摘 要

本课题在论述离心机及离心机转子的相关背景知识，转子动力学的研究内容、发展过程、历史概况，以及我国的离心机转子动力学研究的具体情况，采用科学计算机软件，同时结合数值分析。完成了GQ75型高速管式离心机转子系统的动力学分析。

以基础理论力学为切入口，建立了转子动力学特性方程，通过Pro-E与ANSYS两款软件建立了管式离心机转子系统三维模型和有限元模型，利用有限元工具ANSYS Workbench模态分析功能对转子系统自由状态，实际装配后的工作状态的振型和固定频率进行10阶求解，在此基础上，还对转子系统的临界转速进行了求解分析。找出转子系统的薄弱环节，并尝试从薄弱环节的材料、结构、装配等方面做出改进，将改进后的模型使用ANSYS Workbench分析验证，为离心机转子系统日后的设计和改良提供参考依据和理论指导。

关键词：高速管式离心机 转子系统 动力学 有限元分析

Abstract

In this paper, the background knowledge of centrifuge and centrifuge rotor, the research content, development process and history of rotor dynamics, as well as the specific situation of centrifuge rotor dynamics research in China are discussed. The scientific computer software is used and the numerical analysis is combined. The dynamic analysis of the rotor system of GQ75 high speed tubular centrifuge has been completed.

Based on the basic theoretical mechanics, the dynamic characteristic equation of the rotor is established. The three-dimensional model and finite element model of the tubular centrifuge rotor system are established by Pro-E and ANSYS software. The free state of the rotor system, the vibration mode and the fixed frequency of the actual assembled working state are solved by using the modal analysis function of ANSYS Workbench. The critical speed of the rotor system is also solved and analyzed. Find out the weak links of the rotor system, and try to improve the material, structure and assembly of the weak links. The improved model is validated by ANSYS Workbench analysis, which provides reference and theoretical guidance for the future design and improvement of the centrifuge rotor system.

Key word：High-speed tubular centrifuge rotor system dynamics finite element analysis

目录

摘要 2

Abstract 3

目录 1

1 绪论 2

1.1 离心机的历史与发展 2

1.1.1 离心机的历史 2

1.1.2 离心机的发展 2

1.2离心机的种类，性能指标以及转子分类 3

1.2.1 离心机分类 3

1.2.2离心机的主要性能指标及提高性能指标的途径 4

1.2.3离心机常用转子分类及其特点 5

1.3 离心机的分离过程 7

1.3.1 离心机的分离过程 7

1.4 管式离心机研究的机构特点和目的、意义 7

1.4.1 管式离心机的结构特点 7

1.4.2管式离心机研究的目的和意义 8

1.5国内外研究历史状况 9

1.5.1 离心机整体研究现状 9

1.5.2 国内管式离心机研究现状 10

1.6 GQ75管式离心机的结构和主要参数 10

2 离心机转子系统的动力学特性分析 13

2.1 转子系统运动方程 13

2.2 离心机转子动力学的有限元算法^[1] 20

2.3 有限元工具简介与动力学分析步骤 21

2.4 转子系统的三维模型和有限元模型 22

2.4.1 离心机转子系统三维模型的建立 22

2.4.2 建立离心机转子系统有限元模型 23

2.5转子系统的动力学实体模型 25

2.6 转子系统动力学分析 26

2.6.1 自由模态 27

2.6.2实际装配状态 29

2.7转子系统的临界转速 33

3 总结与展望 35

致谢 36

参考文献 37

1 绪论

1.1 离心机的历史与发展

1.1.1 离心机的历史

离心分离机是当今科学研究和生产发展最重要的辅助机械之一。在推动人们对于自然界的认识和推动科学技术的进步等方面扮演重要的角色。能够帮助人们获得自己需要的生产物质资料和更加纯粹实验材料。虽然离心分离机面世不过百年，但是离心机工作原理的应用历史却远超百年，达千年以上。在中国这片古老的土地上，这一原理很早就被先民所掌握。在古时侯，蜂蜜的原液都是贮藏在陶土制作的的陶罐中，如何获得更加纯粹的蜂蜜是先民所思考的问题。聪明的古人将陶土制造的罐子用绳子的一端捆好固定住，然后握住绳子的另一端，高速甩动陶罐，蜂蜜在强大离心力的作用下就被萃取出来。这一生产活动是人们最早离心原理得到应用的现象之一。欧洲是最早迎来工业时代的地区，最早工业用的离心机也就是诞生于此。欧洲地区把牛奶作为重要的食物来源，最早的离心机也是用来分离提取脂肪含量更低的牛奶的牛奶分离机，诞生于瑞典人之手。在1840年前后，诞生了更多种类的离心机，有纺织厂用来排除纺织品内水分的离心机，还有制糖厂用来提取结晶砂糖的离心机。经过近百年的发展，离心机应用的场所，类别等都变得富有多样性。

1.1.2 离心机的发展

随着生产生活水平的提高，人们对于离心机功能的要求也变得越来越高。早期应用于纺织厂，制糖厂等低端生产部门的离心机自动化程度极低，泄渣机构缺陷较大，不能够连续操作和工作，必须停机借助人工进行排渣，虽然减少人工的使用，但生产效率依然偏低。

随着科学技术的提高，人们对于离心机的泄渣机构不断进行改造升级，1930年左右，出现操作过程可连续的离心机，离心机的自动化控制目标又前进了一大步。