1我國(guó)實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)的研發(fā)回顧與現(xiàn)狀
（１）實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、生物工程、生物制藥等行業(yè)科研與生產(chǎn)的必備設(shè)備。我國(guó)有關(guān)部門(mén)歷來(lái)很重視離心機(jī)的發(fā)展，離心機(jī)曾經(jīng)是國(guó)家科委統(tǒng)管的２３項(xiàng)大型科學(xué)儀器之一，兩次被納入國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。
中國(guó)在離心機(jī)研究開(kāi)發(fā)上的經(jīng)費(fèi)與人力投入累積總和為世界第一，在實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)領(lǐng)域特別是超高速離心機(jī)方面出現(xiàn)過(guò)一些國(guó)際一流的創(chuàng)新成果，但并未產(chǎn)業(yè)化，目前我國(guó)高端離心機(jī)發(fā)展緩慢，幾乎全部依賴進(jìn)口。
（２）目前我國(guó)已逐步形成湖南、上海、北京的實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)生產(chǎn)基地。中國(guó)在２０世紀(jì)８０年代建立起實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)產(chǎn)業(yè)，不僅打破了國(guó)外的壟斷，還規(guī)模生產(chǎn)出低速離心機(jī)和高速冷凍離心機(jī)及大容量離心機(jī)的廣泛系列離心機(jī)產(chǎn)品，滿足了市場(chǎng)需要，促進(jìn)了相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（３）在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的巨大沖擊下，實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)行
業(yè)迎來(lái)高速發(fā)展的新時(shí)期。由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的巨大沖擊，致使國(guó)營(yíng)企業(yè)重組改制，有的破產(chǎn)，在此過(guò)程中，由于主要技術(shù)力量并未流失，所以能在重組中得到更快的發(fā)展。
同時(shí)，改革開(kāi)放后，許多外企看好中國(guó)市場(chǎng)，其中法國(guó)、意大利在江蘇太倉(cāng)建立了高質(zhì)量的壓縮機(jī)組，日本也在中國(guó)建立了變頻電機(jī)生產(chǎn)基地。轉(zhuǎn)子用的復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始批量生產(chǎn)。所以近年來(lái)國(guó)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)新的國(guó)產(chǎn)化和升級(jí)換代，包括自主研發(fā)的臺(tái)式離心機(jī)發(fā)展十分迅速。
2國(guó)內(nèi)幾種主要的實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)
目前全國(guó)離心機(jī)生產(chǎn)廠家有１１０多家，其產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展為４大系列５０多個(gè)品種，是實(shí)驗(yàn)室儀器發(fā)展最快的專業(yè)之一，隨著離心機(jī)工業(yè)的發(fā)展和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)，新的組合必將開(kāi)始。小企業(yè)的生存空間將不斷縮小，大企業(yè)、集團(tuán)的出現(xiàn)將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)離心機(jī)工業(yè)發(fā)展。
２．１超大容量冷凍離心機(jī)
湘儀引進(jìn)美國(guó)貝克曼（ＢＥＣＫＭＡＮ）公司大容量冷凍離心機(jī)。經(jīng)過(guò)十多年的努力，湘儀離心機(jī)實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新，一次可分離的試樣容量為貝克曼（ＢＥＣＫＭＡＮ）公司產(chǎn)品容量的２倍。采取多級(jí)減震，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用先進(jìn)的矢量技術(shù)，整個(gè)主機(jī)采用多項(xiàng)保護(hù)措施。微機(jī)程序控制大屏幕液晶顯示和無(wú)氟壓縮機(jī)組，其技術(shù)水平達(dá)到同類機(jī)型世界先進(jìn)水平，產(chǎn)品已出口到美國(guó)、德國(guó)、日本、越南、墨西哥等國(guó)。英泰、平凡等離心機(jī)廠也生產(chǎn)同類機(jī)型。
