1我國實驗室離心機的研發回顧與現狀

（１）實驗室離心機是生物學、醫學、農學、生物工程、生物制藥等行業科研與生產的必備設備。我國有關部門歷來很重視離心機的發展，離心機曾經是國家科委統管的２３項大型科學儀器之一，兩次被納入國家科技攻關項目。

中國在離心機研究開發上的經費與人力投入累積總和為世界第一，在實驗室離心機領域特別是超高速離心機方面出現過一些國際一流的創新成果，但并未產業化，目前我國高端離心機發展緩慢，幾乎全部依賴進口。

（２）目前我國已逐步形成湖南、上海、北京的實驗室離心機生產基地。中國在２０世紀８０年代建立起實驗室離心機產業，不僅打破了國外的壟斷，還規模生產出低速離心機和高速冷凍離心機及大容量離心機的廣泛系列離心機產品，滿足了市場需要，促進了相關科研和產業的發展。

（３）在市場經濟的巨大沖擊下，實驗室離心機行

業迎來高速發展的新時期。由于市場經濟的巨大沖擊，致使國營企業重組改制，有的破產，在此過程中，由于主要技術力量并未流失，所以能在重組中得到更快的發展。

同時，改革開放后，許多外企看好中國市場，其中法國、意大利在江蘇太倉建立了高質量的壓縮機組，日本也在中國建立了變頻電機生產基地。轉子用的復合材料，國內也開始批量生產。所以近年來國產實驗室離心機開始實驗新的國產化和升級換代，包括自主研發的臺式離心機發展十分迅速。

2國內幾種主要的實驗室離心機

目前全國離心機生產廠家有１１０多家，其產品已經發展為４大系列５０多個品種，是實驗室儀器發展最快的專業之一，隨著離心機工業的發展和市場經濟的推動，新的組合必將開始。小企業的生存空間將不斷縮小，大企業、集團的出現將進一步推動我國離心機工業發展。

２．１超大容量冷凍離心機

湘儀引進美國貝克曼（ＢＥＣＫＭＡＮ）公司大容量冷凍離心機。經過十多年的努力，湘儀離心機實現了自主創新，一次可分離的試樣容量為貝克曼（ＢＥＣＫＭＡＮ）公司產品容量的２倍。采取多級減震，變頻電機驅動采用先進的矢量技術，整個主機采用多項保護措施。微機程序控制大屏幕液晶顯示和無氟壓縮機組，其技術水平達到同類機型世界先進水平，產品已出口到美國、德國、日本、越南、墨西哥等國。英泰、平凡等離心機廠也生產同類機型。

主要技術參數：

型號（Ｍｏｄｅｌ）：Ｌ７２０Ｒ－３；

最高轉速（Ｍａｘｓｐｅｅｄ）：７２００ｒ／ｍｉｎ；

最大相對離心力（ＭａｘＲＣＦ）：１２１６６×ｇ

溫度設定范圍（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ）：－２０～＋４０℃；

定時范圍（Ｔｉｍｅｒａｎｇｅ）：０￣２３ｈ５９ｍｉｎ；

轉速精度（Ｓｐｅｅｄａｃｃｕｒａｃｙ）：±５０ｒ／ｍｉｎ。

２．２高速冷凍離心機

湘儀從日本ＴＯＭＹ公司引進的高速冷凍離心機，不僅實現國產化，并實現自主創新。儀器采用全自動轉頭識別系統，大屏幕液晶顯示，主機和轉子運行參數自主設定，自動存儲，轉子使用壽命自動計算，具有報警等多種保護功能，無氟壓縮機，達到同類機型的國際先進水平。英泰、平凡、赫西已生產上述同類型離心機。

主要技術參數：

最高轉速（Ｍａｘｓｐｅｅｄ）：２５０００ｒ／ｍｉｎ；

最大相對離心力（ＭａｘＲＣＦ）：６４８００×ｇ（２４×１．５／２ｍｌ２５０００ｒ／ｍｉｎ）；

最大容量（ＭａｘＣａｐａｃｉｔｙ）：４×１０００ｍｌ；

轉速精度（Ｓｐｅｅｄａｃｃｕｒａｃｙ）：±３０ｒ／ｍｉｎ。

２．３臺式高速冷凍離心機

長沙英泰儀器有限公司、長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發臺式離心機，自主開發臺式冷凍離心機新產品。臺式冷凍離心機ＴＧＬ２０ＭＣ采用變頻電機，環保無氟壓縮機，全自動門鎖和報警系統，多項保護措施，３２位ＡＲＭ微處理器，大屏幕液晶顯示，配有ＣＡＮＲＳ－４８５接口，實現電腦與離心機聯網，具有轉子識別功能，采用３２套程序存儲積分Ｗ２ｄｔ顯示控制功能，可進行階梯分離，在轉動系統采用了彈簧錐套裝拆轉子，具有重復定位度高，裝拆轉子便利，提高了分離過程準確性，完全可以替代進口的高檔臺式離心機，使我國離心機上了一個新臺階，改變了我國臺式離心機長期落后面貌。

