行。因此，在设计离心机时第二重要的考虑是减少在不对称样品负荷条件下所出现的转子振动，否则这种振动会损坏离心机。如果不将转子固有的不平衡和/或样品负载方式所引起的总的不平衡力减小或缓冲到足够的程度，这种不平衡力就会导致离心机过早失灵。
与转子通过临界速度加速或减速有关的问题是众所周知的，并已经研制出各种机构来减小这种振动并/或帮助缓冲振动。
美国专利US4,846,773(Giebeler等)公开了一种离心机减振器，其中转子传动轴轴承具有一截头圆锥形表面。传动轴的振动横过其旋转轴线并通过该截头圆锥形表面转换成一同心地安装在传动轴上的柱塞的直线移动。柱塞安装在一螺线管内，其直线运动被该螺线管缓冲。
美国专利US4,236,426(Meinke等)涉及一种离心机转子的减震系统，其中弹簧、缓冲器、配重和/或阻尼器相对于转子连接或脱离。这一系统改变了当转子接近临界速度旋转时的挠性。这些减震装置的作用是改变转子的临界速度。使这些装置生效或不生效以适应转子通过临界速度。
美国专利US4,098,457(Gropper等)涉及一种连接于一静止的定子的浮动定子垫，以增加该垫与定子之间的摩擦。通过与所述定子垫的摩擦接触将转子的多余振动转移。Gropper等人提出使定子垫与定子之间的摩擦接触增大，从而增加定子垫的减震效率。
美国专利US3,322,338(Stallman等)公开了一种具有一可移动轴承组件的离心机，该可移动轴承组件安装在一架上，该架支撑一可与马达的旋转轴线同轴旋转的转动部件。该可转动部件可在一伸出和缩回位置之间移动，以释放转子或接合转子，使其保持在一限定的旋转轴线上。该可转动部件能够在一预定的极限内横向移动，从而减缓在临界转变速度下的横向转子移动。
美国专利US2,961,277(Sternlicht)公开了一种轴承系统，该系统中的一轴的两端之间带有一截头圆锥形轴颈部分，该轴的两端支撑在固定轴承上。一个轴承安装在一可调支撑件上，以使其可以移动以便与截头圆锥轴颈离合。该可动轴承在轴达到临界角速度之前与轴颈接合，在角速度大于临界值之后与轴颈脱离接合。
美国专利US2,951,731(Rushing等)公开了一种具有减震装置的离心机，该减震装置包括两组同心间隔开的圆柱套筒。套筒设置成跟随轴的振动，并与相对于轴固定的其它套筒套叠。在套叠的套筒之间装有一种粘性液体以抑制轴的振动。
美国专利US3,430,852(Leukey等)公开了一种离心机转子稳定装置，它与转子摩擦接触，以提供临界速度下的稳定性。
这些现有技术的解决方案一般都依赖于机械接触及相关的力来约束转子的运动。这一般是通过将转子的振动转移到另一机械部件上来实现的。这种机械接触通常包括摩擦接触以消耗能量。
美国专利US3,902,659(Brinkman等)公开了一种带有一上轴承的转子稳定装置，该上轴承包括一轴向极化的磁环和一第二环，该第二环包括一种铁素体材料。二环中的一个固定于转子上，另一个相对于转子保持静止。两环这样定位，使转子的振动在感应环内引起吸收振动能量的涡电流。Brinkman等人克服了与采用摩擦来减缓临界速度下发生的振动相关的问题。遗憾的是，他们的这种采用磁耦合的解决方案并不能很好地调节大的振动。
因此，希望能提供一种方法，使旋转体能够无需或只用最小的转子机械阻尼就可通过其临界速度。相信提供一种减小由于转子的极度不对称负荷所引起的转子振动的方法也是有利的。
本发明的概述
本发明克服了许多与公知的减震系统的复杂力学相关的困难，这些系统包括那些需要机械装置的运动和/或大摩擦地相互作用来调节在转动系统内，特别是在转子负荷极不对称的情况下所产生的振动的系统。
本发明涉及一种用于在一离心机仪器中调节并/或抑制转子的振动的方法和装置。本发明是一种调节一离心机转子内的振动的装置，其包括：
一具有垂直轴线的传动轴，用于安装一离心机转子，使转子绕所述轴线旋转；
用于旋转所述轴的驱动装置；
安装在所述轴上的轴承装置；
一安装在所述轴承装置上从而可以绕所述轴旋转的盘；和
限定所述盘的垂直运动从而使转子能够围绕其质量重心旋转的抑制装置。本发明的一理想的特征包括感应所述盘的径向位移的装置和对该径向位移超出一预定值作用反应以抑制所述盘的旋转，从而衰减离心机转子的振动的装置。
因此，本发明包括一种用于调节当围绕其几何轴线旋转的旋转体通过其临界速度时所产生的振动的方法，该旋转体具有一转动惯量和一质量重心，该方法包括如下步骤：
保持所述旋转体的惯性运动，
并允许旋转体的旋转轴线向其质量重心的轴线偏移。
