CN1094658A - 具有一个结合在一起的腹板的离心的转子 - Google Patents

Abstract

一种离心转子具有一个中心轮毂，该轮毂内带有 一个安装凹口，围绕该轮毂同心布置一个环，该环具 有许多形成在其内的空腔，和一个连接轮毂和环的较 薄腹板。当转子以预定的运转速度运转时，该腹板所 确定的一个局部区域内所呈现出的应力大于转子其 他任何部位中存在的应力，因此在过量运转时，增大 了转子损坏仅发生在腹板内的可能性。空心环具有 一个环形轮缘，该轮缘带有一个上表面，该表面具有 一条确定在该表面上的预定参考线。轮缘上表面的 一个确定部位可相对于基准线降低。根据腹板相对 于环的质量中心的相对轴向位置调整上表面的降低 部位相对于基准线径向的位置。

Description

本发明涉及一种离心转子，特别涉及一种具有比较薄的腹板的离心转子，该腹板径向布置在一个内轮毂和一个外空心环之间，该腹板确定了由于疲劳而最易发生转子损坏的一个预定的局部区域。

为使液体样品受到一离心力场的作用，离心转子是用于离心装置内的一个相当笨重的元件。该转子具有许多空腔，装载着液体样品的一些容器容纳在空腔中。该转子具有一个位于中央的，轴向设置的安装凹口，通过此处可将该转子安装到一根从一个动力源延伸出的轴上。

转子在使用中产生断裂的可能性是由于：ⅰ）转子材料的疲劳损坏，或ⅱ）当转子超过它的预定的额定速度转动时，过大的离心负荷导致的各种应力（超速损坏），或ⅲ）由于泄漏的液样造成的腐蚀的累积作用而产生若干转子碎块，每个碎块都携带转子的一部分动能。为了在该装置的区域内容纳全部转子碎块而在该离心装置中提供了一个容器系统，于是防止对于人体和/或器材的破坏。

碎块的尺寸通常取决于转子损坏的原因，例如，由于腐蚀造成的转子损坏，各碎片比较小，因为由于腐蚀而损害转子的区域是在转子周边附近容纳液体样品的空腔处。由疲劳或超速造成的转子损坏会是更剧烈的。

转子损坏的最剧烈形式是一种称之为“双轮毂”（bihub）的损坏，其中转子断裂为两块相当笨重碎块。在双轮毂损坏中，损坏的起点通常在转子安装凹口附近。在这样的损坏中，在装置内虽然设计了容纳碎块的容器系统，各碎块的冲击会造成实验室中该装置的移动。

已知各种形式的机械装置用来减少由于超速使转子损坏的可能性。一类超速保护装置包括一个易折断的元件，当超速状态时，该易折断元件立即折断以便切断转子与动力源的机械连接。美国专利3，990，633（Stahl）、美国专利4，568，325（Chengetal.）、美国专利4，753，630（Romanauskas）、美国专利4，753，631（Romanauskas，后两个专利转让给了本发明的受让人），是这类超速保护装置的代表。另一种这类的超速保护装置也包括一个易折断元件，当超速状态时，该易折断元件立即折断，以便切断转子与其动力源的电气连接。美国专利3，101，322（Stallman）是这种形式的装置的代表。

另外已知的超速保护装置，也可在转子上使用一个易折断部件，当转子速度达到一预定值时，该部件折断。这样产生的碎块依靠在腔室内增加空气阻力而造成对转子的制动，其中该转子被周围结构支撑着或依靠与周围结构的机械摩擦而减慢转子速度，这类超速保护装置的代表是美国专利4，693，702（Carson    et    al.，本发明的代理人代理）、美国专利4，132，130（Schneider）、美国专利4，509，896（Linsker）和美国专利4，507，047（Coons）。

其他已知的装置是用来减少由于材料疲劳而使转子损坏的可能性。其中的一种转子保护装置限制了在转子和轴的安装处附近产生应力。可认为美国专利4，822，330（Penhasi是这类装置的典范。德国专利3，806，284（Hirsch）公开了一种离心转子，该转子的下表面被去除掉一些部分以便减小转子中的应力。

