雖然分離技術種類繁多[1-4]:有機械的、化學的、電分離和熱分離等(其中包括離心分離、過濾、超濾、反滲透、結晶和滲析等技術),但離心分離技術與其它技術相比,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)系統密封好;(5)放大簡單;(6)過程連續;(7)分離效率易于調節;(8)處理量大。故自1836年第一臺三足式離心機在德國問世后,迄今分離技術有了很大的發展。各類離心機種類繁多,正在向高參數、系列化、專用機、多功能、新材料及自動化等方面發展,并已廣泛用于化工、食品、輕工、醫藥、軍工、造船、環保、生物工程等近三十個工業領域。
目前,隨著計算機技術的發展,計算機輔助設計(ＣＡＤ)技術與模塊化設計的普遍應用,全球市場競爭愈加激烈、多樣化、個性化的客戶需求為離心分離機械實施大規模定制奠定了基礎,故大規模定制設計(ＤＦＭＣ)已成為設計方面的新動向。
1 國內技術現狀及主要差距[5-13]
1.1 國內技術現狀我國離心分離行業尚屬正在發展中,總體水平不高。隨著社會進步,人們對環保、能源以及裝備對品質的影響有了新的認識。同時,通過國外技術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的迅速發展,主要體現在:
(1)已基本形成了一個科研、設計和制造的體系。
(2)成立了分離領域的學術組織。
(3)在基礎理論與應用方面進行了研究。
(4)目前已能生產三足、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。上述產品不僅遍及全國且遠銷國外,且技術特性較“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**。還有內旋轉子過濾離心機的研制,立式密閉螺旋機及復合機等亦已投產。
(6)自控技術與ＣＡＤ技術的應用。
(7)各種相關標準的制訂。
(8)同國外著名離心機廠商的技術合作。
1.2 主要差距
盡管我國的離心分離設備有了很大進展,但從整體而言,與世界先進國家相比,差距甚大。主要表現在:
(1)規格、品種少,系列化程度差。特別缺少集幾種結構形式、集幾種推動力于一體的復合式離心機。
(2)技術參數低。國外離心分離機械產品的參數普遍高于我國,并繼續向高參數、大容量方向發展。以臥螺離心機為例,最近研制的機型為國內最大的,其轉鼓直徑亦僅720ｍｍ。長徑比最大為Ｌ ｄ=4,分離因數亦較低。而國外轉鼓最大直徑已達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。還發展了雙向擠壓型、沉降、過濾復合機型。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的變化自動調節其相應的工況。
(3)產品進展緩慢。而國外,由于采用模塊化的組合結構,特別是采用了大規模定制設計的新手段,故能滿足用戶的個性化需求,并加快了產品的更新換代速度。甚至還儲備所謂“冷凍產品”,以隨時適應市場競爭的需要。
(4)其它方面。在產品的可靠性、穩定性、自控技術、加工工藝、新材料的使用、配套產品的品質,以及理論研究等方面,均存在不少的差距。
2 國外離心分離技術的進展[14-26]
受新技術推動及相關產業發展的影響,國外離心分離技術的進展主要體現在以下幾個方面:
2.1 加強理論研究,選擇最佳設計方案
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司,在碟片流道研究中發現,碟片間隙橫斷面上的速度分布取決于一個無量綱數“λ”,而工業離心機的“λ”通常在5～28之間。隨著“λ”值的增加,碟片的轉速增加,薄層減少,可提高雷諾數并緩和渦流。通過對碟片間隔件和分布孔的巧妙設計,進料量可增加20%。此外,還對相分離技術進行了研究。
近年來,研究人員為選擇最佳方案,采用流場分離法、有限元模擬法、大梯度密度梯級法、反模態分析法等,對離心機的工作性能和關鍵零件進行研究,為設計優良性能的離心機提供了理論依據。并對帶內洗滌的臥螺離心機中堰池深度以及臥螺離心機技術參數之間的關系等進行了最佳化研究。
2.2 技術參數的提高和新機型的問世
為提高產品的純度,及滿足能源和環保的要求,高參數已成為國外機型的發展特點。由于生物工程需要分離極細的顆粒,如細菌、酶及胰島素等,故最新碟式機已可處理0.1μｍ微粒,且分離因數可達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,轉鼓內徑已達1.2ｍ,轉鼓重量為4.5ｔ,用2個功率為220ｋＷ的電機驅動,最大生產能力為450ｍ3/ｈ,當量沉降面積已達250,000ｍ2,為碟式機之最。
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司用于生物技術的ＢＴＵＸ510型碟式機,具有自動調節的渦流噴嘴。利用噴嘴進料黏度和濃度的關系,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。
而具有10000分離因數的臥螺離心機,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動態設計: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公司最新研制的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。如,工程塑料、硬質合金以及性能優良的耐磨耐蝕不銹鋼材料。
法國曾研制一種用硬質陶瓷制成的轉子,英國也曾研制由合成樹脂構成的連續纖維復合材料轉子。
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。最近,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鼓的自增強技術。
