專利名稱：一種高速離心機(jī)過速保護(hù)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種防止離心機(jī)由于過速超出給定轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力限度而出事故的方法與裝置。
用于實(shí)驗(yàn)生物學(xué)與生物化學(xué)、以及用于診斷的分析與制備所用的離心機(jī)需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)(高達(dá)每分鐘10萬轉(zhuǎn))來實(shí)現(xiàn)分級(jí)分離或有關(guān)分離。轉(zhuǎn)速越快，分離越精細(xì)，作為一個(gè)整體的實(shí)驗(yàn)室程序的一部份的樣品科學(xué)分析就完成得越快。高的轉(zhuǎn)速必須通過離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓快而平穩(wěn)地加速以及隨后的快而平穩(wěn)地降速來達(dá)到，這樣生物樣品與樣品帶分布不會(huì)顯著改變并且樣品得以保存下來。一個(gè)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓能達(dá)到的轉(zhuǎn)速受到轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力、離心機(jī)殼體與阻擋環(huán)所能安全承受的動(dòng)能量的最大值所限制。
在轉(zhuǎn)鼓被加速至其額定的最大轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的、離心機(jī)轉(zhuǎn)速的、或控制系統(tǒng)的缺陷都能導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓出事故。常規(guī)用來監(jiān)測(cè)與控制離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的有缺陷的轉(zhuǎn)鼓、電動(dòng)機(jī)或控制系統(tǒng)都會(huì)帶來轉(zhuǎn)鼓出事故。在一個(gè)高速轉(zhuǎn)鼓從驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸脫離，或者不能按設(shè)計(jì)來運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，這樣的一個(gè)轉(zhuǎn)鼓就會(huì)放出大量動(dòng)能。為了保證使用者的安全和離心機(jī)裝置的牢固性，常規(guī)的做法是用鋼阻擋環(huán)放在離心機(jī)殼體內(nèi)包圍著轉(zhuǎn)鼓與電動(dòng)機(jī)組合，為的是在發(fā)生事故時(shí)包封住轉(zhuǎn)鼓。
可以設(shè)置各種故障保護(hù)系統(tǒng)作為初級(jí)安全措施，跟離心機(jī)裝置結(jié)合來控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速并鑒定一種特定轉(zhuǎn)鼓，確定該給定轉(zhuǎn)鼓是否超越設(shè)定安全使用極限工作。例如，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以按愛瑞特的美國(guó)專利3，436，637，4，284，931與4，286，203(已轉(zhuǎn)讓與本申請(qǐng)之承讓人)的技術(shù)來控制。另外，用如在美國(guó)專利3，921，047(已轉(zhuǎn)讓與本申請(qǐng)的承讓人)中所記載的一種通過使用裝到每個(gè)轉(zhuǎn)鼓上的光感過速傳感盤的轉(zhuǎn)鼓鑒定法可使該離心機(jī)操作系統(tǒng)檢測(cè)出一個(gè)給定轉(zhuǎn)鼓是否已經(jīng)達(dá)到或超越其允許的工作額定值。諸如一種如授予程與丘累的美國(guó)專利4，568，325(已轉(zhuǎn)讓與本申請(qǐng)之承讓人)描述的斷脫轉(zhuǎn)鼓底座這樣的機(jī)械安全措施曾被使用，目的是要在超出離心機(jī)殼體與阻擋環(huán)的承受極限的動(dòng)能放出以前令轉(zhuǎn)鼓先行安全地?fù)p壞來防止過量的動(dòng)能釋出。
使用一個(gè)磁性檢測(cè)器來感測(cè)由多個(gè)嵌鑲在每個(gè)轉(zhuǎn)鼓底座里的磁體發(fā)生的磁通變化的轉(zhuǎn)速控制與轉(zhuǎn)鼓鑒定的方法曾被發(fā)展來作為另一種方案。在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)過磁性檢測(cè)器時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)鼓鑒定都可被確認(rèn)出來，以在異常狀態(tài)惡化到轉(zhuǎn)鼓出事故之前檢測(cè)到轉(zhuǎn)鼓的工作狀態(tài)。這種檢測(cè)方法可用磁信號(hào)作為電動(dòng)機(jī)計(jì)時(shí)信號(hào)的函數(shù)來檢測(cè)轉(zhuǎn)鼓的不平衡和控制轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速。
