离心机的国内外研究现状

自1836年第一台工业用三足式离心机在德国问世，迄今一百多年以来己获得， 很大的发展[4]，各种类型的离心机品种繁多，各有特色，并正在向提高技术参数、 系列化、自动化方向发展，且组合转鼓结构增多，专用机种越来越多。现在，离 心机已经广泛用于化工、石油化工、石油炼制、轻工、医药、食品、纺织、冶金、 煤炭、选矿、船舶、军工等各个领域。例如：湿法采煤中粉煤的回收，石油钻井， 泥浆的回收，放射性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水，各种石油化工产品的， 制造，各种抗菌素、淀粉及农药的制造，牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、 食用动物油、米糠油等食品的制造，纺织品、纤维脱水及合成纤维的制造，各种 润滑油、燃料油的提纯等都使用离心机。离心机己成为国民经济各个部门广泛应 用的一种通用机械。对于石油化工、制药、食品、冶金、废水处理等行业来说， 分离处理需要特殊的体系，如：两相的接触时间短，且设备内的存留液量要少， 某些密度差较小的体系或粘度较大的体系一直是一个重要的课题，直接全方位地， 影响工作效率和经济效益。因此，两相分离的研究具有十分重要的意义。

离心机基本上属于后处理设备，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来 的[5，例如： 18世纪产业革命后，随着纺织工业的迅速发展， 1836年出现了棉布 脱水机。1877年为适应乳酪加工工业的需要，发明了用于分离牛奶的离心机。进 入20世纪之后，随着石油综合利用的发展，要求把水、固体杂质、焦油状物料等 除去，以便使重油当作燃料油使用， 50年代研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣， 离心机，到60年代发展成完善的系列产品。随着近代环境保护、三废治理发展的， 需要，对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高，因此促使卧式螺旋卸料沉降 离心机、碟式离心机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展。

目前工业用离心机有间歇和连续操作两大类，其中连续式发展较快，适合于 大工业生产中固、液相的分离；间歇操作的离心机，由于在操作中引进了现代化 的计量与控制技术，在局部范围内能与连续式相抗衡。间歇离心机的最大特点是 具有操作弹性，因此有可能在一定程度上进行有效的过程控制；而连续式离心机 用于过滤、洗涤和甩干的时间，调控余地很小，在过程控制上受到相当大的限制。 下面分别介绍和比较几种常用的离心机16,7, 三足式离心机是最早出现的间歇式离心机，优点是： 1)对物料的适应性强； 2)人工卸料时结构简单、制造维修安装方便，容易操作； 3)停机或低速下料， 易于保持产品晶粒形状。缺点是： 1)间歇式分离，周期循环操作： 2)进料阶段 需启动、增速，卸料则在减速或停机时进行； 3)生产能力低： 4)人工上部卸料 的机型劳动强度大，操作条件差，因而只适合于中小型的生产。 卧式刮刀卸料离心机有过滤式和沉降式两种，以前者使用较多。过滤式刮刀 离心机用于处理中等或小颗粒(颗粒直径不大于5mm)的物料，而且颗粒不怕被 刮刀破坏者，也可以用于短的纤维状物料(长度小于4mm)，对于悬浮液浓度和进 料量的变化也不敏感，过滤时间、洗涤时间以及分离卸料时间均可自由调节，滤 渣比较千，并可得到很好的洗涤，各操作阶段可以在全速或不同转速下进行，操 作周期短，生产能力大。其主要问题是： 1)对固体颗粒的破碎严重； 2)电机负 荷不均匀： 3)刮刀无法刮净转鼓上的滤渣： 4)加料与卸料时机器振动严重。 卧式活塞推料离心机具有效率高、产量高、生产连续化、操作稳定可靠的诸 多优点。但是由于它只能分离粗的颗粒，对悬浮液的浓度波动比较敏感，容易产 生跑料现象，因而在某些场合的应用上有一定局限性。 离心力卸料离心机是一种无机械卸料装置的自动连续卸料离心机。滤渣在锥 形转鼓中，依靠本身所受的离心力克服与筛网的摩擦力，沿筛网表面向转鼓大端 移动，最后自行排出。它具有结构简单、效率高、产量高、制造运转及维修费用 低等特点。缺点是对物料的性质和溶液浓度的变化非常敏感、适应性差，物料停 留时间不易控制，从而限制了它的应用。 振动卸料离心机是指附加了轴向振动或周向振动的离心力卸料离心机，前者 称为轴向振动卸料离心机，后者称为扭转振动卸料离心机。轴向振动离心机的特 点是：生产能力高，脱水效果好，耗电少，颗粒破碎小等。扭转振动离心机是一 种新型的离心机，它结构简单， 自动化程度也比较高，但它目前仍处于试验阶段。 进动离心机是利用进动原理设计的自动连续过滤式离心机，它的生产能力大， 结构简单，动力消耗少，是一种有前途的离心机。但滤渣不能得到充分的洗涤， 而且滤液和滤渣不容易很好分开，是它的弱点。

