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摘要：本文主要对DX-87型离心机方案进行设计，从机械部分设计和电气控制设计两方面进行分析，介绍了该仪器的机械组成，电气控制参数、故障类型及处理方法，最后对该仪器可靠性进行分析，通过计算表明，该仪器MBTF=5283（h）>1500（h），所以认为该仪器可靠性符合设计要求。
关键词：DX-87；低速台式离心机；可靠性
DX-8700台式低速离心机其工作原理是利用其转头的高速旋转而产生离心的效果，将液体中不同浓度的物质分离，低速离心机一般旋转组件的旋转频率不超过3600r/min，最大离心率不超过2000g[1]。本产品采用直流调速电机，具有操作方便、结构简单、外形美观、安全可靠等优点，可广泛应用于教育、科研、环保、医药、计量、卫生、食品、化工、轻工、农业、材料、防疫等部门，是常规实验室的必备仪器，并且逐步替代公司MX-C86型离心机。该离心机引用公司原有离心机技术原理，约占新机型开发技术的60%。该仪器在主要特点：
①转速可调：500r/min～3400r/min
②升、降速时间可调
③运行时间可调：1～99′59″
④液晶显示参数详细、清晰，操作界面简单易行
⑤有故障信号显示，有利于对故障做出快速判断及解决
⑥有门锁安全保护装置（门锁未锁到位，仪器不工作）
⑦有不平衡保护装置（出现不平衡，仪器自动停止）
⑧转子处于不锈钢体的空间内（腔体和上盖采用的材料是不锈钢材质），这样提高了仪器的安全性，且易清洁，不易产生污染物
⑨高强度塑料外壳保证了仪器的安全性，仪器外形美观
⑩有通电提示：通电后电源指示灯亮
2. DX-87型离心机开发方案
2.1 产品设计原理
2.1 物质沉降原理
物质在液体中受力示意图（图1）
如图所示，将一个标准的颗粒放在已知浓度的液体当中，按照相应的计算公式，最终可以计算出一个结果，其中物质受到的力为：
F=ρVg-ρ0Vg=（ρ-ρ0）Vg （1）
其中：ρ：物质颗粒的密度
Vg：物质颗粒的体积
ρ0：溶液的密度
当ρ-ρ0 > 0时：F>0，物质颗粒下沉
当ρ-ρ0 < 0时：F<0，物質颗粒上浮
当ρ-ρ0 = 0时：F=0，物质颗粒在对应的密度中稳定悬浮
离心机的工作原理就是根据高速的旋转而产生离心效果，最终分离其液体中的不同密度的物质。
2.2 离心机原理
离心机原理图（图2）
物体在旋转的过程中，会受到离心力的作用，根据其旋转速度的不同所受到的离心力大小也不同，离心管中所有到的离心力为：
F1=ma=mω2r （2）
其中：m 物质颗粒的质量
ω 转子的角速度
r 物质颗粒的旋转半径
物质颗粒除受离心力作用外，还受到自身重力P的作用，因此，离心机普遍采用相对离心力（relative centeifugal force，即RCF）来定义其基本参数：
其中：m 物质颗粒的质量
ω 转子的角速度
r 物质颗粒的旋转半径
n 电机的转速，即转子转速
RCF是相对离心力，所以一般我们提到的相对离心力都是RCF×g
离心机是在高速旋转的电机上装上特殊的转子，在转子上装有不同密度的混合试液，由于在离心力的作用下，将试液中的不同成份分离和沉淀。
在离心机中相对离心力是恒量离心机分离能力的主要指标，它的数值越大，说明该台仪器的分离能力越大，可把密度较小的样品分离出来，当然，不同能力的离心机的价值也是不一样的，所以用户选用时必须按照用途而选择不同转速和功能的离心机。
按照上述的原理，附之于机械结构及电气的控制，设计和制造出安全、可靠和稳定的离心机。
通常计算相对离心力的公式为：RCF=1.118×10-5·R·（n）? ×g
其中：R：cm，n：r/min，RCF是Relative Centrifuge Force的缩写，意为相对离心力。
2.3 结构设计