至今為止不論提供了多少種安全與控制系統(tǒng)來保障轉(zhuǎn)鼓的安全，但是最后的故障保護(hù)裝置仍然是在離心機(jī)殼體內(nèi)包圍著轉(zhuǎn)鼓組合的常規(guī)鋼阻擋環(huán)。阻擋環(huán)被設(shè)計(jì)來在轉(zhuǎn)鼓出事故時(shí)承受住轉(zhuǎn)鼓出事故過程中發(fā)生的力，并防止轉(zhuǎn)鼓傷及操作者人身和財(cái)產(chǎn)。在離心機(jī)室頂部有一個(gè)重的阻擋蓋作為一個(gè)補(bǔ)充阻擋物來在任何轉(zhuǎn)鼓事故中包封住轉(zhuǎn)鼓。
一定不能依賴原有鑒定方法、諸如轉(zhuǎn)鼓的產(chǎn)品證明書的方法來作為限定轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的唯一依據(jù)，因?yàn)槌Ｒ?guī)的轉(zhuǎn)鼓鑒別依賴于產(chǎn)品證明書的準(zhǔn)確性，而產(chǎn)品證明書是會(huì)裝錯(cuò)的。
目前核定有三種與轉(zhuǎn)鼓故障有關(guān)的事故。
第一種是屬于較大直徑的轉(zhuǎn)鼓的，在事故中會(huì)散發(fā)出大量的角動(dòng)量。這種轉(zhuǎn)鼓的解體會(huì)帶來相應(yīng)的離心機(jī)的翻轉(zhuǎn)。這些離心機(jī)會(huì)突然自身翻轉(zhuǎn)以散發(fā)所述的角動(dòng)量，對(duì)在這些機(jī)器周圍工作的人是一種危險(xiǎn)。
第二種是屬于中等直徑范圍的轉(zhuǎn)鼓的，存在著轉(zhuǎn)鼓含有的總能量可能超出機(jī)械包封系統(tǒng)的承受能力的危險(xiǎn)?，F(xiàn)時(shí)，所有機(jī)械包封系統(tǒng)通常都制造成具有足夠的能量容納能力來抗御并包封住任何解體的轉(zhuǎn)鼓。
第三種是屬于小的非常高速的轉(zhuǎn)鼓的，能量的快速散發(fā)會(huì)造成高度的能量爆發(fā)，這就可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由此產(chǎn)生的爆炸就能夠突破了設(shè)計(jì)在設(shè)備內(nèi)的包封能力。
應(yīng)當(dāng)理解到操作者的錯(cuò)誤同樣能危害到轉(zhuǎn)鼓。例如，一些轉(zhuǎn)鼓構(gòu)造在經(jīng)過一定數(shù)量的“周期”后要例行地降低最高額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣的最高額定轉(zhuǎn)速的降低現(xiàn)時(shí)是通過替換過速傳感盤或更換在傳感盤底面的光學(xué)識(shí)別數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有操作者在更換中錯(cuò)將不適用的過速傳感盤裝到轉(zhuǎn)鼓上，這就可能產(chǎn)生一個(gè)引起解體的轉(zhuǎn)速。
無論如何，在轉(zhuǎn)鼓發(fā)生解體后就需要對(duì)離心機(jī)進(jìn)行大修。真空室被破壞。冷卻系統(tǒng)被破壞，通常是難以修復(fù)的。轉(zhuǎn)鼓一定要經(jīng)過分析。修復(fù)的可靠性問題會(huì)被提出來?？傊?，對(duì)制造商與用戶來說都希望有防止轉(zhuǎn)鼓出事故的措施。
本發(fā)明涉及一種通過計(jì)算轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來防止離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓過速與出事故的裝置與方法。
防止離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓出事故的系統(tǒng)包括使用計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來鑒別或逐個(gè)地鑒定轉(zhuǎn)鼓，按特定的離心機(jī)使用方案淘汰某些轉(zhuǎn)鼓并確立離心機(jī)轉(zhuǎn)速的總的極限。
離心機(jī)具有一種裝在一根旋轉(zhuǎn)軸上并由一個(gè)離心機(jī)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓。在最佳實(shí)施例中用了一個(gè)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的角速度的轉(zhuǎn)速計(jì)。所需的最終離心機(jī)工作轉(zhuǎn)速由操作者選定。通過鑒測(cè)輸入電動(dòng)機(jī)的電流，可以確定電動(dòng)機(jī)施加到轉(zhuǎn)鼓上的扭矩，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的扭矩是其電流的函數(shù)。一當(dāng)這些量值導(dǎo)出以后，計(jì)算機(jī)就可以按照下列方程式確定轉(zhuǎn)鼓在到達(dá)選定的所需的最終轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)具有的動(dòng)能1)K.E.＝1/2Iω2
2)I＝τt/(ω2-ω1)其中τ是扭矩，t是時(shí)間，ω是預(yù)選定角速度，ω2與ω1是在時(shí)間間隔t內(nèi)測(cè)出的角速度，K.E.是動(dòng)能，I是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
一經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算出一個(gè)特定轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I以后，這個(gè)信息就能用作轉(zhuǎn)鼓的可靠鑒定或鑒別。