另外可供替代的控制转子损坏的措施是设计一种回转装置，如飞轮，以形成预定的易损区。可根据飞轮的较薄弱材料部位或根据在飞轮材料中的应力集中部位来确定易损区域。于是万一超速，损坏最可能出现在易损区域而产生一个可预测质量的碎块。可认为美国专利3，662，619（Seeliger）和美国专利4，111，067（Hodson）是这类装置的典范。

本发明的第一方面涉及一个离心转子，该转子具有一个中心轮毂，该轮毂内具有一个安装凹口，一个围绕轮毂同心布置的环，在该环内形成许多空腔及连接轮毂和环的一个比较薄的腹板。当转子以预定的运转速度运转时，腹板所确定的局部区域内呈现出的应力大于转子任何其他部位中存在的应力。于是在过量运转时，转子损坏仅出现在腹板处的可能性增大了。将转子的高应力区域设置在腹板处就保证了转子损坏所产生的碎块中的回转能量分量大大地高于平移能量分量。

空心环具有一个其上带一表面上的环形轮缘。轮缘的上表面有一限定在其上的预定基准线。根据本发明的另一方面，轮缘上表面的一个限定部位相对于定位线是降低的。根据腹板相对于环的质量中心的轴向位置来决定上表面的降低部位相对于基准线的径向位置。如果环的质量中心被轴向置于腹板的上面，在基准线内径向布置的轮缘上表面的一个部位是降低的。相反，如果环的质量中心被轴向置于腹板的下面，在基准线外径布置的轮毂上表面的一个部位是降低的。

转子装备有一个在其内具有一密封槽的盖。由一个径向的内壁和一径向的外壁限定该密封槽。密封槽的径向外壁基本上与轮缘表面上的基准线径向对正，同时该转子以预定的额定运转速度运转。

在该轮缘上可具有一个平面形式的中央接合区，如果需要，在该部位可具有一布置在其内的密封槽。再根据腹板和环的质量中心的相对位置，确定轮缘表面降低部位的径向部位。

通过下面的详细说明并结合附图可对本发明作出更全面的理解，其中：

图1是根据本发明的一离心转子和局部剖面的完整侧视图;

图2是图1转子的圆形部分的一个放大侧视图;和

图3是沿图1中3-3线的转子平面图。

对于下面的整个详细说明，同样的参考标号表示全部附图中的相同部件。

图1图示了根据本发明的一个离心转子的一部分，该离心转子通常用参考码10表示。转子10包括一个壳体12和一个可连接其上的、共同运转的盖14。如将会理解的那样，转子壳体12中具有一个受力较高的局部区域16。局部区域16是这样的形状：以预定运转速度与运转着的转子一起工作时，区域16容易受到应力的影响，此处的应力大大高于转子的任何其他部位中存在的应力。于是过量运转时，在高应力局部区域16内出现损坏的可能性大于在转子10的任何其他区域中出现损坏的可能性。由于转子的损坏位置能被控制，局部区域16可假设为以一个保险丝的形式起作用。此外，定位在转子10上的高应力局部区域16使得由于转子损坏而产生的每个碎块都表现为：它们回转能量分量高于它的平动能量分量。这种现象的细节将在下文中更详细地讨论。

转子壳体12包括一个中央轮毂18，围绕该轮毂同心地布置一个环形空心环20和连接轮毂18和空心环20的一个比较薄的腹板22。

壳体12的轮毂部分18具有一个通过轮毂部分18轴向延伸的中心开口26。开口26的上部限定了一个通常的柱状螺纹孔26A，同时开口26的下部限定了一个通常的锥形深孔26B。

将深孔26B的尺寸加工成可容纳一个布置于一驱动轴30上端的截头圆锥形驱动连接器28。轴30本身连于一个由参考号32图示的动力源，因此可使转子10产生转动，该转动的转速为一预定的运转转速ω，转子的转动围绕着通过转子10中心延伸的回转轴线10A。驱动连接器28具有一个布置于其上端的螺纹开口28T。