该离心机主要由机械结构部分和电器控制部分组成，机械结构主要由外壳、腔体、离心机盖、驱动系统、旋转组件等组成[2]。
外壳主要适用于对离心机核心部件的防护；
腔体也为离心腔，是离心机内部封闭空间，旋转组件在其内部旋转；
驱动系统是离心机为旋转组件提供扭矩或为其提供旋转支撑的所有相关零部件；
旋转组件包含一整套转头附件，这其中包括承载样品商与离心机转头一起使用的或者在离心机转头中使用的所有零部件，包括适配器、试管和瓶子等。
2.3.1 机械设计
离心机的外壳采用工程塑料注塑而成，为使离心机得以安全可靠，内腔采用不绣钢板制成；主电机采用直流无刷无槽电机，为使仪器运行稳定，在电机的中部装有减振板及减振器，以吸收不平衡而产生的振动；该离心机的转子全部是金属制品，试管套均采用PC+玻璃纤维注塑而成。
离心机盖外部用阻燃ABS工程塑料注塑而成，内部则是不锈钢盖制品，上部装有透明观察窗，可随时观察内部的运转情况及测定转速。
离心机装有盖锁装置，盖锁未锁紧时，仪器不运转，当离心机通电运转时，离心机“OPEN”键是无效的，仪器锁是无法打开的，只有当转速降为零时，仪器会发出蜂鸣声，锁自动打开；仪器在通电但没运转的情况下，“OPEN”键是有效的，可以打开门锁；当仪器发生临时断电时，为及时取出被分离的样品，仪器设有紧急开盖的装置，方法是：利用直径约3mm的（螺丝刀，起子类）棒状物，水平地从仪器前端的孔进入，进到最深处后，棒状物向下翘即可打开门盖锁。 控制线路板及控制模块布局合理。
在仪器的底部装有四只为防止移动而设置的橡胶机脚。
2.3.2 电气部分设计
（1）基本参数设计
该仪器采用：AC110V±10%，频率60Hz，输入功率大于 400 W电源供电；DX-87离心机输出功率大于330W（直流电机 DC 160V，300W）；最大转速为3400rpm±2%；转速调整范围：500～3400rpm；时间控制范围：1-99′59〞；通过LCD显示显示器内容；转速：0～3400 rpm（最大值设定在3400rpm）；离心力：0～9999×g；时间：1-99′59〞；仪器使用环境条件：温度在2-40℃范围内，湿度不超过85%RH。
DX-87系列离心机拥有四种仪器型号，分别为DX-8701-DX-8704，四种型号参数如表1所示。
显示屏设置参数可存储为对应程序号，便于以后再次调用。每种型号机器拥有升速档和降速档，升速档1-3个挡位所代表的时间分别为30s、40s、50s三种，而降速档1-3所代表的时间分别为35s、40s、50s。
仪器设计过程中，增加了转速显示精度和时间显示精度，转速显示精度是液晶 上 显示 的 转速值 与实际转速值的误差小于±50rpm；时间显示精度是液晶上显示的时间设定值与实际值的相对误差控制在1%以内。
增加调阅仪器使用总时间（累计工作时间，非抗拒断电工作时间除外）的操作，操作方法：同时按下“OPEN”和“选择”键不松，然后开机，开机后显示累计工作时间2秒后自动消失，最后显示正常内容。
2.3.3 常见故障分析与处理
常见故障类型及处理如表2所示。
3.DX-87离心机可靠性分析
DX离心机属实验室用精密仪器，仪器内有高速旋转的转子，故仪器的可靠性及安全性十分重要。
在机械结构上，外壳用强度高、韧性好的工程塑料制作而成；采用高强度、耐腐蚀、易加工的材料做转子及相关附件；并切转子处于一个金属空间内（腔体及上盖采用不锈钢腔体制作）；采用合理的减振系统来吸收由不平衡而引起的振动，保证仪器能平稳地工作。
本仪器的电子元器件采用升级或降额使用，辅以热稳定设计，一般认为元器件的失效率与其环境温度和使用时负荷的大小有密切关系。故本系列仪器中所有元器件均工作在额定值的70%以下，使元器件的可靠性大为提高。
对元器件进行早期筛选，也可大大提高元器件的可靠性，筛选剔除率Q的计算公式为：
Q=n/N×100% （1）
式中n为被剔除的样品，N为受筛选元件总数。
筛选效果β为：