其次，計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以用來按離心機(jī)方案選定的條件或按一種特定離心機(jī)裝置使用條件來淘汰一些轉(zhuǎn)鼓。例如，當(dāng)用戶違反制造商的安全指示替換轉(zhuǎn)鼓時(shí)，轉(zhuǎn)鼓就能被鑒別出，同時(shí)離心操作就被停止或被制止。
第三，即使轉(zhuǎn)鼓的獨(dú)立鑒定沒有通過其特定的和鑒別的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算而成為已知量，具有總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)鼓的總能量極限可被用來限制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。這樣離心操作可以限制在總能量極限內(nèi)以防止離心機(jī)由于能量超出整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械包封極限和由于能量引起轉(zhuǎn)鼓解體并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的事故而翻轉(zhuǎn)。


圖1示出本發(fā)明的實(shí)體構(gòu)件的示意圖;
圖2是一個(gè)用于在扭矩被按常規(guī)確定后計(jì)算總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算機(jī)流程圖，并使用計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量去查對(duì)一個(gè)查找表(其中轉(zhuǎn)鼓被獨(dú)立地鑒別)，輸出一個(gè)限定轉(zhuǎn)速到一個(gè)限速器，圖3是一個(gè)與圖2所示的相似的計(jì)算機(jī)流程圖，區(qū)別在于扭矩另外從電動(dòng)機(jī)的輸入電流計(jì)算出，圖4是一個(gè)計(jì)算機(jī)流程圖，其中轉(zhuǎn)鼓的鑒定是未知數(shù)，將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與予期總動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算并將其跟查找表對(duì)照以確定安全動(dòng)能并根據(jù)安全動(dòng)能計(jì)算限定安全轉(zhuǎn)速。
圖5示出總能量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的曲級(jí)，示出所有的轉(zhuǎn)鼓類型不能超越的動(dòng)能設(shè)定值。
參看圖1，圖上示出包括在轉(zhuǎn)鼓過速保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械與電子構(gòu)件。這些構(gòu)件跟一個(gè)常規(guī)離心機(jī)結(jié)合在一起工作。
常規(guī)離心機(jī)組合有一個(gè)安裝在一根旋轉(zhuǎn)軸14上的轉(zhuǎn)鼓10，旋轉(zhuǎn)軸由一個(gè)電動(dòng)機(jī)裝置16驅(qū)動(dòng)。該電動(dòng)機(jī)裝置16可包括一個(gè)由裝在電動(dòng)機(jī)裝置16內(nèi)但不單獨(dú)示出的電動(dòng)機(jī)控制器或變換器所驅(qū)動(dòng)的交流感應(yīng)多相電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)變換器可由一個(gè)如約翰遜記數(shù)器(未示出)這樣的定時(shí)電路所驅(qū)動(dòng)，這記數(shù)器是由計(jì)算機(jī)18控制的。
計(jì)算機(jī)18控制電動(dòng)機(jī)裝置16的轉(zhuǎn)速與工作從而控制離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸14與轉(zhuǎn)鼓10的工作。計(jì)算機(jī)18通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)起反應(yīng)而芄壞髡牡淖?，震}凳筆荽幼偌 0(它從轉(zhuǎn)鼓10的底面12讀出光學(xué)或磁性數(shù)據(jù))發(fā)出經(jīng)路徑22與/或從電動(dòng)機(jī)16發(fā)出經(jīng)路徑26送到計(jì)算機(jī)18。電動(dòng)機(jī)16接受從計(jì)算機(jī)18經(jīng)由路徑24來的轉(zhuǎn)速與電流指令。
以前也已經(jīng)知道，大多數(shù)離心機(jī)裝置是適應(yīng)于掉換轉(zhuǎn)鼓的。轉(zhuǎn)鼓10可以按常規(guī)方法從旋轉(zhuǎn)軸14上取下，換上一個(gè)不同質(zhì)量與直徑的轉(zhuǎn)鼓。對(duì)大直徑和大質(zhì)量的轉(zhuǎn)鼓，按常規(guī)方法離心機(jī)殼體要設(shè)計(jì)成能承受住轉(zhuǎn)鼓出事故過程中釋放出來的動(dòng)能。
轉(zhuǎn)鼓10、旋轉(zhuǎn)軸14跟電動(dòng)機(jī)16組合的動(dòng)能(K.E.)可根據(jù)工程技術(shù)中熟悉的動(dòng)能方程式來確定，即總K.E.＝1/2Iω2，其中I＝轉(zhuǎn)鼓的、旋轉(zhuǎn)軸的與電動(dòng)機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