空心环20通常是一个喇叭口形元件，具有一个质量中心20M。一些试样容器的容纳空腔32形成在环20中。每个空腔32的轴线32A可相对于回转轴线10A以一预定的角度倾斜或可平行于该轴线延伸。每个空腔32的开口32M的径向朝外处的环20的一部分确定了一个直立的轮缘36。轮缘36上有一个上表面38。在轮缘36的上表面上具有一个径向的内边缘38I和一个径向外边缘38E。如需要，内边缘38I可倒角，如38C（图2）。

盖14是一个普通的盘形元件，其内具有一个中心轴向开口42。盖14中形成一个容纳环状密封件的槽或密封装置46。该槽46容纳一个环状弹性材料的密封环48。该槽46被径向定位于盖14上的一个预定位置处，它是由轮缘36的上表面38限定的一个预定参考基准确定的。由一个径向内表面46I和一个径向外表面46E及一个底面46B限定了槽46。在正常的运转中，盖14的径向外边缘14E依箭头50的方向被推向转子10，以使密封环48与轮缘36的表面38保持接触，由此来密封转子10的内部。

靠一个加长的，轴向延伸的普通销子52将盖14固定到转子壳体12上。销子52具有一个螺纹部分52T，该部分与开口26的螺纹部分26A结合。销子52的加大的头部52H压在盖14的上表面的上边。一个中心孔52B通过销子52轴向延伸。

用一个带螺纹的压住螺栓56将转子10固定到驱动联接器28上。螺栓56通过销子52中的中心轴向孔52B延伸。螺栓56的螺纹端56T与驱动联接器28中的螺纹28T接合。

腹板22位于轮毂18和空心环20之间。使腹板22具有适当的形状，以确定预定的局部区域16，在该区域内转子损坏的可能性相当高。当转子损坏时，由较易损坏的腹板22的结构形状和其在笨重的轮毂18和空心环20之间的所处位置造成了转子碎块分为两块。轮毂部分18上的一块碎块保持安装在驱动联接器28上。喇叭口形空心环部分20上的另一碎块通常保持与轮毂同心。为保证让转子损坏发生在腹板22内的一定的可靠程度，腹板内的应力应至少是转子10中其他部位的1.5到2倍。在某些情况下，对于在预定位置中发生损坏情况而论，具有较小的应力也可以确保一定的可靠程度。

损坏以前，转子的转动能量由此被确定为

0.5（Ⅰ·ω²） （1）

在这里Ⅰ是转子10围绕回转轴线10A的质量转动惯量，并且ω是该转子的运转回转速度。

当一个回转体如一个转子损坏时，所产生的每个碎块具有两个能量分量：一个转动能量分量和一个平动能量分量。

由公式（1）给出了每个转子碎块的转动能量分量，在这种情况中，Ⅰ表示转子碎块围绕回转轴线的质量转动惯量。每个转子碎块的转动能量分量主要通过碎块贴着容器壁转动所产生的摩擦损耗掉而不产生容器系统的明显变形或离心装置的移动。

所给出的每个转子碎块的平动能量分量为：

0.5M·（R·ω）²（2）

在这里M是转子碎块的质量。

R是损坏以前转子的回转轴线和损坏以后碎块的重心之间的径向距离。

ω是转子的运转转动的速度。

造成容器系统变形及离心装置移动的是转碎块的平动能量分量。

由于腹板22的存在及结构形式，转子10的损坏所造成的各碎块所具有的转动能量分量高于平动能量分量。因为轮毂碎块保持在驱动装置上，它的全部能量保持着转动的形式。发生损坏时，喇叭口形空心环碎块的质量中心只经受了一个小位移。于是在指数函数的公式（2）中R项变得很小，因此平动能量分量极小。由于碎块中的绝大部分原始的转子能量以转动能量的形式保持着，容器发生变形及装置移动被减至极小。