2.4 其它方面進展
(1)強化動態監測和自動化。隨著自動控制和傳感技術的發展,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,如溫度、流量、速度、振幅和噪音等進行全方位的監測,并通過傳感器將收集信息輸入計算機,經系統處理后,可及時了解各種參數的變化以采取相應的措施。由此出現了無人操作的碟式分離機。
(2)各種組合機和專用機的開發。Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司在碟式分離機上組合螺旋輸送器形成復合碟式機;Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司的柱錐復合活塞機、虹吸刮刀離心機;Ｓｈａｒｐｉｅｓ公司的沉降過濾復合螺旋離心機等。此外,還有為滿足特殊工藝要求的專用機,如:滿足食品和生物醫藥行業的ＦＤＡ(ＧＭＰ)之機型。
3 大規模定制設計(ＤＦＭＣ)[27 32]
設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、50%的定單提前期和80%的商業復雜性取決于產品和過程的設計。
設計規范(通常包括機械、電氣與軟件等各方面)由用戶需求和操作規范所決定。因此,如何很好地滿足用戶的需求,將是設計人員首要考慮的問題。
大規模定制(ｍａｓｓｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ,ＭＣ)的概念最早出現于20世紀80年代晚期,由Ｄａｖｉｓ首先預見:即大規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計的產品和服務的能力。
由于設計在產品生命周期中的重要性,面向大規模定制的設計已成為設計方面的新動向。
大規模定制設計(ＤＦＭＣ)(Ｔｓｅｎｇ和Ｊｉａｏ,1996)在產品早期的設計階段就考慮范圍經濟和規模經濟。ＤＦＭＣ的重點在于把當前個別產品的設計提升到產品族的設計。在產品族設計中,模塊化技術的使用無疑是至關重要的。
(1)模塊化產品族設計的多視圖產品族體系可定義為不同作用域之間的映射關系,如圖1所示。
模塊化技術是一種系統化方法,不僅應用于產品的設計階段,且貫穿于產品的制造、組織和許多其它階段,即模塊化技術的實施必須貫穿于產品的全生命周期,以充分保證大量生產的最終產品能滿足特定客戶的個性化需求。
(2)模塊化產品族體系的組成
模塊化設計是一種通過采用相似模塊來產生復雜產品的設計技術。構建模塊化產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,稱之為產品平臺)、差異使能(由不同產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則)。
(3)模塊化的不同層次
在模塊化產品族體系中,自頂向下存在著三種不同的層次。即系統層、模塊層和組件層。
4 結語
綜上所述,大規模定制設計加速了變異產品的引進,并減少了新產品的成本。然而為確保低成本的規模經濟,大規模定制設計及其應用還有更長的路要走:世界離心機行業正在進一步探索和研究,深信國內將會向國際水平不斷努力。
目前,隨著計算機技術的發展,計算機輔助設計(ＣＡＤ)技術與模塊化設計的普遍應用,全球市場競爭愈加激烈、多樣化、個性化的客戶需求為離心分離機械實施大規模定制奠定了基礎,故大規模定制設計(ＤＦＭＣ)已成為設計方面的新動向。
1 國內技術現狀及主要差距[5-13]
1.1 國內技術現狀我國離心分離行業尚屬正在發展中,總體水平不高。隨著社會進步,人們對環保、能源以及裝備對品質的影響有了新的認識。同時,通過國外技術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的迅速發展,主要體現在:
(1)已基本形成了一個科研、設計和制造的體系。
(2)成立了分離領域的學術組織。
(3)在基礎理論與應用方面進行了研究。
(4)目前已能生產三足、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。上述產品不僅遍及全國且遠銷國外,且技術特性較“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**。還有內旋轉子過濾離心機的研制,立式密閉螺旋機及復合機等亦已投產。
(6)自控技術與ＣＡＤ技術的應用。
(7)各種相關標準的制訂。
(8)同國外著名離心機廠商的技術合作。
1.2 主要差距
盡管我國的離心分離設備有了很大進展,但從整體而言,與世界先進國家相比,差距甚大。主要表現在:
(1)規格、品種少,系列化程度差。特別缺少集幾種結構形式、集幾種推動力于一體的復合式離心機。
(2)技術參數低。國外離心分離機械產品的參數普遍高于我國,并繼續向高參數、大容量方向發展。以臥螺離心機為例,最近研制的機型為國內最大的,其轉鼓直徑亦僅720ｍｍ。長徑比最大為Ｌ ｄ=4,分離因數亦較低。而國外轉鼓最大直徑已達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。還發展了雙向擠壓型、沉降、過濾復合機型。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的變化自動調節其相應的工況。
(3)產品進展緩慢。而國外,由于采用模塊化的組合結構,特別是采用了大規模定制設計的新手段,故能滿足用戶的個性化需求,并加快了產品的更新換代速度。甚至還儲備所謂“冷凍產品”,以隨時適應市場競爭的需要。
(4)其它方面。在產品的可靠性、穩定性、自控技術、加工工藝、新材料的使用、配套產品的品質,以及理論研究等方面,均存在不少的差距。
2 國外離心分離技術的進展[14-26]