ω＝在操作者設(shè)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)鼓的角速度。
總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(I)可分成轉(zhuǎn)鼓的、旋轉(zhuǎn)軸的與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于旋轉(zhuǎn)軸與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是固定的并且是已知數(shù)，唯一的變量是可掉換的轉(zhuǎn)鼓10的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在下面(I轉(zhuǎn)鼓)只代表轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，理解到在最佳實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)軸的和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要加到轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上以確定轉(zhuǎn)鼓的、旋轉(zhuǎn)軸的和電動(dòng)機(jī)裝置的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即I＝I電動(dòng)機(jī)+I旋轉(zhuǎn)軸+I轉(zhuǎn)鼓，其中I電動(dòng)機(jī)+I旋轉(zhuǎn)軸＜＜＜I轉(zhuǎn)鼓所以I轉(zhuǎn)鼓＝I為了給計(jì)算機(jī)不用轉(zhuǎn)鼓鑒定數(shù)據(jù)而確定轉(zhuǎn)鼓10的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量必須根據(jù)下面的方程式來導(dǎo)出，即I轉(zhuǎn)鼓＝τ/α，其中τ＝轉(zhuǎn)鼓扭矩;α＝角加速度。同樣，為了導(dǎo)出角加速度，必須采用角加速度的定義，即α＝△ω/△t＝(ω2-ω1)/(t2-t1)這樣，通過轉(zhuǎn)速計(jì)20從轉(zhuǎn)鼓10的底面12讀出的讀數(shù)來確定在第一時(shí)間(t1)的角速度ω1與在第二時(shí)間(t2)的角速度ω2，就可導(dǎo)出角加速度(α)。所以，I轉(zhuǎn)鼓＝τ/α＝τ·(t2/(ω2-ω1))，在此t1＝0。
一當(dāng)角加速度(α)被確定后，轉(zhuǎn)鼓扭矩(τ)就可導(dǎo)出。轉(zhuǎn)鼓扭矩(τ)可以按常規(guī)方法用一個(gè)扭矩監(jiān)測(cè)器導(dǎo)出。但是這種監(jiān)測(cè)器在現(xiàn)代的或所謂的“超離心機(jī)”所用的高速下，設(shè)置和讀出都是很困難的。因此，采取從電動(dòng)機(jī)電流來確定電動(dòng)機(jī)扭矩的方法是值得推薦的。從理論的與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知扭矩(τ)根據(jù)下列的方程式是跟電動(dòng)機(jī)電流(i)的平方成正比的，τ＝K·mi·i2·r2·(1-s)·RPM/s，其中，i是電動(dòng)機(jī)電流;K是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù);RPM是每分鐘轉(zhuǎn)數(shù);m是電動(dòng)機(jī)質(zhì)量;r是一已知阻力;s是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。在上述各量中，只有電流(i)和轉(zhuǎn)速(RPM)隨轉(zhuǎn)鼓不同而變化。這些量-電流與轉(zhuǎn)速，可以容易地通過常規(guī)的已知方法確定。
當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電流是恒定的，其扭矩也是恒定的并跟電流成正比。這樣，扭矩可作為電流與轉(zhuǎn)速的函數(shù)而被確定。一個(gè)已知的轉(zhuǎn)鼓的扭矩可以用計(jì)算方法憑經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出，而其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(I轉(zhuǎn)鼓)可以從計(jì)算出的扭矩(τ)與角加速度(α)來確定，而無須采取其它轉(zhuǎn)鼓鑒定技術(shù)。
確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(I轉(zhuǎn)鼓)的方法可以用來鑒別或鑒定一個(gè)轉(zhuǎn)鼓。首先，角加速度被確定。隨后，對(duì)扭矩進(jìn)行計(jì)算或?qū)⑴ぞ乇３衷谝粋€(gè)恒定值上。將扭矩除以角加速度得出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(按定義)。這樣，通過計(jì)算出的角加速度并輸入扭矩，就立刻知道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
這就產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)鼓分類的方法與裝置，無需依賴輔助鑒定技術(shù)。這樣，就不需要讀出磁性鑒定、光學(xué)鑒定或依賴一個(gè)操作者去準(zhǔn)確地輸入轉(zhuǎn)鼓鑒定。