根据上文所述的本发明的转子10可由任何适当的转子材料制造，如铝，钛，或塑料。该转子可利用任何适当的技术成形，如模压、锻造、铸造或机加工。

由于腹板22具有相应的柔性，当转子正常运转时，空心环20相对于轮毂18具有弯曲的趋势或枢轴运动。环20的枢轴运动方向应根据空心环20的质量中心和腹板的轴向相对位置而定。

由图1可见，用轮毂36的上表面38作为一个便利的参考基准，腹板22位于从表面38沿回转轴线10A测量的一个第一预定轴向距离60处。环20的质量中心位于从表面38沿回转轴线10A测量的一个第二预定轴向距离62。第一距离60大于第二距离62。在该位置，环20呈现了依箭头64方向的枢轴转动的趋势。如果处于相反的位置即如果环20的质量中心位于腹板22的下面（如距离62大于距离60），于是环20将呈现一个依箭头66方向的枢轴转动的趋势。

因此无论怎样，环20的枢轴运动能导致轮缘36的表面38的径向内边缘38Ⅰ或径向外边缘在盖14的下表面上作用一个轴向向上的力（沿箭头68的方向，图2）。除非采取适当措施，质量中心的这个运动会减弱密封环48和轮缘36的表面38之间的接触而造成转子的密封完整性削弱。

为防止这些情况，轮缘36的上表面38是降低的，即，把该表面上的预定径向部分去掉一些。上表面38的降低形状最好见图2。可在轮36的上表面38上限定一个预定的基准线70。径向朝基准线70内和/或径向朝基准线70外分别去掉表面38上的一个部分，如72和74所示，由此在其上限定降低的各区域。如无降低部分，虚线代表表面38的实体。

由环20的质量中心相对于腹板22的相应轴向位置确定转子降低部分相对于基准70的相应径向位置。如果环20的质量中心沿轴向位于腹板20的上方（如距离60大于距离62），确定径向朝内的降低部分72。但是，如果环20的质量中心沿轴向位于腹板22下方（如距离62大于60），仅需确定径向朝外的降低部分74。当然，如果需要，降低部分72和74两者都可被提供。

在优选的情况中，表面38上保持一个中心结合部分78。如指出的，当转子正常运转时，由于腹板22的弯曲，接合部分78位于基本上垂直于回转轴线10A的一个平面内。接合部分78确定了顶靠接触密封环48的表面。如适宜的或要求的那样，降低部分72和/或74分别位于中央接合区域78的径向朝内处和/或径向朝外处。应指出，本发明也可利用中央接合区域作为密封槽的位置，在这样的情况中，密封的交界面限定在密封环48和14的下表面之间。无论怎样，降低部分72，74确定在轮缘36的上表面38上。

降低部分72，74的径向范围由基准线70确定。在优选的情况中（盖14中带有密封槽46），由密封槽46的径向外壁表面46E上向表面38凸出的部分确定了表面38上的基准线70，同时转子以其预定的额定转速转动。表面38的降低部分72，74可采用任何适宜的角度，足以保证表面38的径向内边缘38I或径向外边38E不在盖14上施加一个向上的力。虽然图示的该表面的降低部分是平面，应理解到，如果需要，可限定为一个曲面。如果密封槽46形成在表面38的中心接合区域78上，在这种情况下，表面38的降低部分72，74可在接合区域78的径向朝内侧和/或径向朝外侧。

对于精通技术的人员，利用上述本发明的教导，今后可实现多种改型。这样的改型均落在本发明的构思内，由附加的权利要求所限定的。

Claims (20)

1、一种离心转子，所述离心转子以一预定的运转速度围绕一个回转轴线转动地运转，所述转子具有

一个中心轮毂，

围绕所述轮毂同心布置的一个环，在所述环中形成许多空腔，和

连接轮毂和环的一个较薄的腹板，当转子以预定的运转速度运转时，腹板所确定的区域内呈现的应力高于转子任何其他部位中存在的应力。

因此在过量运转时，增大了转子损坏仅发生在腹板中的可能性。

2、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一条预定的环形基准线，在基准线外径向布置的轮缘上表面的一个部位降低的。

