國外永磁傳動新技術在磁力泵上的應用
2018-02-05 17:37:02
1940年英國人Charles和Geoffrey Hwward首次解決了具有危險性介質(起決定作用的物質)化工泵的泄漏問題，解決的方法是用磁力驅動泵。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。在以后30多年里永磁傳動技術由于磁性材料(Material)的原因進步十分緩慢。 1983年高性能釹鐵硼(NdFeB)永磁材料的問世，為磁力驅動泵的快速發展提供了關鍵部件的材料。近年來永磁傳動技術已從泵類向其它密封機械擴展，技術上集中于提高設備的可靠性、抗介質腐蝕新材料的研究，流體技術及制造裝配的精度。磁力泵代表著一個國家制造技術的水平，近年來工業發達國家的磁力泵在效率、壽命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的進展。
永磁傳動技術是將原動機的動力通過其軸上的外磁部件傳遞給工作軸上的內磁部件，內外磁部件由隔離罩分開，從而工作軸無須伸出所要封閉的空間，取消了動密封，實現無密封、零泄漏。永磁傳動技術主要應用于化學工業、石油化工、醫藥、食品工業中的泵和壓縮機、攪拌機與閥門等。目前我國流體機械大量使用的傳統機械密封在國外的這些部門已逐漸被永磁傳動所取代。
2 應用領域拓寬、技術性能提高
2.1磁力傳動是密封領域最有效最安全的解
永磁傳動即永磁聯軸器對于需要密封的機械，對有害、有毒、污染、危險、純凈、貴重的產品和生產過程(guò chéng)是一最安全解，它的應用范圍很寬。石油化工、醫藥、電影、電鍍、核動力等行業中的液體大都具有腐化侵蝕 性、易燃、易爆、有毒、貴重，泄漏會帶來工作液體的浪費與環境污染;真空、半導體（semiconductor）工業要防止外界氣體的侵入：飲食、醫藥要保證介質的純凈衛生。永磁傳動技術在這些領域找到了用武之地。從1946年就致力于無密封泵的制造，至今在全世界37個國家已銷售近7萬臺,每年銷售額達28百萬英鎊。美國一家制藥廠有上百個裝有機械密封的離心泵，處理各種酸類，這些泵由于設計問題常常干運轉，僅能使用2~3個月就自行破壞，換用了Ansimag公司生產的K1516系列磁傳動泵，自1993年投入運行(每天操作4.8小時每年 365天)至1998年還在運行。美國中西部的容器板廠，合成苛性納是回轉葉片泵密封的極大問題,這里的工程師稱這些泵是 ;維護黑夜里的天 ;安裝了 Ansimag公司的ETFE襯里無密封磁力泵,運行11個月沒有停機。美國一大型化工廠面臨著輸送甲醇的嚴重困難。因甲醇易燃，60℃接近沸騰，流量僅 7m3/h，壓差高達250m。問題的解決靠的是Dickow磁傳動多級端吸泵，它的流量是15m3/h，壓差400m,確保了甲醇的零泄漏,保證操作人員與工廠的安全，并解決了甲醇中含有氣泡輸送問題。
2.2磁力泵在技術性能上向微型,大型化發展
為滿足國內外市場需要，石油化工公司成套設備向大型化發展，我國必須有一批年產千萬噸級的煉油廠、百萬噸級的乙烯裝置。機械裝備要滿足重負荷、長周期、低能耗，并符合環境保護要求。我國在仿制國外產品中發現，制造磁力泵的材質和工藝要求是很高的。即使11~13kW的中小功率泵,其可靠性制造成本也無法讓用戶接受。對于耐強腐蝕、高壓、高溫的大功率泵尚屬空白。目前磁力泵的發展極限應由公司的產品來描述：流量由1m3/h到681m3/h，壓差由10m 到500m，溫度范圍由-100℃到450℃，系統壓力從真空到400bar，原動機功率達350kW。微型泵是專門為某些部門研究開發出來的，例如激光器的冷卻、分析儀器的供料、化學劑的補充、生物工程、冷卻循環，以至于打印機的噴嘴等。齒輪泵與電機一體化封閉聯接，適用24