當(dāng)轉(zhuǎn)鼓鑒定確定后，直接與該特定鑒定的轉(zhuǎn)鼓相關(guān)的設(shè)定轉(zhuǎn)速可用來將離心機(jī)限定在安全工作極限內(nèi)。這樣，用計(jì)算機(jī)上的查找表來鑒定一個(gè)特定鈦轉(zhuǎn)鼓，裝有該轉(zhuǎn)鼓的離心機(jī)的隨后工作可以被限定在先前輸入查找表的那些數(shù)值上。這將聯(lián)系圖2與3的計(jì)算機(jī)流程圖來說明。
另外的方法，計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可與控制離心機(jī)的計(jì)算機(jī)中之設(shè)定的轉(zhuǎn)速極限作比較。這些設(shè)定轉(zhuǎn)速極限可用來計(jì)算在該轉(zhuǎn)速實(shí)際達(dá)到之前轉(zhuǎn)鼓所達(dá)到的總動(dòng)能。這個(gè)預(yù)期總動(dòng)能然后可以跟該特定轉(zhuǎn)鼓或離心機(jī)包封系統(tǒng)所能承受的總動(dòng)能作比較。如計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在查找表上找不到，離心操行就要全部停止。
在此提供一種按計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來定出總動(dòng)能極限的方法。轉(zhuǎn)鼓根據(jù)它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而被按能量級(jí)分類。一當(dāng)轉(zhuǎn)鼓按計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量被分入上述的能量級(jí)的一個(gè)級(jí)內(nèi)，動(dòng)能極限就由轉(zhuǎn)鼓不允許超越的轉(zhuǎn)速極限來設(shè)定。
在提出了本發(fā)明的理論以后，申請(qǐng)人現(xiàn)提供幾個(gè)具體示例。
參看2，轉(zhuǎn)速計(jì)50被設(shè)定在轉(zhuǎn)速為每分鐘15，000轉(zhuǎn)時(shí)輸出一個(gè)第一信號(hào)到時(shí)鐘52，時(shí)鐘52依次向CPU輸出一個(gè)第一時(shí)間信號(hào)。
轉(zhuǎn)速計(jì)50然后在轉(zhuǎn)速為每分鐘20，000轉(zhuǎn)時(shí)輸出一個(gè)第二信號(hào)到時(shí)鐘52，時(shí)鐘輸出一個(gè)第二時(shí)間信號(hào)并立即在步驟54中計(jì)算角加速度。
假定輸入電動(dòng)機(jī)的電流在轉(zhuǎn)速為每分鐘15，000至20，000轉(zhuǎn)之間被控制在一個(gè)恒定值上，扭矩已知。因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以直接即時(shí)在步驟56進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I然后送到轉(zhuǎn)鼓查找表58。對(duì)那些具有總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量接近于計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的轉(zhuǎn)鼓，即可在步驟60中計(jì)算最大轉(zhuǎn)速。這個(gè)限定轉(zhuǎn)速送到常規(guī)的限速器或過速停機(jī)裝置來防止轉(zhuǎn)鼓過速。
應(yīng)當(dāng)理解到在圖2的方案中轉(zhuǎn)鼓在轉(zhuǎn)鼓查找表中被鑒定。計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可用在查找表中尋址，在該地址的數(shù)值是最大轉(zhuǎn)速。鑒定過的轉(zhuǎn)鼓此后就被一個(gè)從查找表預(yù)先記錄好的最大轉(zhuǎn)速所限制住。
如果一個(gè)轉(zhuǎn)鼓不能按特征轉(zhuǎn)動(dòng)慣量被鑒定，那離心操作最好停止。需要重編程序，直到最后選定的轉(zhuǎn)速落在一個(gè)可鑒定的轉(zhuǎn)鼓或轉(zhuǎn)鼓類型的可鑒定轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)。
另外也可以將使用者鑒定過的最終轉(zhuǎn)速改變成確定的最大安全轉(zhuǎn)速。這是不推薦的，因?yàn)殡x心機(jī)將在一個(gè)跟使用者原先編定程序的轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)速下工作。
應(yīng)當(dāng)理解扭矩也可被計(jì)算出來，如圖3所示。
現(xiàn)參看圖3，轉(zhuǎn)速計(jì)150在轉(zhuǎn)速為每分鐘15，000轉(zhuǎn)時(shí)輸出一個(gè)信號(hào)到時(shí)鐘152，在轉(zhuǎn)速為每分鐘20，000轉(zhuǎn)時(shí)輸出一個(gè)第二信號(hào)，在步驟154進(jìn)行角加速度計(jì)算。在步驟151測(cè)量電流，最好在步驟155計(jì)算扭矩。應(yīng)當(dāng)理解到如果扭矩與電流都保持恒定，扭矩的計(jì)算就簡(jiǎn)化了。