主要技術參數：

最高轉速（Ｍａｘｓｐｅｅｄ）：２５０００ｒ／ｍｉｎ；

溫度范圍（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ）：－２０～＋４０℃；

溫控精度（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｃｕｒａｃｙ）：±１．５℃；

定時范圍（Ｔｉｍｅｒａｎｇｅ）：０￣９９９ｍｉｎ短時離心／連續；

最大容量（ＭａｘＣａｐａｃｉｔｙ）：６×１０００ｍｌ（甩開轉子）；

轉速精度（Ｓｐｅｅｄａｃｃｕｒａｃｙ）：±５０ｒ／ｍｉｎ。

3國內主導產品的技術水平與差距

國內產品與國際品牌的差距主要是驅動電機的質量和轉子的最高指標，而這都需要相應的科技力量。３．１經典的高速冷凍離心機典型轉子的指標是這種離心機的關鍵指標，轉子對比數值如表１所示。我國高速低速離心機轉子技術已接近世界先進水平。

３．２國內外廠家生產的轉子在材質上的比較

目前國內生產高速和低速離心機轉子的技術指標和轉子安全性能指標都已達到，湘儀同時研制發展了碳纖維材料制造的轉頭，原選購美國貝克曼公司，現為國內自己制造。碳纖維材料制造的轉子的破壞特性等有關安全性在美國貝克曼（ＢＥＣＫＭＡＮ）公司已進行破壞性研究，其工藝是成熟的，被稱為永不會爆炸的轉子。不同材料轉子價格如表２所示。

目前差距是復合材料轉頭，無論品種、數量、價格無法滿足國內需要，和國外先進水平還有較大差距。

3.3驅動部分的差距國內的企業大都采用變頻電機直接驅動方式。控制系統穩定性的表現是故障少，并在逐年的積累中不斷提高。

（1）差距

以英泰公司為例，有些轉子的最大離心加速度尚差10%~15%，這點是我們完全可以補上的。對于那些對轉子轉速要求不太高的用戶，國內產品可以滿足需要。因此在這方面國內和世界先進水平沒有太大的差距。

（2）優勢

近幾年，離心機的控制系統故障大幅度降低。由于離心機的設計從分立元件已過渡到集成電路，所以故障率已經相對減少。即使出故障，維修費用也比進口離心機少得多，而且維修速度快。因此，對此類品種，建議用戶使用國內產品。

3.4國外和國內典型機型性

價比國內、外典型機型各參數對比如表3、表4所示。對于這類離心機，建議大家多用國產品。國產離心機已有40多年的歷史，在產品性能、質量水平、維修服務等方面都有很大的優勢。

3.5我國實驗室離心機的科研水平

（1）核心技術與國際先進水平一致我國離心機關鍵技術研究取得了國際先進水平的成果，以下是與離心機的設計有直接關系的幾項。

1）離心轉子的機械安全設計

在國外文獻的基礎上結合國產材料的現狀進行了轉子的一系列機械安全性設計。為了轉子在正常使用時不會“爆炸”，一要確定最高安全使用轉速，二要確定在該最高轉速下的允許使用時間或次數，即壽命。前者是確定允許的離心應力極限，后者是反復使用的疲勞極限。如果超過這兩個極限中任何一個都很危險。

2）確定最高安全使用轉速轉子在受力時的變形行為與材料力學教科書中的長桿的拉伸與壓縮不同要復雜得多，因此在理論指導下的實驗工作是主要內容。以1980年實驗的8種轉子中的6×250ml鋁轉子為例，3個轉子的永久變形拐點平均為15000r/min,“炸頭”轉速為約25000r/min，曲線如圖1所示。由此確定最高安全使用轉速為15000r/min。現在國外這種轉子仍然以此為最高轉速。當時使用的國產鋁合金材料的性能和現在國際上使用的并沒有多少區別，此類航空材料在國內外幾十年前早已完善。該轉子用LC4超硬鋁合金鍛造餅材，每個轉子毛坯是單獨的鍛造餅材。生產廠家大都能嚴格按工藝要求進行，取得了一系列實驗數據，所以目前國產離心機很少有“轉子爆炸”事故發生。