β=（λn-λs）/λn×100% （2）
式中λn为筛选前的产品失效率，λs为筛选后的产品失效率。
美國的集成电路λn为0.05%kh，λs为0.001%/kh，可见筛选后的失效率大为降低，产品设计中采取了此项手段。
DX型离心机采用国际上公认的平均无故障工作时间（MTBF）小时来评估设计的可靠性[2]，一般认为仪器的MTBF应大于1500h。现采用如下经验公式进行估算：
λ=λ0×K1×K2×K3×K4×K5×N （3）
式中，λ0为元件失效率，仪器主要元器件为进口，采用美国著名大公司的产品，但不可避免的也要使用一些国产元件（主要为电阻、开关、晶体管等）。目前国外元件λ0一般在5×10-7，国产元器件λ0在5级，其值在3×10-5～5×10-7之间，我们现用为4×10-5。；K1为元件失效因子，经筛选后一般可达到0.1～0.001之间，取0.05；K2为降额因子，一般0.1～0.01之间，取0.08；K3环境因子，环境因子实验室内为0.5～1.0，普通实验室内为1.0～1.1，现取1.0；K4机械结构因子，机械结构因子一般为1.5～2.5，取2；K5为制造工艺因子，制造工艺因子一般为1.5～3.5，考虑现状取3.5；N为元件总数量，元器件总数约为169。
将各参数带入式（3）中计算：
λ=4 ×10-5×0.05×0.08×1.0×2×3.5×169=1.8928×10-6 （4）
平均无故障工作时间MTBF为λ的倒数，即：
MTBF=1/λ （5）
将式（4）计算出的λ带入式（5）中得到MTBF=1/λ=5283（小时）。
因此，可以判断，该离心机可靠性符合要求。
结语
DX-87系列低速台式离心机是一种新型设备，可广泛应用于医药、生物化学、食品、农业等领域的实验室，具有较大的市场潜力，并且逐步替代公司MX-C86型离心机。本文主要对DX-87型离心机方案进行设计，从机械部分设计和电气控制设计两方面进行分析，介绍了该仪器的机械组成，电气控制参数、故障类型及处理方法，最后对该仪器可靠性进行分析，通过计算表明，该仪器MBTF=5283（h）>1500（h），所以认为该仪器可靠性符合设计要求。
4 离心机设计注意事项
4.1 防雷击
设备在工作过程中很可能受到雷击，设备受到雷击的时候，雷电瞬间的高电压施加在设备上，设备如果不能及时处理高电压，就会造成部件的损坏，严重的时候还可能造成工作人员的伤亡，所以对其采取防雷措施是必要的。
对离心机触及零部件判定，首先需要对不同的位置进行测试，主要测试的位置可以根据实际情况进行选取，要对其施加刚性的试验指，而且还要保证施加同等效果的压力。在施加压力的过程中，要注意施加压力的时候使用试验指尖进行施加，防止出现受力不均的情况。对设备的整体（包括设备的表面，以及底部和上部）进行测试，遇到带电的设备零件，可以按照标准在设备的上部建立测试孔，开孔的时候要保证不会影响设备的正常使用。将实验需要使用的针进行悬挂处理，保证实验的准确性与安全性。
离心机的部分零件需要符合相应的标准要求：人可以接触到的零件需要保证与大地间的连接，防止出现电压过大的情况，要保证两个零部件之间的绝缘效果良好。
正常工作情况下可以采取基本绝缘、外壳或挡板、阻抗等措施来防止可触及零件成为危险带电。
4.2 防机械危险
（1）离心机在正常情况下或单一故障条件下操作不得导致机械危险。
（2）工作人员工作的时候，要保证危险部件不会接触到工作人员的身体，防止出现工作事故；
（3）设备工作的时候，设备可能产生高速的震动，设备上可以活动的零件需要保证其绝对的稳定性；
（4）对设备中易损零件进行保护控制，尤其是受到损坏之后容易飞散的零件。对飞散的零部件所采用的防护装置应当是不借助工具就不能拆除的。
参考文献：
[1]GB4793.7-2008 《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第7部分：实验室用离心机的特殊要求》
