在現(xiàn)代工業(yè)中,離心機分離技術(shù)已越來越重要。這不僅由于離心機和其它分離機械相比,可得到含濕量低的固相和高純度的液相,而且具有減輕勞動強度、改善勞動條件,并具有連續(xù)運轉(zhuǎn)、自動遙控、占地面積小等優(yōu)點。特別是隨著能源、環(huán)保和生物醫(yī)藥工程的發(fā)展,更促使了我國離心分離技術(shù)的迅速發(fā)展。簡述了離心分離技術(shù)的國內(nèi)現(xiàn)狀、主要差距和國外進展,以及進展中的共性問題———大規(guī)模定制設(shè)計。
雖然分離技術(shù)種類繁多[1-4]:有機械的、化學(xué)的、電分離和熱分離等（其中包括離心分離、過濾、超濾、反滲透、結(jié)晶和滲析等技術(shù)）,但離心分離技術(shù)與其它技術(shù)相比,有下述幾個方面的特點:（1）占地面積小;（2）停留時間短;（3）無需助濾劑;（4）系統(tǒng)密封好;（5）放大簡單;（6）過程連續(xù);（7）分離效率易于調(diào)節(jié);（8）處理量大。故自1836年*臺三足式離心機在德國問世后,迄今分離技術(shù)有了很大的發(fā)展。各類離心機種類繁多,正在向高參數(shù)、系列化、機、多功能、新材料及自動化等方面發(fā)展,并已廣泛用于化工、食品、輕工、醫(yī)藥、軍工、造船、環(huán)保、生物工程等近三十個工業(yè)領(lǐng)域。
目前,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,計算機輔助設(shè)計（ＣＡＤ）技術(shù)與模塊化設(shè)計的普遍應(yīng)用,市場競爭愈加激烈、多樣化、個性化的客戶需求為離心分離機械實施大規(guī)模定制奠定了基礎(chǔ),故大規(guī)模定制設(shè)計（ＤＦＭＣ）已成為設(shè)計方面的新動向。
1 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀及主要差距[5-13]離心機
1.1 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀
我國離心分離行業(yè)尚屬正在發(fā)展中,總體水平不高。隨著社會進步,人們對環(huán)保、能源以及裝備對品質(zhì)的影響有了新的認識。同時,通過國外技術(shù)交流和合作以及成套項目的引進、消化與吸收,促進了我國離心分離技術(shù)的迅速發(fā)展,主要體現(xiàn)在:
（1）已基本形成了一個科研、設(shè)計和制造的體系。
（2）成立了分離領(lǐng)域的學(xué)術(shù)組織。
（3）在基礎(chǔ)理論與應(yīng)用方面進行了研究。
（4）目前已能生產(chǎn)三足、上懸、活塞、螺旋、離心力卸料,振動、進動卸料、刮刀及虹吸刮刀、翻袋及旁濾等離心機;分離機則有碟式、室式及管式。上述產(chǎn)品不僅遍及全國且遠銷國外,且技術(shù)特性較“九五”期間有所提高。
（5）為滿足特殊工藝要求（防污染、密閉、防爆等）,一些新型離心機亦先后問世。例如,筆者曾研制一種適合于ＧＭＰ的新型離心機,并獲國家。還有內(nèi)旋轉(zhuǎn)子過濾離心機的研制,立式密閉螺旋機及復(fù)合機等亦已投產(chǎn)。
（6）自控技術(shù)與ＣＡＤ技術(shù)的應(yīng)用。
（7）各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。
（8）同國外離心機廠商的技術(shù)合作。
1.2 主要差距
盡管我國的離心分離設(shè)備有了很大進展,但從整體而言,與*國家相比,差距甚大。主要表現(xiàn)在:
（1）規(guī)格、品種少,系列化程度差。特別缺少集幾種結(jié)構(gòu)形式、集幾種推動力于一體的復(fù)合式離心機。
（2）技術(shù)參數(shù)低。國外離心分離機械產(chǎn)品的參數(shù)普遍高于我國,并繼續(xù)向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展。以臥螺離心機為例,zui近研制的機型為大的,其轉(zhuǎn)鼓直徑亦僅720ｍｍ。長徑比zui大為Ｌ ｄ=4,分離因數(shù)亦較低。而國外轉(zhuǎn)鼓zui大直徑已達2.1ｍ,長徑比Ｌ/ｄ=6,處理能力大于200ｍ3/ｈ,可用于二相或三相分離。還發(fā)展了雙向擠壓型、沉降、過濾復(fù)合機型。目前,較先進的機型都采用計算機控制,會隨著物料特性和參數(shù)的變化自動調(diào)節(jié)其相應(yīng)的工況。