通过为安装在转子的传动轴上的一自由转动盘提供滑动支撑，转子的旋转轴线能够偏移到其质量重心的轴线。因此，本发明在转子上增加了径向质量，但没有像现有技术的系统那样增加转动惯量。这样就减少了转子振动的可能性，既使是在临界速度下也是这样；但是却不是像大多数现有技术那样通过减少转子的速度来减小振动，既使是在临界速度下也减小速度。在振动确实不可避免的情况下，例如转子不平衡时，滑动轴承将转子的周边夹住，从而利用盘来缓冲这种振动。由于没有使用弹性材料，因此不会突然陷入由于弹性常数而引起的摆动。本发明的装置很简单，并且不需采用复杂的转动型减振器。
附图的简要描述
结合几幅说明书附图将有助于更好地理解本发明。在这些附图中，相同的标号表示相同的部件。附图中：
图1为一采用了减少离心机转子内的振动的方法和装置的离心机的透视图；
图2为图1所示的离心机的旋转装置的分解图；
图3为图2所示的旋转装置的纵剖面图；及
图4为与图1所示的离心机调节装置连用的振动传感器的框图。
优选实施例的描述
图1中示出了按照本发明构成的一旋转体振动调节装置。图示说明的装置为一离心机转子的旋转装置。该旋转装置包括一驱动和定位或安装转子(见图3)的上传动轴11。提供一旋钮12将这样一个转子卡紧在旋转装置上。本发明的振动调节装置包括一壳体10，其上有例如通过螺栓18固定的一盖16。在图1的下部可见到一传动皮带轮17，可以将其与一适用的电机(未示出)相联，用以驱动上传动轴11。
现在参考图2和3，可以更清楚地看出本发明的装置的零部件。在图3的上部可以看到一安装于上轴11并由旋钮12卡紧的转子13，它可以是通常类型的转子。旋转装置由两个轴形成，如上所述的上轴11和下传动轴20，两轴承由一可以使两轴之间有相对的横向(垂直于两轴的旋转轴线的)移动的挠性联轴器22连接在一起，挠性联轴器22可以是任何适用的这种类型的联轴器，一种适用的联轴器是由Servometer Corp.制造的。挠性联轴器22分别带有上下帽座24和26。各帽座具有一用于分别安装相应传动轴20和11的端部。下端帽座26内装有一伸出条28，用作检测转子(轴)的终点位置的标记。一适用的观察标记28的位置的传感器30来检测上述终点位置。传感器30还可用来以一种公知的方式控制转子的位置。
下传动轴20装设在适当的滚珠轴承32上，滚珠轴承32通过适当的垫圈和挡圈34定位在轴承座38内。一适当的隔离轴承36将滚珠轴承32分开。适当的螺栓将轴承座38固定在壳体10的下端。
上传动轴11为一短棒，其下端固定于上端帽座24内并定位在一盘轴承42内，一轮毂形式的轴承座46装着盘轴承42，盘40与毂46整体形成。盘40优选由不锈钢制成并定位在壳体10内，壳体10的上端大致为杯形，并由盖16覆盖。壳体14内有一沉头孔，该沉头孔中装有一塑料轴衬50，其作用是作为一止挡上传动轴11的径向运动的止挡件。盘轴承42通过适当的垫圈和挡圈52固定在轴承座46的两端。
按照本发明，若干抑制装置装设在盘40之下来支撑其在水平平面内的旋转，这些抑制装置优选为下支撑滑动支撑件60。这些下支撑件60位于在壳体10的杯形部分的下部优选在等间距的周向位置(图中示出六个)上形成的凹槽62内。相应地，三个上滑动支撑件64定位在于盖16内形成的凹槽66内。凹槽66在轴向上位于等间距分布的相应的下支撑件60的上方。只在三个下支撑件60的上方装有周向隔开的上抑制支撑件64，以便为由螺线管形式的减震装置致动的滑动支撑件68留下空间，滑动支撑件68装设在其余的在周向上等距离隔开的支撑件60的正上方。
螺线管致动支撑件68由三个螺线管70驱动，这三个螺线管设置在盖16上的沉头孔内，其运转带动一螺线管轴72，该轴连接于减震支撑件68。支撑件68可以由一种适当的低滑动摩擦的材料形成，例如具有石墨的VespelTM。螺线管70由一组适当的螺栓80固定。与此相对应，上抑制支撑件64也可以由一种适当的低滑动摩擦的材料形成，例如ErtalyteTM聚乙烯。实际上，滑动支撑件可以由提供低滑动摩擦的任何适当的材料制成，例如聚四氟乙烯、尼龙、聚甲醛树脂等等，这里只列举了几种。上支撑件64和68这样定位，它们或者不与盘40的上侧接触，或者只与其轻微地接触。
一种例如在图4中示出的机构对螺线管进行控制。在图4中可以看到，盘40带有一发光二极管(LED)，其位于盘40的周边，并叠盖在其径向上最外处。发光二极管(LED)40朝下，遮住一适当的探测器102。这样，盘40的横移就会改变达到探测器的光量，从而表示盘振动的大小程度。探测器102的输出联接于一通常的适用的控制器104，以便根据探测器102所检测到的盘40的振幅来控制螺线管70或将其致动到一或大或小的程度。螺线管如上所述，使减震支撑件68顶靠在盘40的顶面上。
