穩定離心機轉子的裝置和方法

專利名稱：穩定離心機轉子的裝置和方法
技術領域：
本發明領域本發明涉及一種調節旋轉體的方法和設備，特別是減小離心機轉子在加速和減速過程中經過其臨界和回旋速度時所引起的振動的方法和設備。
背景技術：
離心機是一種用于使一種材料的樣品受到離心力，以便按照樣品的密度將其分離出所構成的組分的裝置。離心機通常用于診所的分析試驗室里，通過離心力將病人的血樣分離成紅血球和血漿組分。離心機包括一旋轉體或轉子，它通常裝在一靜止的保護外殼內進行高速旋轉運動。轉子可以配有葉片或腔室，當待分離的樣品受到離心力時這些葉片或腔室帶走要分離的樣品。
轉子是離心機系統中的一部分，該系統包括一馬達或其它動能能源、一傳動軸和一設置在傳動軸的上端的轉子安裝裝置，轉子裝設在該裝置上。像其它高速轉動的機械裝置或物體一樣，轉子具有某種固有的振動頻率，當轉子以某種臨界速度轉動時這種固有的振動頻率特別明顯。轉子通常是繞其幾何中心旋轉的。但在臨界速度下(轉子的固有頻率(resinant frequencies))，轉子的轉動軸線會從其幾何中心向其質量中心橫向偏移。這樣就會引起轉子振動。而且，由于裝載不當或其它原因使得轉子不平衡時，這種振動就會顯著增加。在正常使用過程中，轉子一般是在從停止狀態向其運行速度加速或完成分離后從運行速度向停止狀態減速時通過臨界速度。雖然在臨界速度下系統的轉動能低于高速運行速度下的能量，但一般由于制造公差所引起的轉子的不平衡就是在這種較低的旋轉的所謂“臨界速度”下才容易使轉子產生最大振幅。
因此，通常為離心機的轉子安裝或旋轉設計提供某種形式的靈活的機構，當轉子的轉動接近并穿過臨界速度時該機構調節系統所產生的力。
當操作員為離心機轉子裝載時，重要的目標是獲得圍繞傳動軸的重量平衡對稱的樣品分布，為此通常配有指示裝置。然而這樣也通常無法實現均勻合理的平衡。例如，在緊急情況下可能需要以只部分充填的轉子使離心機運轉，或極端的情況是，轉子內只裝一個單獨的試管使離心機運行。因此，在設計離心機時第二重要的考慮是減少在不對稱樣品負荷條件下所出現的轉子振動，否則這種振動會損壞離心機。如果不將轉子固有的不平衡和/或樣品負載方式所引起的總的不平衡力減小或緩沖到足夠的程度，這種不平衡力就會導致離心機過早失靈。
與轉子通過臨界速度加速或減速有關的問題是眾所周知的，并已經研制出各種機構來減小這種振動并/或幫助緩沖振動。
美國專利US4,846,773(Giebeler等)公開了一種離心機減振器，其中轉子傳動軸軸承具有一截頭圓錐形表面。傳動軸的振動橫過其旋轉軸線并通過該截頭圓錐形表面轉換成一同心地安裝在傳動軸上的柱塞的直線移動。柱塞安裝在一螺線管內，其直線運動被該螺線管緩沖。
美國專利US4,236,426(Meinke等)涉及一種離心機轉子的減震系統，其中彈簧、緩沖器、配重和/或阻尼器相對于轉子連接或脫離。這一系統改變了當轉子接近臨界速度旋轉時的撓性。這些減震裝置的作用是改變轉子的臨界速度。使這些裝置生效或不生效以適應轉子通過臨界速度。
美國專利US4,098,457(Gropper等)涉及一種連接于一靜止的定子的浮動定子墊，以增加該墊與定子之間的摩擦。通過與所述定子墊的摩擦接觸將轉子的多余振動轉移。Gropper等人提出使定子墊與定子之間的摩擦接觸增大，從而增加定子墊的減震效率。
美國專利US3,322,338(Stallman等)公開了一種具有一可移動軸承組件的離心機，該可移動軸承組件安裝在一架上，該架支撐一可與馬達的旋轉軸線同軸旋轉的轉動部件。該可轉動部件可在一伸出和縮回位置之間移動，以釋放轉子或接合轉子，使其保持在一限定的旋轉軸線上。該可轉動部件能夠在一預定的極限內橫向移動，從而減緩在臨界轉變速度下的橫向轉子移動。
美國專利US2,961,277(Sternlicht)公開了一種軸承系統，該系統中的一軸的兩端之間帶有一截頭圓錐形軸頸部分，該軸的兩端支撐在固定軸承上。一個軸承安裝在一可調支撐件上，以使其可以移動以便與截頭圓錐軸頸離合。該可動軸承在軸達到臨界角速度之前與軸頸接合，在角速度大于臨界值之后與軸頸脫離接合。