翻袋式滤布离心机在已有离心机优点的基础上，实现了物料在不打开设备的 情况下卸料的过程，并在滤袋上不留下任何残余物料。其弱点是轴系的复杂。 上悬式离心机是继三足式离心机以后出现的另一种间歇式离心机，其结构特 点是转鼓固定在较长的挠性轴下端，而轴的上端则接轴承而悬挂在绞接支承中。 绞接支承内装有弹性材料制造的缓冲环，用于限制主轴的径向位移，以减弱转子 不平衡时轴承承受的动载荷。这种支承方式使支承点远高于转子的质量中心，从 而保证了运行时的稳定性，并使转子能自动调心。此外这种支承与传动方式不至 于使滤液或滤渣受到污染。 离心机的结构、品种及其应用等方面发展迅速，但理论研究落后于实践是个 长期存在的问题。目前在理论研究方面所获得的知识，主要还是用来说明试验的 结果，而在预测机器的性能、选型以及设计计算，往往仍要凭借经验或试验。因 此，研制和改进分离设备，提高分离效率，一直是工业领域的重要的研究课题。 离心机转鼓强度的研究工作始于五十年代，苏联3.B.Kahtobopobhy开始采 用经典弹性理论计算高速回转圆盘和圆筒形、圆锥形的回转壳体及其边缘区域的 应力，对离心机转鼓的强度计算进行了详细的论述。德国的W.Wilsmann于1962. 1963年相继发表了“底板对离心机转鼓壳体应力的影响”和“薄底盘离心机转鼓”， 文中将转鼓简化为管子与平板来进行讨论，着重研究了圆筒形离心机转鼓中鼓底， 的厚度对圆筒边缘部位应力的影响。w. Wilsmann分析认为离心机转鼓采用薄鼓底， 有利于减少鼓壁的边缘应力。70年代初苏联学者将最优化方法应用于高速回转容， 器的设计，提出等应力的设计观点，这对转鼓的优化设计在理论上具有一定的意， 义1101, 国外一些国家如英国、苏联、法国等，从1951年起就相继制定了一部分离心， 机转鼓强度计算方面的规范或标准11,12,13,14]，例如，英国的B.S.767-1951标准“脱 水机与离心机”对离心机转鼓的强度计算、材料、开孔、壁厚、加强箍、制造等， 作了规定：前苏联颁布了OTC26-01-1170 “离心机转鼓强度计算方法和标准”； 1976年法国公布了NFE40-001 “离心机转鼓强度计算”标准。我国于1979年编著， 的《机械工程手册》对离心机转鼓的强度计算提出了指导性意见。 目前在工程和实验研究方面，关于转鼓机械强度的计算方法主要采用两种： 经典弹性力学解析解法和有限元解法。从文献检索来看，由于有限元法的能解决， 复杂的工程问题，且其强大的分析能力越来越受到人们的重视。

国内对转鼓进行 研究的主要人员有：浙江工业大学顾巧祥15]对碟式离心机的转鼓零件进行了二维 和三维有限元应力分析。在进行二维分析过程中，针对碟式离心机的实际工作情 况，采用ANSYS软件中的接触单元模块对转鼓零件作整体分析，避免了因单独计 算每个零件的应力而带来的误差，对转鼓简体开孔处进行三维应力分析。文中还 利用蒙特卡罗有限元法研究了转鼓转速的随机性对转鼓简体螺纹处和开孔处应力 的影响，并得到相应的可靠度。北京化工大学李焕16]对翻袋式离心机转鼓进行应力 分析，校核其合理性。翻袋式离心机的轴系结构是一个三套轴结构，用ANSYS有 限元设计软件中的模态分析方法对它进行设计，算出实际转速要远大与轴系的自 身最低临界频率，轴系安全。北京化工大学朱继发[16]对密闭式切屑脱液离心机的， 回转部件鼠笼形转鼓和螺旋推料器进行了考虑动力效应的等效静力学结构分析。 得到了各种工况下回转部件的应力分布与变形情况，依据应力分析设计法确定了 离心机部件合理的结构参数和操作参数。浙江大学张晓军17]对转鼓不平衡对碟式 离心机振动特性的影响进行分析，分析了静不平衡量、动不平衡量对转子振型的 影响，验证了单测点整机动平衡方法的合理性和有效性。此外，还对离心机转子 系统与机壳耦合振动进行了计算分析，找到了上轴承位置动平衡精度已达到要求 而出现机座底端振动超标的原因，并给出了解决方法。 1869年， Rankine发表了题为“论旋转轴的离心力”一文，这是一篇有记载 的研究转子动力学的文献[18]，在这篇著作中，作者研究了一根无阻尼的均匀轴， 在其初始位置受到扰动后的平衡条件。他得出了如下的结论：转轴在一阶临界转， 速以下运转时是稳定的，而在超临界转速运转时是不稳定的。一百多年以前，兰 金(Rankine)发表了题为"Centrifugal Whirling of Shafts"的论文[19]，主要目的 是研究旋转机械的动力问题。由于工业的日益发展，需要机组在高转速下运行。

人们得以观察到很多轴系的失稳现象，并进行了许多基础研究。50年代，普劳尔 (Prohl)用传递矩阵法成功地计算了多跨转子的临界转速。70年代，伦德(Land) 在轴系稳定性领域做出了杰出的贡献，他沿用经典的传递矩阵法，成功地计算了 转子一轴承系统的稳定性[20], 目前，计算临界转速的方法一般有五种：矩阵迭代法、传递矩阵法、特征方 程法、特征值法、能量法。每种方法各有其优缺点及适用范围。采用时须考虑转 子支承系统的结构形式、所需的精度和经济性。近期对临界转速研究的主要人员 有：北京化工大学王辉斌[21运用有限元的方法对翻袋式离心机的三轴系统进行了 模态分析。获得各阶固有频率下的振型情况：分析在不同约束条件以及不同模拟 的模拟方法对临界转速的影响。浙江大学贺世正122]分析了陀螺效应对式离心机立 轴系统动态特性的影响分析。从理论上分析了转子转动状态下产生的陀螺力矩对 碟式离心机立轴系统动态特性的影响，并通过建立有效的离心机立轴系统计算模 型，采用有限元方法计算分析了转鼓陀螺效应对其临界转速及相应振型的影响。 兰州理工大学龚俊123]针对碟式分离机振动的问题，分析了离心机工作状态与动平 衡试验状态下支承反力的差异，提出了碟式分离机整机现场平衡的校正方法并证明了该方法的实用性和准确性。