[2]GB4793.1—2007 《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第1部分：通用要求》
关键词：DX-87；低速台式离心机；可靠性
DX-8700台式低速离心机其工作原理是利用其转头的高速旋转而产生离心的效果，将液体中不同浓度的物质分离，低速离心机一般旋转组件的旋转频率不超过3600r/min，最大离心率不超过2000g[1]。本产品采用直流调速电机，具有操作方便、结构简单、外形美观、安全可靠等优点，可广泛应用于教育、科研、环保、医药、计量、卫生、食品、化工、轻工、农业、材料、防疫等部门，是常规实验室的必备仪器，并且逐步替代公司MX-C86型离心机。该离心机引用公司原有离心机技术原理，约占新机型开发技术的60%。该仪器在主要特点：
①转速可调：500r/min～3400r/min
②升、降速时间可调
③运行时间可调：1～99′59″
④液晶显示参数详细、清晰，操作界面简单易行
⑤有故障信号显示，有利于对故障做出快速判断及解决
⑥有门锁安全保护装置（门锁未锁到位，仪器不工作）
⑦有不平衡保护装置（出现不平衡，仪器自动停止）
⑧转子处于不锈钢体的空间内（腔体和上盖采用的材料是不锈钢材质），这样提高了仪器的安全性，且易清洁，不易产生污染物
⑨高强度塑料外壳保证了仪器的安全性，仪器外形美观
⑩有通电提示：通电后电源指示灯亮
2. DX-87型离心机开发方案
2.1 产品设计原理
2.1 物质沉降原理
物质在液体中受力示意图（图1）
如图所示，将一个标准的颗粒放在已知浓度的液体当中，按照相应的计算公式，最终可以计算出一个结果，其中物质受到的力为：
F=ρVg-ρ0Vg=（ρ-ρ0）Vg （1）
其中：ρ：物质颗粒的密度
Vg：物质颗粒的体积
ρ0：溶液的密度
当ρ-ρ0 > 0时：F>0，物质颗粒下沉
当ρ-ρ0 < 0时：F<0，物質颗粒上浮
当ρ-ρ0 = 0时：F=0，物质颗粒在对应的密度中稳定悬浮
离心机的工作原理就是根据高速的旋转而产生离心效果，最终分离其液体中的不同密度的物质。
2.2 离心机原理
离心机原理图（图2）
物体在旋转的过程中，会受到离心力的作用，根据其旋转速度的不同所受到的离心力大小也不同，离心管中所有到的离心力为：
F1=ma=mω2r （2）
其中：m 物质颗粒的质量
ω 转子的角速度
r 物质颗粒的旋转半径
物质颗粒除受离心力作用外，还受到自身重力P的作用，因此，离心机普遍采用相对离心力（relative centeifugal force，即RCF）来定义其基本参数：
其中：m 物质颗粒的质量
ω 转子的角速度
r 物质颗粒的旋转半径
n 电机的转速，即转子转速
RCF是相对离心力，所以一般我们提到的相对离心力都是RCF×g
离心机是在高速旋转的电机上装上特殊的转子，在转子上装有不同密度的混合试液，由于在离心力的作用下，将试液中的不同成份分离和沉淀。
在离心机中相对离心力是恒量离心机分离能力的主要指标，它的数值越大，说明该台仪器的分离能力越大，可把密度较小的样品分离出来，当然，不同能力的离心机的价值也是不一样的，所以用户选用时必须按照用途而选择不同转速和功能的离心机。
按照上述的原理，附之于机械结构及电气的控制，设计和制造出安全、可靠和稳定的离心机。
通常计算相对离心力的公式为：RCF=1.118×10-5·R·（n）? ×g
其中：R：cm，n：r/min，RCF是Relative Centrifuge Force的缩写，意为相对离心力。
2.3 结构设计
该离心机主要由机械结构部分和电器控制部分组成，机械结构主要由外壳、腔体、离心机盖、驱动系统、旋转组件等组成[2]。
外壳主要适用于对离心机核心部件的防护；
腔体也为离心腔，是离心机内部封闭空间，旋转组件在其内部旋转；