主要技術(shù)參數(shù)：
型號(hào)（Ｍｏｄｅｌ）：Ｌ７２０Ｒ－３；
最高轉(zhuǎn)速（Ｍａｘｓｐｅｅｄ）：７２００ｒ／ｍｉｎ；
最大相對(duì)離心力（ＭａｘＲＣＦ）：１２１６６×ｇ
溫度設(shè)定范圍（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ）：－２０～＋４０℃；
定時(shí)范圍（Ｔｉｍｅｒａｎｇｅ）：０￣２３ｈ５９ｍｉｎ；
轉(zhuǎn)速精度（Ｓｐｅｅｄａｃｃｕｒａｃｙ）：±５０ｒ／ｍｉｎ。
２．２高速冷凍離心機(jī)
湘儀從日本ＴＯＭＹ公司引進(jìn)的高速冷凍離心機(jī)，不僅實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新。儀器采用全自動(dòng)轉(zhuǎn)頭識(shí)別系統(tǒng)，大屏幕液晶顯示，主機(jī)和轉(zhuǎn)子運(yùn)行參數(shù)自主設(shè)定，自動(dòng)存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)子使用壽命自動(dòng)計(jì)算，具有報(bào)警等多種保護(hù)功能，無(wú)氟壓縮機(jī)，達(dá)到同類機(jī)型的國(guó)際先進(jìn)水平。英泰、平凡、赫西已生產(chǎn)上述同類型離心機(jī)。
主要技術(shù)參數(shù)：
最高轉(zhuǎn)速（Ｍａｘｓｐｅｅｄ）：２５０００ｒ／ｍｉｎ；
最大相對(duì)離心力（ＭａｘＲＣＦ）：６４８００×ｇ（２４×１．５／２ｍｌ２５０００ｒ／ｍｉｎ）；
最大容量（ＭａｘＣａｐａｃｉｔｙ）：４×１０００ｍｌ；
轉(zhuǎn)速精度（Ｓｐｅｅｄａｃｃｕｒａｃｙ）：±３０ｒ／ｍｉｎ。
２．３臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)
長(zhǎng)沙英泰儀器有限公司、長(zhǎng)沙平凡儀器有限公司、湖南赫西儀器有限公司和湘儀努力開(kāi)發(fā)臺(tái)式離心機(jī)，自主開(kāi)發(fā)臺(tái)式冷凍離心機(jī)新產(chǎn)品。臺(tái)式冷凍離心機(jī)ＴＧＬ２０ＭＣ采用變頻電機(jī)，環(huán)保無(wú)氟壓縮機(jī)，全自動(dòng)門(mén)鎖和報(bào)警系統(tǒng)，多項(xiàng)保護(hù)措施，３２位ＡＲＭ微處理器，大屏幕液晶顯示，配有ＣＡＮＲＳ－４８５接口，實(shí)現(xiàn)電腦與離心機(jī)聯(lián)網(wǎng)，具有轉(zhuǎn)子識(shí)別功能，采用３２套程序存儲(chǔ)積分Ｗ２ｄｔ顯示控制功能，可進(jìn)行階梯分離，在轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)采用了彈簧錐套裝拆轉(zhuǎn)子，具有重復(fù)定位度高，裝拆轉(zhuǎn)子便利，提高了分離過(guò)程準(zhǔn)確性，完全可以替代進(jìn)口的高檔臺(tái)式離心機(jī)，使我國(guó)離心機(jī)上了一個(gè)新臺(tái)階，改變了我國(guó)臺(tái)式離心機(jī)長(zhǎng)期落后面貌。
主要技術(shù)參數(shù)：
最高轉(zhuǎn)速（Ｍａｘｓｐｅｅｄ）：２５０００ｒ／ｍｉｎ；
溫度范圍（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ）：－２０～＋４０℃；
溫控精度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｃｕｒａｃｙ）：±１．５℃；
定時(shí)范圍（Ｔｉｍｅｒａｎｇｅ）：０￣９９９ｍｉｎ短時(shí)離心／連續(xù)；
最大容量（ＭａｘＣａｐａｃｉｔｙ）：６×１０００ｍｌ（甩開(kāi)轉(zhuǎn)子）；
轉(zhuǎn)速精度（Ｓｐｅｅｄａｃｃｕｒａｃｙ）：±５０ｒ／ｍｉｎ。
3國(guó)內(nèi)主導(dǎo)產(chǎn)品的技術(shù)水平與差距
國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)際品牌的差距主要是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)子的最高指標(biāo)，而這都需要相應(yīng)的科技力量。３．１經(jīng)典的高速冷凍離心機(jī)典型轉(zhuǎn)子的指標(biāo)是這種離心機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)，轉(zhuǎn)子對(duì)比數(shù)值如表１所示。我國(guó)高速低速離心機(jī)轉(zhuǎn)子技術(shù)已接近世界先進(jìn)水平。