受新技術推動及相關產業發展的影響,國外離心分離技術的進展主要體現在以下幾個方面:
2.1 加強理論研究,選擇最佳設計方案
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司,在碟片流道研究中發現,碟片間隙橫斷面上的速度分布取決于一個無量綱數“λ”,而工業離心機的“λ”通常在5～28之間。隨著“λ”值的增加,碟片的轉速增加,薄層減少,可提高雷諾數并緩和渦流。通過對碟片間隔件和分布孔的巧妙設計,進料量可增加20%。此外,還對相分離技術進行了研究。
近年來,研究人員為選擇最佳方案,采用流場分離法、有限元模擬法、大梯度密度梯級法、反模態分析法等,對離心機的工作性能和關鍵零件進行研究,為設計優良性能的離心機提供了理論依據。并對帶內洗滌的臥螺離心機中堰池深度以及臥螺離心機技術參數之間的關系等進行了最佳化研究。
2.2 技術參數的提高和新機型的問世
為提高產品的純度,及滿足能源和環保的要求,高參數已成為國外機型的發展特點。由于生物工程需要分離極細的顆粒,如細菌、酶及胰島素等,故最新碟式機已可處理0.1μｍ微粒,且分離因數可達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,轉鼓內徑已達1.2ｍ,轉鼓重量為4.5ｔ,用2個功率為220ｋＷ的電機驅動,最大生產能力為450ｍ3/ｈ,當量沉降面積已達250,000ｍ2,為碟式機之最。
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司用于生物技術的ＢＴＵＸ510型碟式機,具有自動調節的渦流噴嘴。利用噴嘴進料黏度和濃度的關系,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。
而具有10000分離因數的臥螺離心機,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動態設計: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公司最新研制的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。如,工程塑料、硬質合金以及性能優良的耐磨耐蝕不銹鋼材料。
法國曾研制一種用硬質陶瓷制成的轉子,英國也曾研制由合成樹脂構成的連續纖維復合材料轉子。
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。最近,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鼓的自增強技術。
2.4 其它方面進展
(1)強化動態監測和自動化。隨著自動控制和傳感技術的發展,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,如溫度、流量、速度、振幅和噪音等進行全方位的監測,并通過傳感器將收集信息輸入計算機,經系統處理后,可及時了解各種參數的變化以采取相應的措施。由此出現了無人操作的碟式分離機。
(2)各種組合機和專用機的開發。Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司在碟式分離機上組合螺旋輸送器形成復合碟式機;Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司的柱錐復合活塞機、虹吸刮刀離心機;Ｓｈａｒｐｉｅｓ公司的沉降過濾復合螺旋離心機等。此外,還有為滿足特殊工藝要求的專用機,如:滿足食品和生物醫藥行業的ＦＤＡ(ＧＭＰ)之機型。
3 大規模定制設計(ＤＦＭＣ)[27 32]
設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、50%的定單提前期和80%的商業復雜性取決于產品和過程的設計。
設計規范(通常包括機械、電氣與軟件等各方面)由用戶需求和操作規范所決定。因此,如何很好地滿足用戶的需求,將是設計人員首要考慮的問題。
大規模定制(ｍａｓｓｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ,ＭＣ)的概念最早出現于20世紀80年代晚期,由Ｄａｖｉｓ首先預見:即大規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計的產品和服務的能力。
由于設計在產品生命周期中的重要性,面向大規模定制的設計已成為設計方面的新動向。
大規模定制設計(ＤＦＭＣ)(Ｔｓｅｎｇ和Ｊｉａｏ,1996)在產品早期的設計階段就考慮范圍經濟和規模經濟。ＤＦＭＣ的重點在于把當前個別產品的設計提升到產品族的設計。在產品族設計中,模塊化技術的使用無疑是至關重要的。
(1)模塊化產品族設計的多視圖產品族體系可定義為不同作用域之間的映射關系,如圖1所示。
模塊化技術是一種系統化方法,不僅應用于產品的設計階段,且貫穿于產品的制造、組織和許多其它階段,即模塊化技術的實施必須貫穿于產品的全生命周期,以充分保證大量生產的最終產品能滿足特定客戶的個性化需求。
(2)模塊化產品族體系的組成
模塊化設計是一種通過采用相似模塊來產生復雜產品的設計技術。構建模塊化產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,稱之為產品平臺)、差異使能(由不同產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則)。
(3)模塊化的不同層次
在模塊化產品族體系中,自頂向下存在著三種不同的層次。即系統層、模塊層和組件層。
4 結語
綜上所述,大規模定制設計加速了變異產品的引進,并減少了新產品的成本。然而為確保低成本的規模經濟,大規模定制設計及其應用還有更長的路要走:世界離心機行業正在進一步探索和研究,深信國內將會向國際水平不斷努力。