驱动系统是离心机为旋转组件提供扭矩或为其提供旋转支撑的所有相关零部件；
旋转组件包含一整套转头附件，这其中包括承载样品商与离心机转头一起使用的或者在离心机转头中使用的所有零部件，包括适配器、试管和瓶子等。
2.3.1 机械设计
离心机的外壳采用工程塑料注塑而成，为使离心机得以安全可靠，内腔采用不绣钢板制成；主电机采用直流无刷无槽电机，为使仪器运行稳定，在电机的中部装有减振板及减振器，以吸收不平衡而产生的振动；该离心机的转子全部是金属制品，试管套均采用PC+玻璃纤维注塑而成。
离心机盖外部用阻燃ABS工程塑料注塑而成，内部则是不锈钢盖制品，上部装有透明观察窗，可随时观察内部的运转情况及测定转速。
离心机装有盖锁装置，盖锁未锁紧时，仪器不运转，当离心机通电运转时，离心机“OPEN”键是无效的，仪器锁是无法打开的，只有当转速降为零时，仪器会发出蜂鸣声，锁自动打开；仪器在通电但没运转的情况下，“OPEN”键是有效的，可以打开门锁；当仪器发生临时断电时，为及时取出被分离的样品，仪器设有紧急开盖的装置，方法是：利用直径约3mm的（螺丝刀，起子类）棒状物，水平地从仪器前端的孔进入，进到最深处后，棒状物向下翘即可打开门盖锁。 控制线路板及控制模块布局合理。
在仪器的底部装有四只为防止移动而设置的橡胶机脚。
2.3.2 电气部分设计
（1）基本参数设计
该仪器采用：AC110V±10%，频率60Hz，输入功率大于 400 W电源供电；DX-87离心机输出功率大于330W（直流电机 DC 160V，300W）；最大转速为3400rpm±2%；转速调整范围：500～3400rpm；时间控制范围：1-99′59〞；通过LCD显示显示器内容；转速：0～3400 rpm（最大值设定在3400rpm）；离心力：0～9999×g；时间：1-99′59〞；仪器使用环境条件：温度在2-40℃范围内，湿度不超过85%RH。
DX-87系列离心机拥有四种仪器型号，分别为DX-8701-DX-8704，四种型号参数如表1所示。
显示屏设置参数可存储为对应程序号，便于以后再次调用。每种型号机器拥有升速档和降速档，升速档1-3个挡位所代表的时间分别为30s、40s、50s三种，而降速档1-3所代表的时间分别为35s、40s、50s。
仪器设计过程中，增加了转速显示精度和时间显示精度，转速显示精度是液晶 上 显示 的 转速值 与实际转速值的误差小于±50rpm；时间显示精度是液晶上显示的时间设定值与实际值的相对误差控制在1%以内。
增加调阅仪器使用总时间（累计工作时间，非抗拒断电工作时间除外）的操作，操作方法：同时按下“OPEN”和“选择”键不松，然后开机，开机后显示累计工作时间2秒后自动消失，最后显示正常内容。
2.3.3 常见故障分析与处理
常见故障类型及处理如表2所示。
3.DX-87离心机可靠性分析
DX离心机属实验室用精密仪器，仪器内有高速旋转的转子，故仪器的可靠性及安全性十分重要。
在机械结构上，外壳用强度高、韧性好的工程塑料制作而成；采用高强度、耐腐蚀、易加工的材料做转子及相关附件；并切转子处于一个金属空间内（腔体及上盖采用不锈钢腔体制作）；采用合理的减振系统来吸收由不平衡而引起的振动，保证仪器能平稳地工作。
本仪器的电子元器件采用升级或降额使用，辅以热稳定设计，一般认为元器件的失效率与其环境温度和使用时负荷的大小有密切关系。故本系列仪器中所有元器件均工作在额定值的70%以下，使元器件的可靠性大为提高。
对元器件进行早期筛选，也可大大提高元器件的可靠性，筛选剔除率Q的计算公式为：
Q=n/N×100% （1）
式中n为被剔除的样品，N为受筛选元件总数。
筛选效果β为：
β=（λn-λs）/λn×100% （2）
式中λn为筛选前的产品失效率，λs为筛选后的产品失效率。
美國的集成电路λn为0.05%kh，λs为0.001%/kh，可见筛选后的失效率大为降低，产品设计中采取了此项手段。