３．２國(guó)內(nèi)外廠家生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子在材質(zhì)上的比較
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高速和低速離心機(jī)轉(zhuǎn)子的技術(shù)指標(biāo)和轉(zhuǎn)子安全性能指標(biāo)都已達(dá)到，湘儀同時(shí)研制發(fā)展了碳纖維材料制造的轉(zhuǎn)頭，原選購(gòu)美國(guó)貝克曼公司，現(xiàn)為國(guó)內(nèi)自己制造。碳纖維材料制造的轉(zhuǎn)子的破壞特性等有關(guān)安全性在美國(guó)貝克曼（ＢＥＣＫＭＡＮ）公司已進(jìn)行破壞性研究，其工藝是成熟的，被稱為永不會(huì)爆炸的轉(zhuǎn)子。不同材料轉(zhuǎn)子價(jià)格如表２所示。
目前差距是復(fù)合材料轉(zhuǎn)頭，無(wú)論品種、數(shù)量、價(jià)格無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)需要，和國(guó)外先進(jìn)水平還有較大差距。
3.3驅(qū)動(dòng)部分的差距國(guó)內(nèi)的企業(yè)大都采用變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式。控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的表現(xiàn)是故障少，并在逐年的積累中不斷提高。
（1）差距
以英泰公司為例，有些轉(zhuǎn)子的最大離心加速度尚差10%~15%，這點(diǎn)是我們完全可以補(bǔ)上的。對(duì)于那些對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要求不太高的用戶，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品可以滿足需要。因此在這方面國(guó)內(nèi)和世界先進(jìn)水平?jīng)]有太大的差距。
（2）優(yōu)勢(shì)
近幾年，離心機(jī)的控制系統(tǒng)故障大幅度降低。由于離心機(jī)的設(shè)計(jì)從分立元件已過(guò)渡到集成電路，所以故障率已經(jīng)相對(duì)減少。即使出故障，維修費(fèi)用也比進(jìn)口離心機(jī)少得多，而且維修速度快。因此，對(duì)此類品種，建議用戶使用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。
3.4國(guó)外和國(guó)內(nèi)典型機(jī)型性
價(jià)比國(guó)內(nèi)、外典型機(jī)型各參數(shù)對(duì)比如表3、表4所示。對(duì)于這類離心機(jī)，建議大家多用國(guó)產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)離心機(jī)已有40多年的歷史，在產(chǎn)品性能、質(zhì)量水平、維修服務(wù)等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。
3.5我國(guó)實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)的科研水平
（1）核心技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平一致我國(guó)離心機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究取得了國(guó)際先進(jìn)水平的成果，以下是與離心機(jī)的設(shè)計(jì)有直接關(guān)系的幾項(xiàng)。
1）離心轉(zhuǎn)子的機(jī)械安全設(shè)計(jì)
在國(guó)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)產(chǎn)材料的現(xiàn)狀進(jìn)行了轉(zhuǎn)子的一系列機(jī)械安全性設(shè)計(jì)。為了轉(zhuǎn)子在正常使用時(shí)不會(huì)“爆炸”，一要確定最高安全使用轉(zhuǎn)速，二要確定在該最高轉(zhuǎn)速下的允許使用時(shí)間或次數(shù)，即壽命。前者是確定允許的離心應(yīng)力極限，后者是反復(fù)使用的疲勞極限。如果超過(guò)這兩個(gè)極限中任何一個(gè)都很危險(xiǎn)。