3、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一条预定的环形基准线，在基准线内径向布置的轮缘上表面的一个部位降低的。

4、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一条预定的基准线，在基准线外径向布置的轮缘上表面的一个部位是降低的，并且其中

转子具有一根穿过该转子延伸的回转轴线及环具有一个质量中心，腹板与轮缘表面之间的间隔是第一轴向距离，环的质量中心与轮缘表面之间的间隔是第二轴向距离，第一轴向距离小于第二轴向距离。

5、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一条预定的基准线，基准线内径向布置的轮缘上表面的一个部位是降低的，并且其中

转子具有一根穿过该转子延伸的回转轴线及环具有一质量中心，腹板与轮缘表面之间的间隔是第一轴向距离，环的质量中心与轮缘表面之间的间隔是第二轴向距离，第一轴向距离大于第二轴向距离。

6、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一个预定的环形平面中央接合区域，在平面中央接合区域外径向布置的轮缘上表面的一个部位是降低的。

7、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一个预定的环形平面中央接合区域，在平面中央接合区域内径向布置的轮缘上表面的一个部位是降低的。

8、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一个预定的环形平面中央接合区域，在平面中央接合区域内径向布置的轮缘上表面的一个部位和在平面中央接合区域外径向布置的轮缘上表面的一个部位均是降低的。

9、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一个预定的环形平面中央接合区域，在平面中央接合区域外径向布置的轮缘上表面的一个部位是降低的，并且

其中的转子具有一条穿过该转子延伸的回转轴线和环具有一个质量中心，腹板与轮缘表面之间的间隔是第一轴向距离，环的质量中心与轮缘表面之间的间隔是第二轴向距离，第一轴向距离小于第二轴向距离。

10、根据权利要求1所述的转子，其特征在于环具有一个带上表面的环形轮缘，上表面上具有一个预定的环形平面中央接合区域，在平面中央接合区域内径向布置的轮缘上表面的一个部位是降低的，并且

其中的转子具有一条穿过该转子延伸的回转轴线和环具有一个质量中心，腹板与轮缘表面之间的间隔是第一轴向距离，环的质量中心与轮缘表面之间的间隔是第二轴向距离，第一轴向距离大于第二轴向距离。

11、根据权利要求10所述的转子，其特征在于环的平面中央接合区域内具有一环形密封槽。

12、根据权利要求9所述的转子，其特征在于环的平面中央接合区域内具有一环形密封槽。

13、根据权利要求7所述的转子，其特征在于环的平面中央接合区域内具有一环形密封槽。

14、根据权利要求6所述的转子，其特征在于环的平面中央接合区域内具有一环形密封槽。

15、根据权利要求7所述的转子，其特征在于进一步包括一个其内具有一环形密封槽的盖，盖内的槽与轮缘上表面上的中央接合区域对齐。

16、根据权利要求6所述的转子，其特征在于进一步包括一个其内具有一环形密封槽的盖，盖内的槽与轮缘上表面上的中央接合区域对齐。

17、根据权利要求8所述的转子，其特征在于环的平面中央接合区域内具有一个环形密封槽。

18、根据权利要求8所述的转子，其特征在于进一步包括一个其内具有一个环形密封槽的盖，盖内的槽与轮缘上表面上的中央结合区域对齐。

19、根据权利要求5所述的转子，其特征在于进一步包括其内具有一个环形密封槽的盖，该槽具有一个径向内壁和一个径向外壁，其中该槽的径向外壁基本上与轮缘上表面上的参考线径向对正，同时转子以一预定的额定运转速度运转。

20、根据权利要求4所述的转子，其特征在于进一步包括其内具有一个环形密封槽的盖，该槽具有一个径向内壁和一个径向外壁，其中该槽的径向外壁基本上与轮缘上表面上的参考线径向对正，同时转子以一预定的额定运转速度运转。