V、36V直流電源，速度人工自動控制。最低流量為10ml/min，壓差7bar。日本Iwaki公司為電鍍、冷卻循環用的MD系列微型磁力傳動齒輪泵的流量范圍是 7.5~288L/min，傳動功率1/25~1/3馬力。
2.3各種類型的泵均可改造為磁力傳動泵
離心泵(Centrifugal pump)是磁力泵的主導產品，磁傳動回轉位移泵雖有25年的歷史，僅近七八年在設計制造水平以及大扭矩能力方面才有廣泛的基礎。凱泉泵業由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉，則可連續吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉所產生的離心力的作用下，將水提向高處的。重點是磁力傳動齒輪泵與螺桿泵，最大傳動能力達400Nm,轉速3500r/min時功率為150kW。地處美國邊界猶地州氣體動力廠，透平壓縮機的潤滑泵是常軌的外嚙合齒輪泵。油泵因高壓差平均每兩個月便過度磨損而報廢，造成壓縮機關閉。1992年改用磁傳動三螺桿泵后，一直連續運轉，不用任何維護。英國Tuthill成功地應用了它的磁傳動齒輪泵為Scottish公司的過程水系統中泵入添加劑，該泵取代了螺桿泵，符合衛生安全條例。
2.4磁力傳動壓縮機
磁力傳動的內軸承位于所密封的空間內，它用密封的介質潤滑和冷卻。鑒于我國材料制造水平，磁力傳動在氣體輸送機械中尚未應用。加拿大Nova磁有限公司生產的超壓風機，在170bar氦氣壓力下，泄漏率小1cm3/h，軸承壽命超過10000h。另一系列的加壓風機，自由排放流量750m3/h，在 400m3/h流量時系統(system)壓差35MPa，實現了零泄漏。此外，磁傳動的特殊性能同樣應用于無泄漏的攪拌器、閥門等設備(shèbèi)。在冷凍機中的應用還未得到相關信息，筆者為實現將磁力傳動應用于冷凍壓縮機正在作探索工作，因冷凍劑尤其是氟里昂的外泄會造成嚴重的環境問題。
3 新技術、新工藝、新結構
磁力傳動技術并非只是簡單的利用磁體的同性相斥、異性相吸作用，它是傳動技術、材料(Material)技術、制造技術的集成。世界一流的專業生產廠，他們的產品在世界享有聲譽，以至于我們無法仿制，其原因就在如此。現在這些 ;老手 ;還在進行效率和質量的改進，減少成本，延長兩次檢修之間的平均時間。
3.1新材料、新工藝
磁性材料的選用各國基本認識統一，NdFeB材料工作溫度低于150℃，SmCo材料工作溫度低于250℃，對于微型泵可選用鋇鐵氧體。泵體材料分金屬、非金屬兩大類。金屬不銹鋼不意味著對一切液體都是不銹的，它主要用于與其兼容的過程液體、貴重液體、超純凈液體。非金屬是專門為腐蝕性應用而研制的。它又分為2種情況(Condition)。其一是純塑料泵，用純聚丙稀或乙烯氟化物熱塑鑄模。如英國Vanton CGM泵流量為136m3/h，揚程84m(溫度135℃)，電機功率32kW。其二是襯里泵，是目前流行的耐腐蝕泵內襯塑料的一種方法。一般泵體可用可鍛鑄鐵制造，FE
P、P
P、PF
A、PVD