2）確定最高安全使用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子在受力時(shí)的變形行為與材料力學(xué)教科書(shū)中的長(zhǎng)桿的拉伸與壓縮不同要復(fù)雜得多，因此在理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)工作是主要內(nèi)容。以1980年實(shí)驗(yàn)的8種轉(zhuǎn)子中的6×250ml鋁轉(zhuǎn)子為例，3個(gè)轉(zhuǎn)子的永久變形拐點(diǎn)平均為15000r/min,“炸頭”轉(zhuǎn)速為約25000r/min，曲線如圖1所示。由此確定最高安全使用轉(zhuǎn)速為15000r/min。現(xiàn)在國(guó)外這種轉(zhuǎn)子仍然以此為最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)時(shí)使用的國(guó)產(chǎn)鋁合金材料的性能和現(xiàn)在國(guó)際上使用的并沒(méi)有多少區(qū)別，此類航空材料在國(guó)內(nèi)外幾十年前早已完善。該轉(zhuǎn)子用LC4超硬鋁合金鍛造餅材，每個(gè)轉(zhuǎn)子毛坯是單獨(dú)的鍛造餅材。生產(chǎn)廠家大都能嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行，取得了一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以目前國(guó)產(chǎn)離心機(jī)很少有“轉(zhuǎn)子爆炸”事故發(fā)生。
高速離心機(jī)"/>
３）確定疲勞壽命
當(dāng)最高轉(zhuǎn)速確定之后，還要確定最高轉(zhuǎn)速在使用多少小時(shí)或多少次數(shù)內(nèi)是安全的，即其使用壽命，主要是疲勞壽命。每種轉(zhuǎn)子選３個(gè)，在比最高轉(zhuǎn)速略高的轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保所得數(shù)據(jù)留有余地。在開(kāi)發(fā)８３０００ｒ／ｍｉｎ國(guó)產(chǎn)鈦合金轉(zhuǎn)子時(shí)，當(dāng)時(shí)國(guó)際上轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速是日立公司的ＲＰ８３Ｔ轉(zhuǎn)子，８３０００ｒ／ｍｉｎ，以其約１．１倍的轉(zhuǎn)速９３０００ｒ／ｍｉｎ旋轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，測(cè)量永久變形。設(shè)計(jì)者要給出一個(gè)限度，比如１０ｍ，或８０ｍ等。永久不變形的材料是不存在的。而如果允許的變形過(guò)大，能保證的壽命則過(guò)短。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)日立公司ＲＰ８３Ｔ轉(zhuǎn)子進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，結(jié)果顯示國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子優(yōu)于日立轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的安全性在９０年代初超過(guò)日立公司，與當(dāng)今國(guó)際水平持平。
離心機(jī)的機(jī)械安全設(shè)計(jì)中，還有其他一些內(nèi)容，其中最重要的是離心腔和蓋的安全。離心機(jī)所配的幾種轉(zhuǎn)子中，最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子發(fā)生“爆炸”時(shí)的危險(xiǎn)不是最大的，這是因?yàn)樗^小較輕，因此雖然轉(zhuǎn)速較高，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是最大。在最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的轉(zhuǎn)子在其最高轉(zhuǎn)速“爆炸”時(shí)威力最大。離心機(jī)的機(jī)械安全設(shè)計(jì)中的另一個(gè)內(nèi)容就是轉(zhuǎn)子在其最高轉(zhuǎn)速“爆炸”時(shí)，碎片不得射出機(jī)外，蓋也不得掀開(kāi)。此數(shù)據(jù)也應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)。