DX型离心机采用国际上公认的平均无故障工作时间（MTBF）小时来评估设计的可靠性[2]，一般认为仪器的MTBF应大于1500h。现采用如下经验公式进行估算：
λ=λ0×K1×K2×K3×K4×K5×N （3）
式中，λ0为元件失效率，仪器主要元器件为进口，采用美国著名大公司的产品，但不可避免的也要使用一些国产元件（主要为电阻、开关、晶体管等）。目前国外元件λ0一般在5×10-7，国产元器件λ0在5级，其值在3×10-5～5×10-7之间，我们现用为4×10-5。；K1为元件失效因子，经筛选后一般可达到0.1～0.001之间，取0.05；K2为降额因子，一般0.1～0.01之间，取0.08；K3环境因子，环境因子实验室内为0.5～1.0，普通实验室内为1.0～1.1，现取1.0；K4机械结构因子，机械结构因子一般为1.5～2.5，取2；K5为制造工艺因子，制造工艺因子一般为1.5～3.5，考虑现状取3.5；N为元件总数量，元器件总数约为169。
将各参数带入式（3）中计算：
λ=4 ×10-5×0.05×0.08×1.0×2×3.5×169=1.8928×10-6 （4）
平均无故障工作时间MTBF为λ的倒数，即：
MTBF=1/λ （5）
将式（4）计算出的λ带入式（5）中得到MTBF=1/λ=5283（小时）。
因此，可以判断，该离心机可靠性符合要求。
结语
DX-87系列低速台式离心机是一种新型设备，可广泛应用于医药、生物化学、食品、农业等领域的实验室，具有较大的市场潜力，并且逐步替代公司MX-C86型离心机。本文主要对DX-87型离心机方案进行设计，从机械部分设计和电气控制设计两方面进行分析，介绍了该仪器的机械组成，电气控制参数、故障类型及处理方法，最后对该仪器可靠性进行分析，通过计算表明，该仪器MBTF=5283（h）>1500（h），所以认为该仪器可靠性符合设计要求。
4 离心机设计注意事项
4.1 防雷击
设备在工作过程中很可能受到雷击，设备受到雷击的时候，雷电瞬间的高电压施加在设备上，设备如果不能及时处理高电压，就会造成部件的损坏，严重的时候还可能造成工作人员的伤亡，所以对其采取防雷措施是必要的。
对离心机触及零部件判定，首先需要对不同的位置进行测试，主要测试的位置可以根据实际情况进行选取，要对其施加刚性的试验指，而且还要保证施加同等效果的压力。在施加压力的过程中，要注意施加压力的时候使用试验指尖进行施加，防止出现受力不均的情况。对设备的整体（包括设备的表面，以及底部和上部）进行测试，遇到带电的设备零件，可以按照标准在设备的上部建立测试孔，开孔的时候要保证不会影响设备的正常使用。将实验需要使用的针进行悬挂处理，保证实验的准确性与安全性。
离心机的部分零件需要符合相应的标准要求：人可以接触到的零件需要保证与大地间的连接，防止出现电压过大的情况，要保证两个零部件之间的绝缘效果良好。
正常工作情况下可以采取基本绝缘、外壳或挡板、阻抗等措施来防止可触及零件成为危险带电。
4.2 防机械危险
（1）离心机在正常情况下或单一故障条件下操作不得导致机械危险。
（2）工作人员工作的时候，要保证危险部件不会接触到工作人员的身体，防止出现工作事故；
（3）设备工作的时候，设备可能产生高速的震动，设备上可以活动的零件需要保证其绝对的稳定性；
（4）对设备中易损零件进行保护控制，尤其是受到损坏之后容易飞散的零件。对飞散的零部件所采用的防护装置应当是不借助工具就不能拆除的。
参考文献：
[1]GB4793.7-2008 《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第7部分：实验室用离心机的特殊要求》
[2]GB4793.1—2007 《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第1部分：通用要求》