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高速冷冻离心机固定角转子的强度测试分析

某公司 BKMGL20A 全自动高速冷冻离心机一只制备 容量为 3000ml 的固定角转子(以下科称角转子),质量 27kg,**大外径 370mm、**高转速 7000r/min,**大离心加速 度 9100×g。人为使它强度失稳在 7000r/min  运行中飞裂, 通过实验计算,**大一块飞裂残骸产生 105 焦耳的功能。 这么大的能量在飞裂爆破的一瞬间释放,使具有多级缓冲 装置的整机旋转了 45℃。目前G外超速离心机角转子转 速 85000r/min,**大离心加速度 650000×g。如果转子在此 转速下飞裂,不但设备损坏,而且操作者的安全受到严重威 胁。我G进口的离心机,转子在使用中飞裂发生了数次。 某医学院进口日立超速机,一只 50000r/min 角转子中断几 年没使用,后来重新使用时,转速升** 40000r/min 转子即飞 裂,造成重大损失。因此转子强度及安全一直是G内外生 产厂商和用户**关心的问题。那么影响转子强度的原因是 什么呢?本文试图通过对解转子的应力分析、强度计算、安 全系数的选择以及飞裂残骸分析来论述转子裂纹产生原 因,提出预防措施。 1 角转子应力分析   如图 1 所示,角转子具有 2n 个直径为 d 的对称分布   离心孔,中心具有导向通孔 d1 和定位锥孔 。当转子绕定 轴旋转时,任一质点产生的离心力为 Fi=miRiw2(mi 为任一 质点,Ri 为质点质点回转半径,w 为质点角速度)。由于转 子形状复杂,各质点体积力不同,产生了附加弯矩。为了弄 清转子受力状态,找出危险截面,对转子进行了光弹实验。 通过对环氧树脂转子动态应力冻结、切片及应力条纹测量, 得到了图 2、3、4 转子应力分布图。通过实验发现转子处于 三向不等应力的拉伸和压缩,而且切向应力 t 总是大于径 向应力  r 和轴向应力 z 应力**大区域在通过 A 点的圆周 上(见图 2)。A 点的高度在 锥孔小端附近,与转子**大外 径高度基本一致。通过测量得到 A  点处于两离心孔之间 (无孔)的应力大于处于离心孔(有孔)中的应力。测量结果 见表 1。
图 4 表示垂直于离心孔轴线不同截面应力分布。从测量得到,离心孔沿转子直径方向受拉力,沿转子圆周方向受压力,而且位于转子下端的应力比上端大。
 
光弹实验测量结果与浙大力学系用轴对称有限元计算结果基本一致。通过转子实体的电测实验,我们进一步论证了转子与其它旋转运动的构件一样,它的应变及应力 值与转速的平方成正比,与旋转半径成反比。
 
为了进上步证实转子应力**大区,G内进行了大量的转子飞裂实验。从实验结困可以清楚地看出,飞裂主断口正好穿过两孔之间的截面,这与光弹、电测实验及理论计算得出的结论相同。




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