美國專利US2,951,731(Rushing等)公開了一種具有減震裝置的離心機，該減震裝置包括兩組同心間隔開的圓柱套筒。套筒設置成跟隨軸的振動，并與相對于軸固定的其它套筒套疊。在套疊的套筒之間裝有一種粘性液體以抑制軸的振動。
美國專利US3,430,852(Leukey等)公開了一種離心機轉子穩定裝置，它與轉子摩擦接觸，以提供臨界速度下的穩定性。
這些現有技術的解決方案一般都依賴于機械接觸及相關的力來約束轉子的運動。這一般是通過將轉子的振動轉移到另一機械部件上來實現的。這種機械接觸通常包括摩擦接觸以消耗能量。
美國專利US3,902,659(Brinkman等)公開了一種帶有一上軸承的轉子穩定裝置，該上軸承包括一軸向極化的磁環和一第二環，該第二環包括一種鐵素體材料。二環中的一個固定于轉子上，另一個相對于轉子保持靜止。兩環這樣定位，使轉子的振動在感應環內引起吸收振動能量的渦電流。Brinkman等人克服了與采用摩擦來減緩臨界速度下發生的振動相關的問題。遺憾的是，他們的這種采用磁耦合的解決方案并不能很好地調節大的振動。
因此，希望能提供一種方法，使旋轉體能夠無需或只用最小的轉子機械阻尼就可通過其臨界速度。相信提供一種減小由于轉子的極度不對稱負荷所引起的轉子振動的方法也是有利的。
本發明的概述本發明克服了許多與公知的減震系統的復雜力學相關的困難，這些系統包括那些需要機械裝置的運動和/或大摩擦地相互作用來調節在轉動系統內，特別是在轉子負荷極不對稱的情況下所產生的振動的系統。
本發明涉及一種用于在一離心機儀器中調節并/或抑制轉子的振動的方法和裝置。本發明是一種調節一離心機轉子內的振動的裝置，其包括一具有垂直軸線的傳動軸，用于安裝一離心機轉子，使轉子繞所述軸線旋轉；用于旋轉所述軸的驅動裝置；安裝在所述軸上的軸承裝置；一安裝在所述軸承裝置上從而可以繞所述軸旋轉的盤；和限定所述盤的垂直運動從而使轉子能夠圍繞其質量重心旋轉的抑制裝置。本發明的一理想的特征包括感應所述盤的徑向位移的裝置和對該徑向位移超出一預定值作用反應以抑制所述盤的旋轉，從而衰減離心機轉子的振動的裝置。
因此，本發明包括一種用于調節當圍繞其幾何軸線旋轉的旋轉體通過其臨界速度時所產生的振動的方法，該旋轉體具有一轉動慣量和一質量重心，該方法包括如下步驟保持所述旋轉體的慣性運動，
并允許旋轉體的旋轉軸線向其質量重心的軸線偏移。
通過為安裝在轉子的傳動軸上的一自由轉動盤提供滑動支撐，轉子的旋轉軸線能夠偏移到其質量重心的軸線。因此，本發明在轉子上增加了徑向質量，但沒有像現有技術的系統那樣增加轉動慣量。這樣就減少了轉子振動的可能性，既使是在臨界速度下也是這樣；但是卻不是像大多數現有技術那樣通過減少轉子的速度來減小振動，既使是在臨界速度下也減小速度。在振動確實不可避免的情況下，例如轉子不平衡時，滑動軸承將轉子的周邊夾住，從而利用盤來緩沖這種振動。由于沒有使用彈性材料，因此不會突然陷入由于彈性常數而引起的擺動。本發明的裝置很簡單，并且不需采用復雜的轉動型減振器。
附圖的簡要描述結合幾幅說明書附圖將有助于更好地理解本發明。在這些附圖中，相同的標號表示相同的部件。附圖中

圖1為一采用了減少離心機轉子內的振動的方法和裝置的離心機的透視圖；圖2為圖1所示的離心機的旋轉裝置的分解圖；圖3為圖2所示的旋轉裝置的縱剖面圖；及圖4為與圖1所示的離心機調節裝置連用的振動傳感器的框圖。
優選實施例的描述圖1中示出了按照本發明構成的一旋轉體振動調節裝置。圖示說明的裝置為一離心機轉子的旋轉裝置。該旋轉裝置包括一驅動和定位或安裝轉子(見圖3)的上傳動軸11。提供一旋鈕12將這樣一個轉子卡緊在旋轉裝置上。本發明的振動調節裝置包括一殼體10，其上有例如通過螺栓18固定的一蓋16。在圖1的下部可見到一傳動皮帶輪17，可以將其與一適用的電機(未示出)相聯，用以驅動上傳動軸11。