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３）確定疲勞壽命

當最高轉速確定之后，還要確定最高轉速在使用多少小時或多少次數內是安全的，即其使用壽命，主要是疲勞壽命。每種轉子選３個，在比最高轉速略高的轉速時運轉，以確保所得數據留有余地。在開發８３０００ｒ／ｍｉｎ國產鈦合金轉子時，當時國際上轉子最高轉速是日立公司的ＲＰ８３Ｔ轉子，８３０００ｒ／ｍｉｎ，以其約１．１倍的轉速９３０００ｒ／ｍｉｎ旋轉，運轉一定次數后，測量永久變形。設計者要給出一個限度，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大，能保證的壽命則過短。在實驗范圍內，對日立公司ＲＰ８３Ｔ轉子進行了對比測量，結果顯示國產轉子優于日立轉子。轉子的安全性在９０年代初超過日立公司，與當今國際水平持平。

離心機的機械安全設計中，還有其他一些內容，其中最重要的是離心腔和蓋的安全。離心機所配的幾種轉子中，最高轉速轉子發生“爆炸”時的危險不是最大的，這是因為它較小較輕，因此雖然轉速較高，但轉動慣量不是最大。在最高轉速轉動慣量最大的轉子在其最高轉速“爆炸”時威力最大。離心機的機械安全設計中的另一個內容就是轉子在其最高轉速“爆炸”時，碎片不得射出機外，蓋也不得掀開。此數據也應在實驗中確認。

（２）“九五”國家科技公關期間的成果國內關于離心機振動問題較深入的研究是在清華大學工程力學系，并與中國科學院生物物理所合作。研究課題是為提高離心機動力特性的設計水平，討論典型離心機轉子－支撐系統，進行動力特性計算。通過對轉子－支撐系統的振型分析，明確各主要零部件對各階臨界轉速的影響，并用實驗驗證計算結果，為離心機動力特性設計提供理論方法。轉子溫度智能補償研究是創新的，在中科院生物物理所實驗室里完成。３．６國際領先的技術—帶斷軸保險的離心機在國內的離心機事故中，還有在高速運轉中斷軸的事故。國產的和國外的離心機都發生過此類事故。打開斷軸離心機蓋子，可看到主軸已斷，轉子橫躺在離心腔中，有時轉子和轉子蓋已分開，且外邊緣已被磨亮。顯然，事故發生時若有人在旁，會發生人身事故。要分離的樣品都撒在離心腔里，樣品血本無歸，還污染離心機。

筆者首次設計了帶斷軸保險的離心機主軸系統。這里，把主軸的支承轉子和傳遞扭矩的功能分開。這樣，一旦發生斷軸事故時，扭矩不能再帶動轉子，轉子在摩擦力作用下逐步停轉，但仍在自身的安裝位置上，因此徹底根除了過去因“斷軸事故”所帶來的那種災難。該設計曾應用在高速冷凍離心機（１９８０年，圖們）和低速大容量離心機上（“九五”國家科技攻關課題，１９９７年），而后者曾出過產品。

4發展方向和解決措施

（１）組建世界上第３家超速離心機生產企業目前中國市場，中低端產品市場中國產品占有率過大半，完全可以替代進口產品，但高端產品的市場占有率甚微，而超速離心機的市場占有率幾乎為零。我國有能力在全國范圍內挑選并整合最優秀的科研和管理人才及生產條件，組建新的企業，它將是集科研、生產和人才培養的基地，生產超速離心機在內的全系列離心機和相關儀器。它將是世界上第３家超速離心機生產企業，而中國將成為世界上第３個超速離心機生產國，逐步出口。

（２）行業協會的恢復和市場秩序的整頓中國儀器儀表行業協會實驗室儀器分會的恢復是大家多年盼望的一件好事，希望在市場秩序的整頓與公平市場環境的建設中發揮應有的作用。行業協會要呼吁抵制招投標中的不端行為。

（３）加強超速離心機的科研項目投入及人才培養希望３￣５年內我國超速離心機能有較大的發展。需要國家有關部門和地方的大力支持，可采取國家項目帶動此進程。但更重要的是要有牽頭單位或人員，需要相關企業的積極響應。目前我國的離心機專業已沒有研究生培養，也沒有相應的科研課題的研究。而原來培養的研究人員大都“下海”導致課題組不存在，極大地影響了我國的可持續發展能力，因此加強離心機專業高級人才培養刻不容緩。