（3）產(chǎn)品進展緩慢。而國外,由于采用模塊化的組合結(jié)構(gòu),特別是采用了大規(guī)模定制設(shè)計的新手段,故能滿足用戶的個性化需求,并加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度。甚至還儲備所謂“冷凍產(chǎn)品”,以隨時適應(yīng)市場競爭的需要。
（4）其它方面。在產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、自控技術(shù)、加工工藝、新材料的使用、配套產(chǎn)品的品質(zhì),以及理論研究等方面,均存在不少的差距。
2 國外離心分離技術(shù)的進展[14-26]離心機
受新技術(shù)推動及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響,國外離心分離技術(shù)的進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
2.1 加強理論研究,選擇*設(shè)計方案
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司,在碟片流道研究中發(fā)現(xiàn),碟片間隙橫斷面上的速度分布取決于一個無量綱數(shù)“λ”,而工業(yè)離心機的“λ”通常在5～28之間。隨著“λ”值的增加,碟片的轉(zhuǎn)速增加,薄層減少,可提高雷諾數(shù)并緩和渦流。通過對碟片間隔件和分布孔的巧妙設(shè)計,進料量可增加20%。此外,還對相分離技術(shù)進行了研究。
近年來,研究人員為選擇*方案,采用流場分離法、有限元模擬法、大梯度密度梯級法、反模態(tài)分析法等,對離心機的工作性能和關(guān)鍵零件進行研究,為設(shè)計優(yōu)良性能的離心機提供了理論依據(jù)。并對帶內(nèi)洗滌的臥螺離心機中堰池深度以及臥螺離心機技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系等進行了*化研究。
2.2 技術(shù)參數(shù)的提高和新機型的問世
為提高產(chǎn)品的純度,及滿足能源和環(huán)保的要求,高參數(shù)已成為國外機型的發(fā)展特點。由于生物工程需要分離極細的顆粒,如細菌、酶及胰島素等,故碟式機已可處理0.1μｍ微粒,且分離因數(shù)可達15000。如德國Ｗｅｓｔｆａｌｉａ公司的ＣＳＡ160機型和瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司的ＢＴＡＸ510機型均屬此例。
隨著工藝要求的提高,新機型不斷問世。美國Ｄｏｒｒ Ｏｌｉｖｅｒ公司的ＢＨ 46型碟式機,轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑已達1.2ｍ,轉(zhuǎn)鼓重量為4.5ｔ,用2個功率為220ｋＷ的電機驅(qū)動,zui大生產(chǎn)能力為450ｍ3/ｈ,當(dāng)量沉降面積已達250,000ｍ2,為碟式機之zui。
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司用于生物技術(shù)的ＢＴＵＸ510型碟式機,具有自動調(diào)節(jié)的渦流噴嘴。利用噴嘴進料黏度和濃度的關(guān)系,可提供恒定的固相濃度,與進料速度和固體含量的變化無關(guān)。
而具有10000分離因數(shù)的臥螺離心機,可從某種程度上彌補管式分離機的不足。ＢＴＮＸ3560 Ａ機型的特點是先進的旋轉(zhuǎn)動態(tài)設(shè)計:主軸承改為彈性安裝,可延長壽命,降低機器噪音與振動。
德國Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司研制的ＳＺ型活塞機,尺寸雖小,卻更能有效進行固相分離。還有德國Ｆｌｏｔｔｗｅｇ公司用于處理難分離物料的雙錐體臥螺離心機等。
2.3 新材料的應(yīng)用
為了提高分離機械的性能、強度、剛度、耐磨性和抗腐蝕性,一批新型材料不斷涌現(xiàn)。如,工程塑料、硬質(zhì)合金以及性能優(yōu)良的耐磨耐蝕不銹鋼材料。
法國曾研制一種用硬質(zhì)陶瓷制成的轉(zhuǎn)子,英國也曾研制由合成樹脂構(gòu)成的連續(xù)纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子。
但在碟式機中,由于需要高強度和一定的耐腐性能,雙相組織的不銹鋼廣泛采用。zui近,俄國研制成功一種雙相鋼04Ｘ25Ｈ5Ｍ2（即04Ｃｒ25Ｎｉ5Ｍｏ2）,有足夠的強度和塑性。德國的Ｗｉｓｃｈｎｏｕｓｋｉｉ等研制的分離機轉(zhuǎn)鼓新材料,具有強度高、塑性和耐腐蝕性好的特點。