現在參考圖2和3，可以更清楚地看出本發明的裝置的零部件。在圖3的上部可以看到一安裝于上軸11并由旋鈕12卡緊的轉子13，它可以是通常類型的轉子。旋轉裝置由兩個軸形成，如上所述的上軸11和下傳動軸20，兩軸承由一可以使兩軸之間有相對的橫向(垂直于兩軸的旋轉軸線的)移動的撓性聯軸器22連接在一起，撓性聯軸器22可以是任何適用的這種類型的聯軸器，一種適用的聯軸器是由Servometer Corp.制造的。撓性聯軸器22分別帶有上下帽座24和26。各帽座具有一用于分別安裝相應傳動軸20和11的端部。下端帽座26內裝有一伸出條28，用作檢測轉子(軸)的終點位置的標記。一適用的觀察標記28的位置的傳感器30來檢測上述終點位置。傳感器30還可用來以一種公知的方式控制轉子的位置。
下傳動軸20裝設在適當的滾珠軸承32上，滾珠軸承32通過適當的墊圈和擋圈34定位在軸承座38內。一適當的隔離軸承36將滾珠軸承32分開。適當的螺栓將軸承座38固定在殼體10的下端。
上傳動軸11為一短棒，其下端固定于上端帽座24內并定位在一盤軸承42內，一輪轂形式的軸承座46裝著盤軸承42，盤40與轂46整體形成。盤40優選由不銹鋼制成并定位在殼體10內，殼體10的上端大致為杯形，并由蓋16覆蓋。殼體14內有一沉頭孔，該沉頭孔中裝有一塑料軸襯50，其作用是作為一止擋上傳動軸11的徑向運動的止擋件。盤軸承42通過適當的墊圈和擋圈52固定在軸承座46的兩端。
按照本發明，若干抑制裝置裝設在盤40之下來支撐其在水平平面內的旋轉，這些抑制裝置優選為下支撐滑動支撐件60。這些下支撐件60位于在殼體10的杯形部分的下部優選在等間距的周向位置(圖中示出六個)上形成的凹槽62內。相應地，三個上滑動支撐件64定位在于蓋16內形成的凹槽66內。凹槽66在軸向上位于等間距分布的相應的下支撐件60的上方。只在三個下支撐件60的上方裝有周向隔開的上抑制支撐件64，以便為由螺線管形式的減震裝置致動的滑動支撐件68留下空間，滑動支撐件68裝設在其余的在周向上等距離隔開的支撐件60的正上方。
螺線管致動支撐件68由三個螺線管70驅動，這三個螺線管設置在蓋16上的沉頭孔內，其運轉帶動一螺線管軸72，該軸連接于減震支撐件68。支撐件68可以由一種適當的低滑動摩擦的材料形成，例如具有石墨的VespelTM。螺線管70由一組適當的螺栓80固定。與此相對應，上抑制支撐件64也可以由一種適當的低滑動摩擦的材料形成，例如ErtalyteTM聚乙烯。實際上，滑動支撐件可以由提供低滑動摩擦的任何適當的材料制成，例如聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛樹脂等等，這里只列舉了幾種。上支撐件64和68這樣定位，它們或者不與盤40的上側接觸，或者只與其輕微地接觸。
一種例如在圖4中示出的機構對螺線管進行控制。在圖4中可以看到，盤40帶有一發光二極管(LED)，其位于盤40的周邊，并疊蓋在其徑向上最外處。發光二極管(LED)40朝下，遮住一適當的探測器102。這樣，盤40的橫移就會改變達到探測器的光量，從而表示盤振動的大小程度。探測器102的輸出聯接于一通常的適用的控制器104，以便根據探測器102所檢測到的盤40的振幅來控制螺線管70或將其致動到一或大或小的程度。螺線管如上所述，使減震支撐件68頂靠在盤40的頂面上。
運行時，由于轉子通過其臨界速度旋轉所產生的任何不平衡力都表現為振動。撓性聯軸器，例如由Servo Meter Company，Cedar Grove，N.J.提供的那種聯軸器，使上軸11能夠相對于下軸20橫向移動。振動還表現為盤40的徑向運動。按照本發明，盤40可自由地垂直于上軸11的旋轉軸線運動。由于下支撐件60和上抑制支撐件64所提供的支撐，包括傳動軸和所裝有的任何轉子部分在內的整個組件能夠橫向偏移，即垂直于傳動軸11的旋轉軸線移動，從而調節這種振動。