（２）“九五”國(guó)家科技公關(guān)期間的成果國(guó)內(nèi)關(guān)于離心機(jī)振動(dòng)問(wèn)題較深入的研究是在清華大學(xué)工程力學(xué)系，并與中國(guó)科學(xué)院生物物理所合作。研究課題是為提高離心機(jī)動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)水平，討論典型離心機(jī)轉(zhuǎn)子－支撐系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子－支撐系統(tǒng)的振型分析，明確各主要零部件對(duì)各階臨界轉(zhuǎn)速的影響，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，為離心機(jī)動(dòng)力特性設(shè)計(jì)提供理論方法。轉(zhuǎn)子溫度智能補(bǔ)償研究是創(chuàng)新的，在中科院生物物理所實(shí)驗(yàn)室里完成。３．６國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)—帶斷軸保險(xiǎn)的離心機(jī)在國(guó)內(nèi)的離心機(jī)事故中，還有在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中斷軸的事故。國(guó)產(chǎn)的和國(guó)外的離心機(jī)都發(fā)生過(guò)此類事故。打開(kāi)斷軸離心機(jī)蓋子，可看到主軸已斷，轉(zhuǎn)子橫躺在離心腔中，有時(shí)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子蓋已分開(kāi)，且外邊緣已被磨亮。顯然，事故發(fā)生時(shí)若有人在旁，會(huì)發(fā)生人身事故。要分離的樣品都撒在離心腔里，樣品血本無(wú)歸，還污染離心機(jī)。
筆者首次設(shè)計(jì)了帶斷軸保險(xiǎn)的離心機(jī)主軸系統(tǒng)。這里，把主軸的支承轉(zhuǎn)子和傳遞扭矩的功能分開(kāi)。這樣，一旦發(fā)生斷軸事故時(shí)，扭矩不能再帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在摩擦力作用下逐步停轉(zhuǎn)，但仍在自身的安裝位置上，因此徹底根除了過(guò)去因“斷軸事故”所帶來(lái)的那種災(zāi)難。該設(shè)計(jì)曾應(yīng)用在高速冷凍離心機(jī)（１９８０年，圖們）和低速大容量離心機(jī)上（“九五”國(guó)家科技攻關(guān)課題，１９９７年），而后者曾出過(guò)產(chǎn)品。
4發(fā)展方向和解決措施
（１）組建世界上第３家超速離心機(jī)生產(chǎn)企業(yè)目前中國(guó)市場(chǎng)，中低端產(chǎn)品市場(chǎng)中國(guó)產(chǎn)品占有率過(guò)大半，完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品，但高端產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率甚微，而超速離心機(jī)的市場(chǎng)占有率幾乎為零。我國(guó)有能力在全國(guó)范圍內(nèi)挑選并整合最優(yōu)秀的科研和管理人才及生產(chǎn)條件，組建新的企業(yè)，它將是集科研、生產(chǎn)和人才培養(yǎng)的基地，生產(chǎn)超速離心機(jī)在內(nèi)的全系列離心機(jī)和相關(guān)儀器。它將是世界上第３家超速離心機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，而中國(guó)將成為世界上第３個(gè)超速離心機(jī)生產(chǎn)國(guó)，逐步出口。
（２）行業(yè)協(xié)會(huì)的恢復(fù)和市場(chǎng)秩序的整頓中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)實(shí)驗(yàn)室儀器分會(huì)的恢復(fù)是大家多年盼望的一件好事，希望在市場(chǎng)秩序的整頓與公平市場(chǎng)環(huán)境的建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。行業(yè)協(xié)會(huì)要呼吁抵制招投標(biāo)中的不端行為。
（３）加強(qiáng)超速離心機(jī)的科研項(xiàng)目投入及人才培養(yǎng)希望３￣５年內(nèi)我國(guó)超速離心機(jī)能有較大的發(fā)展。需要國(guó)家有關(guān)部門(mén)和地方的大力支持，可采取國(guó)家項(xiàng)目帶動(dòng)此進(jìn)程。但更重要的是要有牽頭單位或人員，需要相關(guān)企業(yè)的積極響應(yīng)。目前我國(guó)的離心機(jī)專業(yè)已沒(méi)有研究生培養(yǎng)，也沒(méi)有相應(yīng)的科研課題的研究。而原來(lái)培養(yǎng)的研究人員大都“下海”導(dǎo)致課題組不存在，極大地影響了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展能力，因此加強(qiáng)離心機(jī)專業(yè)高級(jí)人才培養(yǎng)刻不容緩。