為彌補耐蝕和強度之間的矛盾,一些先進的制造商普遍采用了轉(zhuǎn)鼓的自增強技術(shù)。
2.4 其它方面進展
（1）強化動態(tài)監(jiān)測和自動化。隨著自動控制和傳感技術(shù)的發(fā)展,許多先進的自控手段被引入,并對離心機運行中的各項參數(shù),如溫度、流量、速度、振幅和噪音等進行的監(jiān)測,并通過傳感器將收集信息輸入計算機,經(jīng)系統(tǒng)處理后,可及時了解各種參數(shù)的變化以采取相應(yīng)的措施。由此出現(xiàn)了無人操作的碟式分離機。
（2）各種組合機和機的開發(fā)。Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司在碟式分離機上組合螺旋輸送器形成復(fù)合碟式機;Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司的柱錐復(fù)合活塞機、虹吸刮刀離心機;Ｓｈａｒｐｉｅｓ公司的沉降過濾復(fù)合螺旋離心機等。此外,還有為滿足特殊工藝要求的機,如:滿足食品和生物醫(yī)藥行業(yè)的ＦＤＡ（ＧＭＰ）之機型。
3 大規(guī)模定制設(shè)計（ＤＦＭＣ）[27 32]離心機
設(shè)計被認為是成品形式、成本、可靠性和市場接受程度的重要因素。通常80%的制造成本、50%的品質(zhì)、50%的定單提前期和80%的商業(yè)復(fù)雜性取決于產(chǎn)品和過程的設(shè)計。
設(shè)計規(guī)范（通常包括機械、電氣與軟件等各方面）由用戶需求和操作規(guī)范所決定。因此,如何很好地滿足用戶的需求,將是設(shè)計人員首要考慮的問題。
大規(guī)模定制（ｍａｓｓｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ,ＭＣ）的概念zui早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代晚期,由Ｄａｖｉｓ首先預(yù)見:即大規(guī)模定制是一種通過過程的高度敏捷、柔性和集成以提供給每一個客戶個性化設(shè)計的產(chǎn)品和服務(wù)的能力。
由于設(shè)計在產(chǎn)品生命周期中的重要性,面向大規(guī)模定制的設(shè)計已成為設(shè)計方面的新動向。
大規(guī)模定制設(shè)計（ＤＦＭＣ）（Ｔｓｅｎｇ和Ｊｉａｏ,1996）在產(chǎn)品早期的設(shè)計階段就考慮范圍經(jīng)濟和規(guī)模經(jīng)濟。ＤＦＭＣ的重點在于把當(dāng)前個別產(chǎn)品的設(shè)計提升到產(chǎn)品族的設(shè)計。在產(chǎn)品族設(shè)計中,模塊化技術(shù)的使用無疑是至關(guān)重要的。
（1）模塊化產(chǎn)品族設(shè)計的多視圖
產(chǎn)品族體系可定義為不同作用域之間的映射關(guān)系,如圖1所示。
模塊化技術(shù)是一種系統(tǒng)化方法,不僅應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計階段,且貫穿于產(chǎn)品的制造、組織和許多其它階段,即模塊化技術(shù)的實施必須貫穿于產(chǎn)品的全生命周期,以充分保證大量生產(chǎn)的zui終產(chǎn)品能滿足特定客戶的個性化需求。
（2）模塊化產(chǎn)品族體系的組成
模塊化設(shè)計是一種通過采用相似模塊來產(chǎn)生復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)。構(gòu)建模塊化產(chǎn)品族體系的元素有三種,即公共基（是一組用作基本核心單元的模塊,稱之為產(chǎn)品平臺）、差異使能（由不同產(chǎn)品所必需的一組不同的功能模塊）和配置機制（定義了不同模塊間的配置規(guī)則）。
（3）模塊化的不同層次
在模塊化產(chǎn)品族體系中,自頂向下存在著三種不同的層次。即系統(tǒng)層、模塊層和組件層。
4 結(jié)語離心機
綜上所述,大規(guī)模定制設(shè)計加速了變異產(chǎn)品的引進,并減少了新產(chǎn)品的成本。然而為確保低成本的規(guī)模經(jīng)濟,大規(guī)模定制設(shè)計及其應(yīng)用還有更長的路要走:世界離心機行業(yè)正在進一步探索和研究,深信國內(nèi)將會向水平不斷努力。
文章關(guān)鍵詞：離心機，分離技術(shù) |