此后，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在步驟156進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的輸出在步驟158送入查找表，從該表由步驟160輸出一個(gè)最大轉(zhuǎn)速。這個(gè)查找可以用常規(guī)方法用計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為地址并將最大允許轉(zhuǎn)速存儲(chǔ)在地址內(nèi)來實(shí)現(xiàn)。最大允許轉(zhuǎn)速輸出到一個(gè)限速器或過速停機(jī)裝置。
最后，參閱圖4，圖中示出一個(gè)限制能量的方案。在此方案里，計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量被用來確定轉(zhuǎn)鼓所能承受的最大動(dòng)能，此最大動(dòng)能隨后被用來計(jì)算轉(zhuǎn)速極限。
參看圖5，示出了轉(zhuǎn)鼓分類的圖解。具體來說，橫座標(biāo)300表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，縱座標(biāo)310表示額定轉(zhuǎn)速下的最大能量。
如前面所討論的，轉(zhuǎn)鼓事故可以按轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I分成三個(gè)區(qū)域。第一區(qū)域320是對(duì)應(yīng)于具有大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與較大角動(dòng)量的大直徑轉(zhuǎn)鼓的。在這區(qū)域320里，這些轉(zhuǎn)鼓在轉(zhuǎn)鼓事故中散發(fā)大量的角動(dòng)量。這角動(dòng)量能使裝有這種轉(zhuǎn)鼓的離心機(jī)實(shí)體地翻轉(zhuǎn)或移動(dòng)并可能傷及鄰近的人員。
隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的降低，轉(zhuǎn)鼓承受能量的能力可增高。在轉(zhuǎn)鼓區(qū)域330中，影響轉(zhuǎn)鼓解體的主要是對(duì)包封帶的沖擊。目前，生產(chǎn)出來的離心機(jī)具有足以吸收所有沖擊能量的包封環(huán)?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速較高的離心機(jī)由于其相應(yīng)的包封環(huán)裝置而變成很重。讀者應(yīng)可理解，隨著轉(zhuǎn)速黽櫻 由于離心機(jī)的最終尺寸和重量，將來用機(jī)械方法來包封轉(zhuǎn)鼓防止解體將是行不通的。如果要做出一個(gè)設(shè)計(jì)方案不用機(jī)械包封裝置，應(yīng)當(dāng)理解到這里提供的轉(zhuǎn)鼓保護(hù)系統(tǒng)能夠取代目前所用的機(jī)械包封裝置。
最后，圖表示出了一個(gè)對(duì)應(yīng)于具有小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和非常高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)鼓的區(qū)域340。這類轉(zhuǎn)鼓在發(fā)生轉(zhuǎn)鼓事故時(shí)由于大量的能量實(shí)際上要在一個(gè)瞬間內(nèi)釋放出，估計(jì)可能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。在這里，能量限制在角動(dòng)量區(qū)320的數(shù)值與阻擋層區(qū)330的數(shù)值之間的一個(gè)數(shù)值上。
應(yīng)當(dāng)理解到動(dòng)能隨二分之一乘角速度的平方來變化。因此，在所有三個(gè)類型320，330與340中速度是變化的。
還要注意到對(duì)極低的(不裝轉(zhuǎn)鼓)和極高的(機(jī)械摩擦妨礙轉(zhuǎn)動(dòng))轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所示系統(tǒng)實(shí)際上能夠立即檢測(cè)出它們是在“超出范圍區(qū)域”350內(nèi)(高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)與360(低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)內(nèi)。
還應(yīng)當(dāng)理解到圖5的圖解可以以查找表的形式或者用“小于”和“大于”型式的函數(shù)結(jié)合常規(guī)計(jì)算機(jī)編程序語言輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。
在陳述了查找表的輪廓以后，現(xiàn)在就可以對(duì)圖4所示的實(shí)施例進(jìn)行陳述。
轉(zhuǎn)速計(jì)250仍然輸出兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)在轉(zhuǎn)速為每分鐘15，000轉(zhuǎn)時(shí)的第一信號(hào)和一個(gè)在轉(zhuǎn)速為每分鐘20，000轉(zhuǎn)時(shí)的第二信號(hào)。時(shí)鐘252接受了信號(hào)并輸出至一個(gè)計(jì)算α的步驟254。
電流最好在步驟251受到限制。因此扭矩可以在步驟255計(jì)算。已知扭矩與角速度就能在步驟256計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