調節這些振動不需要對傳動軸施加任何抑制力，因此，組件的旋轉中心能夠轉移，以沿其質量重心旋轉。換句話說，因為雖然盤40由于滾動軸承42的低摩擦而可以自由旋轉，但由于滑動支撐件60的摩擦，盤并不隨轉子的速度而旋轉，所以本發明的裝置只增加了徑向質量，并沒有增加轉動慣量。抑制軸承60僅對盤其支撐作用，幾乎或根本不對其施加任何摩擦力。因此，轉動慣量(角轉矩與所產生的角加速度之比)幾乎或根本沒有變化。而且要注意到，由于沒有采用彈性材料，與彈性常數有關的維持和致使振動的問題在這里不是固有的。可以將本發明描述為允許純質量定心。
當探測器102檢測到過大的振動時，螺線管70被致動，這使得螺線管驅動支撐件68作用到盤16的上側，從而通過對盤施加滑動摩擦抑制了盤的進一步的運動，并限制其在豎直和徑向兩個方向上運動的可能性。由此可見，采用盤40首先調節旋轉裝置和轉子的振動，然后，如果這一振動過大，通過致動螺線管支撐件68，使其與盤40的側面接合來進一步調節這種振動。在任何時候，無論盤是否旋轉，因為它是由支撐件安裝的，都不會妨礙或減小轉動轉子所施加的轉矩。通過阻止其豎直運動，盤抑制了可能將其重新定位在其旋轉平面以外的顫振。
權利要求
1.一種用于調節一離心機轉子內的振動的裝置，其包括一具有垂直軸線的傳動軸，用于安裝一離心機轉子，使轉子繞所述軸線旋轉；用于旋轉所述軸的撓性驅動裝置；安裝在所述軸上的軸承裝置；一安裝在所述軸承裝置上從而可以繞所述軸旋轉的盤；和限定所述盤的垂直運動從而使轉子能夠圍繞其質量重心旋轉的抑制裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述盤具有上側和下側，抑制裝置為滑動支撐件，其適合于抑制盤的兩側在軸線方向上的運動，而不會明顯地影響軸轉矩或轉子的徑向運動。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述盤具有上側和下側，抑制裝置包括使滑動支撐件移動到盤的上側上的驅動裝置。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于抑制裝置朝向所述盤的外部定位。
5.如權利要求3所述的裝置，其特征在于包括感應所述盤的徑向位移的裝置；和對該徑向位移超出一預定值作出反應來致動所述驅動裝置并從而使離心機減震的裝置。
6.如權利要求2所述的裝置，其特征在于該盤滑動地支撐在適合于與所述盤的下側接合的所述抑制裝置上。
7.如權利要求5所述的裝置，其特征在于該盤滑動地支撐在適合于與所述盤的下側接合的所述抑制裝置上。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于所述抑制裝置由低摩擦材料制成。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述盤具有一下側，而抑制裝置為一適合于抑制盤在其下側方向上運動的滑動支撐件。
10.一種用于調節當圍繞其幾何軸線旋轉的旋轉體通過其臨界速度時所產生的振動的方法，該旋轉體具有一轉動慣量和一質量重心，該方法包括如下步驟保持所述旋轉體的慣性運動；和允許旋轉體的旋轉軸線向其質量重心的軸線偏移。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于包括提供一可自由地圍繞所述旋轉體的幾何軸線旋轉的盤及抑制所述盤沿所述幾何軸線的運動的附加步驟。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于包括當所述盤上的振動超出一預定值時接合所述盤以防止其沿所述幾何軸線的運動的裝置。
全文摘要
本發明涉及調節當圍繞其幾何軸線旋轉的旋轉體通過其臨界速度時所發生的振動的方法和裝置,其通過在保持旋轉體的轉動慣量的前提下使旋轉體的旋轉軸線能夠偏移到其質量重心來實現這種調節。一盤支撐在旋轉體的傳動軸上,并通過滑動支撐件支撐在其周邊位置上。
文檔編號F16F15/305GK1196691SQ9719075
公開日1998年10月21日 申請日期1997年4月21日 優先權日1996年4月30日
發明者G·W·霍維爾 申請人:達德國際有限公司