运行时，由于转子通过其临界速度旋转所产生的任何不平衡力都表现为振动。挠性联轴器，例如由Servo Meter Company，Cedar Grove，N.J.提供的那种联轴器，使上轴11能够相对于下轴20横向移动。振动还表现为盘40的径向运动。按照本发明，盘40可自由地垂直于上轴11的旋转轴线运动。由于下支撑件60和上抑制支撑件64所提供的支撑，包括传动轴和所装有的任何转子部分在内的整个组件能够横向偏移，即垂直于传动轴11的旋转轴线移动，从而调节这种振动。
调节这些振动不需要对传动轴施加任何抑制力，因此，组件的旋转中心能够转移，以沿其质量重心旋转。换句话说，因为虽然盘40由于滚动轴承42的低摩擦而可以自由旋转，但由于滑动支撑件60的摩擦，盘并不随转子的速度而旋转，所以本发明的装置只增加了径向质量，并没有增加转动惯量。抑制轴承60仅对盘其支撑作用，几乎或根本不对其施加任何摩擦力。因此，转动惯量(角转矩与所产生的角加速度之比)几乎或根本没有变化。而且要注意到，由于没有采用弹性材料，与弹性常数有关的维持和致使振动的问题在这里不是固有的。可以将本发明描述为允许纯质量定心。
当探测器102检测到过大的振动时，螺线管70被致动，这使得螺线管驱动支撑件68作用到盘16的上侧，从而通过对盘施加滑动摩擦抑制了盘的进一步的运动，并限制其在竖直和径向两个方向上运动的可能性。由此可见，采用盘40首先调节旋转装置和转子的振动，然后，如果这一振动过大，通过致动螺线管支撑件68，使其与盘40的侧面接合来进一步调节这种振动。在任何时候，无论盘是否旋转，因为它是由支撑件安装的，都不会妨碍或减小转动转子所施加的转矩。通过阻止其竖直运动，盘抑制了可能将其重新定位在其旋转平面以外的颤振。

Claims (12)

1.一种用于调节一离心机转子内的振动的装置，其包括：
一具有垂直轴线的传动轴，用于安装一离心机转子，使转子绕所述轴线旋转；
用于旋转所述轴的挠性驱动装置；
安装在所述轴上的轴承装置；
一安装在所述轴承装置上从而可以绕所述轴旋转的盘；和
限定所述盘的垂直运动从而使转子能够围绕其质量重心旋转的抑制装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述盘具有上侧和下侧，抑制装置为滑动支撑件，其适合于抑制盘的两侧在轴线方向上的运动，而不会明显地影响轴转矩或转子的径向运动。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述盘具有上侧和下侧，抑制装置包括使滑动支撑件移动到盘的上侧上的驱动装置。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：抑制装置朝向所述盘的外部定位。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：包括感应所述盘的径向位移的装置；和
对该径向位移超出一预定值作出反应来致动所述驱动装置并从而使离心机减震的装置。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于：该盘滑动地支撑在适合于与所述盘的下侧接合的所述抑制装置上。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：该盘滑动地支撑在适合于与所述盘的下侧接合的所述抑制装置上。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述抑制装置由低摩擦材料制成。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述盘具有一下侧，而抑制装置为一适合于抑制盘在其下侧方向上运动的滑动支撑件。
10.一种用于调节当围绕其几何轴线旋转的旋转体通过其临界速度时所产生的振动的方法，该旋转体具有一转动惯量和一质量重心，该方法包括如下步骤：
保持所述旋转体的惯性运动；和
允许旋转体的旋转轴线向其质量重心的轴线偏移。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：包括提供一可自由地围绕所述旋转体的几何轴线旋转的盘及抑制所述盘沿所述几何轴线的运动的附加步骤。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括当所述盘上的振动超出一预定值时接合所述盘以防止其沿所述几何轴线的运动的装置。
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