一當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成為已知，為該特定離心機(jī)操作者設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速在步驟257輸入。所達(dá)到的總能量在步驟258計(jì)算。
使用從步驟256計(jì)算出來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在步驟260在查找表中尋址。查找表輸出轉(zhuǎn)鼓被允許積累的最大動(dòng)能。
此后，最大轉(zhuǎn)速在步驟262進(jìn)行計(jì)算。這最大轉(zhuǎn)速然后在步驟264輸出到常規(guī)限速器或過速停機(jī)裝置。應(yīng)當(dāng)注意到用所示的裝置不需要從轉(zhuǎn)鼓取得任何鑒定信息，僅僅通過計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并按轉(zhuǎn)動(dòng)慣量限制轉(zhuǎn)鼓的積累能量，就確定了轉(zhuǎn)速極限。
應(yīng)當(dāng)理解到用這裝置很容易處理兩種特殊情況。第一，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是高的、例如當(dāng)轉(zhuǎn)鼓卡住，會(huì)發(fā)生停機(jī)。第二，如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是低的、例如當(dāng)沒有裝上轉(zhuǎn)鼓時(shí)，同樣會(huì)發(fā)生停機(jī)。
應(yīng)當(dāng)了解到事實(shí)上用一個(gè)68，000中央處理機(jī)就可實(shí)施一個(gè)確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的程序，這種中央處理機(jī)是美國(guó)加州申尼維爾的莫托羅拉公司的產(chǎn)品。這里提出的程序是在一種美國(guó)新澤西州紐瓦克的格林希爾斯公司的軟件產(chǎn)品-格林希爾斯帕斯卡程序編制器上實(shí)施的。所有提到的慣量計(jì)算都是用帕斯卡語言。
應(yīng)當(dāng)理解有些陳述過的函數(shù)與常數(shù)一定要具體化到特定機(jī)器的操作系統(tǒng)與所用的機(jī)器。按最佳實(shí)施例，恒定電流、從而恒定扭矩假定是由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生的。
在操作中微處理機(jī)起始化成未經(jīng)過慣量計(jì)算。此后，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘15，000轉(zhuǎn)時(shí)，一個(gè)計(jì)時(shí)器被啟動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘20，000轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)時(shí)器被停止并測(cè)量出經(jīng)過的時(shí)間。
此時(shí)，已知帶著扭矩的轉(zhuǎn)鼓通過一個(gè)已知角度要多長(zhǎng)時(shí)間。慣量因此可計(jì)算出。
此后，轉(zhuǎn)鼓的最大安全轉(zhuǎn)速可以從任一個(gè)以上的示例確定。在此，能夠被機(jī)器包封帶限制住的已知最大動(dòng)能被用來計(jì)算最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速。
程序編制如下
PROCEDUREInit_inertia;
BEGINinertia_beingmeasured＝false;
inertia_calculated＝false;
interia_timer＝0;
max_spd_inertia＝max_inertia_speed;
END;[Init_inertia]PROCEDUREInertia_speed;Passitintoavoidanyinterrupteffects.][VARinertia_being_measured，[inertia_calculatedboo)[]INTERN;CONST[passed_spd_to_rad_per_sec＝1.047;[10′sofRPM＊10＊2pi/60][max_machine_ke＝600000.0;[ft-lbsofkineticenergy][torque＝0.20;[ft-lbsbetween15-20KRPM][Equationforcombinedconstants＝？？？？[]combinedconstants＝5.7306590E7;
low_inertia_meas_spd＝15000;[rpm]high_inertia_measspd＝20000;[rpm]BEGINIF(NOTinertia_calculated)AND(machine_state＝running)
THENIFinertia_being_measuredTHENBEGINinertia_timer＝Succ(inertia_timer);
Iftrue_speed＞＝high_inertia_meas_spdTHENBEGINmax_spd_inertia＝Round(SQRT((true_speed_start_spd_actual)＊combined_constants/inertia_timer));
inertia_being_measured＝false;
inertia_caiculated＝true;