F、ETFE無縫襯里。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區，特別是在高山區安裝時，其安裝高度應降低，否則也不能吸上水來。Magnetix新的MTA系列無密封泵與其它襯里泵的關鍵優勢是應用了它的先進PFA 氟聚合物襯里，PFA以它獨特的廣泛的耐化學劑腐蝕的能力，比ETFE，PVDF或其它非金屬材料而聞名。采用專利（意為：公開的信件或公共文獻）技術：澆鑄壓膜工藝，聯接的PFA襯里厚而均勻，與旋轉模鑄相競爭。應用于高純度和高溫流體更為理想。ISO泵PTFE襯里最小厚度3mm，用榫槽壓入泵殼，泵殼用硼硅玻璃制造。隔離罩是密封的關鍵部件，它的破裂會導致流體泄漏發生災難性的危害。單層金屬封罩應用范圍很廣，盡管渦流會產生熱量有能量損失，若采用強度特別高的、高電阻材料可以限制到最小損失，如：哈氏合金C-4(2.4610)。由Taiani發明的金屬疊層隔離罩取得5國專利，在許多設計中已被應用，它的效率可達99%，傳動功率 150馬力。單層陶瓷(原料:非金屬礦物)ZrO2(氧化鋯)隔離罩，耐苛性溶液，酸的腐蝕，具有高硬度和良好的滑動性能，及高的機械強度和彈性(E=2×105N/mm2)，已用于工作壓力250bar。但陶瓷罩壁厚較大，不能塑性加工。1999年初獲得美國專利的IMO泵，新的隔離罩用碳纖維與環氧樹脂制造，厚度小于2.8mm，與不銹鋼法蘭相聯。適于操作壓力31ba
R、溫度232℃，傳動扭矩407Nm，在3600r/min下功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）達 149kW。雙層隔離罩提供了雙保險和可供檢測的空間。日本IWAKI MDE系列泵雙層罩由玻璃纖維增強塑料制造。AnSimag雙層環氧樹脂隔離罩磁傳動泵為造紙廠輸送氧化鋁，運轉2年沒有更換任何部件。隔離罩焊接是結構的薄弱點和腐蝕的敏感源，先進的制造方法是塑性成型，如深拉、旋壓、延伸旋壓。軸與滑動軸承(bearing)由高耐磨性SiC制造。干運轉按慣例是無密封磁力泵的兇兆。精心的流體平衡設計，后部密封圈與葉輪孔聯合作(collaborate)用，平衡液體軸向推力減小葉輪的壓力。入口調整閥防止低流量時的預旋，減小湍流，保證低流量操作。兩個燒結 SiC軸承優化設計支承點，軸套中的螺旋槽幫助沖洗和潤滑軸徑，提供干運轉30min的保證，可使操作者有時間調整系統，恢復正常運轉，避免災難性破壞。德國ITT Richter公司的MNKA系列泵的純SiC軸承，在2900r/min下可以干運轉1h。
3.2新技術
以最優的物理尺寸保證經濟(jīng jì)有效地利用磁體的體積，靜磁脫開扭矩與溫度的相關性通過有限元計算和廣泛的試驗。軸向與徑向軸承由泵送介質(起決定作用的物質)來進行潤滑。潤滑流道提供必須的流量。新的自動調節軸承可承受大的軸向推力和徑向力。具有超群的抗腐蝕和耐磨能力的SiC或碳石墨制造的滑動軸承，它縮裝在金屬外殼內，保證機械運轉的穩定性，即使軸肩破壞(vandalism)，仍保持軸承的可靠性和可維修性。另一技術是流體平衡，使軸承所受的力限制到最小。目前內軸承的壽命可達到10000h。高溫問題：KSB熱油泵用環形冷卻器來包圍聯軸器（Coupling）室，保持磁體附近的溫度在材料最大允許溫度之下，盡管介質平均溫度是350℃。渦流型聯軸器具有獨特的 ;扭矩圈 ;設計，擴大溫度范圍至450℃不需要冷卻。專利技術—風機自動冷卻：在各種速度范圍內磁聯軸器可自動冷卻，不需要外部冷卻系統，僅用環形氣室傳動子自動完成。完全可靠性：在磁聯軸器上裝有摩檫圈以保護磁體;為防止干運轉，流量傳感器可以安裝在用戶管線上，確定斷流或低流;國外機組隨機裝備數字式功率控制監控器來確定超載條件，泄漏傳感器、溫度傳感器，使用PLC(可編程控制器)實時監控磁傳動的工作情況。連續監視外軸承的運轉間隙，監視任一球軸泵的磨損，使軸泵在損壞前及時更換。