Printfile“SPD.P”END;
ENDELSEIftrue_speed＞＝low_intertia_meas_spdTHENBEGINstart_spd_actual＝true_speed;
inertia_being_measured＝true;
END;
END;[Inertia_speed]應(yīng)當(dāng)理解到本發(fā)明是容許有改進(jìn)的。
權(quán)利要求
1.一種離心機(jī)系統(tǒng)具有一個(gè)轉(zhuǎn)鼓，一個(gè)安裝所述轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)軸，一個(gè)電動(dòng)機(jī)用來將所述旋轉(zhuǎn)軸從一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)驅(qū)動(dòng)到一個(gè)使用者選定的最終轉(zhuǎn)速，一個(gè)控制系統(tǒng)用來將所述轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)軸加速到所述使用者選定的最終轉(zhuǎn)速，其特征在于控制系統(tǒng)的改進(jìn)在于用來在一個(gè)預(yù)先選定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量所述旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)鼓的角加速度的裝置，用來在所述預(yù)先選定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量該旋轉(zhuǎn)軸施加在該轉(zhuǎn)鼓上的扭矩的裝置，用來計(jì)算連接到所這測(cè)量角加速度的裝置與測(cè)量施加到該轉(zhuǎn)鼓上的扭矩的裝置的該轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的裝置，用來從所述電動(dòng)機(jī)的所述計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定該轉(zhuǎn)鼓的最大轉(zhuǎn)速的裝置，和用來將該使用者選定的最終轉(zhuǎn)速限制在該轉(zhuǎn)鼓的最大轉(zhuǎn)速上的裝置。
2.按權(quán)利要求1的離心機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述限制使用者選定的最終轉(zhuǎn)速的裝置包括用來在使用者選定的最終轉(zhuǎn)速大于該轉(zhuǎn)鼓的最大轉(zhuǎn)速時(shí)停止離心機(jī)的裝置。
3.按權(quán)利要求1的離心機(jī)系統(tǒng)，其特征在于所述限制使用者選定的最終轉(zhuǎn)速的裝置還包括將該使用者選定的最終轉(zhuǎn)速改變成該轉(zhuǎn)鼓的最大轉(zhuǎn)速的裝置。
4.按權(quán)利要求1的離心機(jī)系統(tǒng)，其特征還在于存儲(chǔ)裝置具有一個(gè)地址位置和一個(gè)相應(yīng)的存儲(chǔ)位置，轉(zhuǎn)鼓的所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量記錄在所述地址部分從而所述計(jì)算出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可用以尋找所述存儲(chǔ)轉(zhuǎn)速，具有所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的所述轉(zhuǎn)鼓的所述最大轉(zhuǎn)速記錄在所述存儲(chǔ)裝置中來對(duì)應(yīng)于所述地址部分從而該存儲(chǔ)裝置根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輸出最大轉(zhuǎn)速。
全文摘要
一種通過轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算來保護(hù)離心機(jī)防止轉(zhuǎn)鼓過速而出事故的裝置與方法。在最佳實(shí)施例中，離心機(jī)被一個(gè)裝在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)軸又被一個(gè)恒定電流電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)。使用一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)以檢測(cè)驅(qū)動(dòng)軸的角速度。所需最終離心機(jī)工作轉(zhuǎn)速由操作者選定。記錄轉(zhuǎn)鼓從一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)至另外一個(gè)轉(zhuǎn)速的時(shí)間并從時(shí)間差計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可用以獨(dú)立鑒定或鑒別轉(zhuǎn)鼓以淘汰某些不適用于特定離心機(jī)使用方案的轉(zhuǎn)鼓并確定離心機(jī)工作轉(zhuǎn)速的總的限度。
文檔編號(hào)B04B9/10GK1030199SQ8810409
公開日1989年1月11日 申請(qǐng)日期1988年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月22日
發(fā)明者羅伯特·吉貝勒 申請(qǐng)人:貝克曼儀器有限公司