3.3新結構
幾乎所有的磁力傳動泵均采用 ;后拉出 ;結構。整個聯軸器部件、軸承部件分別作為一個單元，拆卸時不必從管路、底坐上拆出泵殼，益于檢修服務(fú wù)。例如日本富士山膠片化學公司以前使用雙機械密封離心泵，由于化學品的腐蝕磨損,軸封至少更換一次。該密封的更換是很昂貴的，通常占泵總價值的25%，更換時間要花費5 個小時。改用Global磁傳動泵后，運行了2年完全成功。與雙機械密封相比，檢修周期增加了1倍，裝拆一次減少到15min。1997年年內全部輸送泵均更換為磁力泵，并將泵的預期壽命(不用任何服務)規定為5年。ALLweiler理智的提出無葉輪（指裝有動葉的輪盤）軸設計，葉輪安裝在SiC軸承中間，標準間隙正在申報專利。風機應用分開式電馬達，插入式套筒內軸承，無論是檢修馬達還是風機軸承均可在30min內完成。零部件大范圍的與EN22858/ISO2858、 ANSIB73.1、API610、DI
N、BS等標準泵互換。平衡按API/ISO實施。
4 先進制造技術與管理
為適應全球化競爭與合作(collaborate)，世界泵業都在發展自已的技術優勢，擴大產品范圍以適應世界大市場的多樣性、個性化需求。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區，特別是在高山區安裝時，其安裝高度應降低，否則也不能吸上水來。產品在滿足功能要求的同時，毫無疑問應充分滿足嚴格的安全性、可靠性和生態環保要求。先進制造技術是產品先進的主題。磁傳動泵的先驅者三年前推出了長遠生產方式和完全的研究計劃，最后重新設計它的裝配設備。投資100萬英鎊來擴充產品能力，又花費70萬用于新的高速加工系統，購買了6套加工中心。然而不單是用先進的機器來增加產量，重要的是建立撓性加工，減少循環時間。以往扭矩圈要圍繞工廠傳送540m，在制造鏈上要花費8~9周時間，今天，制造是家庭式的組織，許多機器均連于公司(Company)的CAD/CAM系統，工程師根據用戶迅速對標準件做出創造性改革，直接上載到加工中心。同一扭矩圈運行30m，在線上僅需要花2天時間。由于快速制造，材料泵可以很迅速交貨，某種情況下少許3天。按他們的話說 ;競爭優勢將使我們代入下世紀，開創更多商機 ;。先進的產品來自先進的設計與嚴格的試驗，3D設計與模擬，無圖紙加工，虛擬制造、快速成形都在進行。強度特別高的合金材料的冶金學試驗制作，泵體、葉輪及隔離套受強腐蝕作用確保長壽命：非磨損的 SiC軸泵的潤滑冷卻系統(Cooling System)在化學過程(guò chéng)工業中進行廣泛的試驗，包括高的系統壓力345bar，自吸和熱套設計。每一部件、組件和系統都周密地巡查和評定。 制造與需求的原則是：超前戰略性原材料;發展關鍵的供應關系;通過組織制造循環，減少制造周期;減少排隊，加速進程。筆者在網上查詢了20幾家著名的磁傳動公司，發現他們在世界各地均有子公司及銷售網。質量設計和制造由全世界技術精湛的泵發行者來決定，才能對市場戰略性地迅速作出反應。服務包括解答用戶遇到的應用問題(Emerson)，泵的選擇，特種泵專門設計，每天24小時為用戶技術咨詢。21世紀制造技術不但將繼續制造常軌條件下運行的機器與設備，而且將制造出極端環境下運行的機械設備。21世紀制造的產品應是符合生態環保，與人友好的綠色產品，磁力傳動技術正是適應這一發展態勢，讓我們借鑒國外先進經驗推動這一技術的發展吧!