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1940年英國(guó)人Charles和Geoffrey Hwward首次解決了具有危險(xiǎn)性介質(zhì)化工泵的泄漏問(wèn)題,解決的方法是用磁力驅(qū)動(dòng)泵。在以后30多年里永磁傳動(dòng)技術(shù)由于磁性材料的原因進(jìn)步十分緩慢。1983年高性能釹鐵硼(NdFeB)永磁材料的問(wèn)世,為磁力驅(qū)動(dòng)泵的快速發(fā)展提供了關(guān)鍵部件的材料。近年來(lái)永磁傳動(dòng)技術(shù)已從泵類向其它密封機(jī)械擴(kuò)展,技術(shù)上集中于提高設(shè)備的可靠性、抗介質(zhì)腐蝕新材料的研究,流體技術(shù)及制造裝配的精度。磁力泵代表著一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)的水平,近年來(lái)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)展。
永磁傳動(dòng)技術(shù)是將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)其軸上的外磁部件傳遞給工作軸上的內(nèi)磁部件,內(nèi)外磁部件由隔離罩分開(kāi),從而工作軸無(wú)須伸出所要封閉的空間,取消了動(dòng)密封,實(shí)現(xiàn)無(wú)密封、零泄漏。永磁傳動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、石油化工、醫(yī)藥、食品工業(yè)中的泵和壓縮機(jī)、攪拌機(jī)與閥門等。目前我國(guó)流體機(jī)械大量使用的傳統(tǒng)機(jī)械密封在國(guó)外的這些部門已逐漸被永磁傳動(dòng)所取代。
2 應(yīng)用領(lǐng)域拓寬、技術(shù)性能提高
2.1磁力傳動(dòng)是密封領(lǐng)域最有效最安全的解
永磁傳動(dòng)即永磁聯(lián)軸器對(duì)于需要密封的機(jī)械,對(duì)有害、有毒、污染、危險(xiǎn)、純凈、貴重的產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程是一最安全解,它的應(yīng)用范圍很寬。石油化工、醫(yī)藥、電影、電鍍、核動(dòng)力等行業(yè)中的液體大都具有腐蝕性、易燃、易爆、有毒、貴重,泄漏會(huì)帶來(lái)工作液體的浪費(fèi)與環(huán)境污染;真空、半導(dǎo)體工業(yè)要防止外界氣體的侵入:飲食、醫(yī)藥要保證介質(zhì)的純凈衛(wèi)生。永磁傳動(dòng)技術(shù)在這些領(lǐng)域找到了用武之地。英國(guó)Howard機(jī)械發(fā)展有限公司(HMD)從1946年就致力于無(wú)密封泵的制造,至今在全世界37個(gè)國(guó)家已銷售近7萬(wàn)臺(tái),每年銷售額達(dá)28百萬(wàn)英鎊。美國(guó)一家制藥廠有上百個(gè)裝有機(jī)械密封的離心泵,處理各種酸類,這些泵由于設(shè)計(jì)問(wèn)題常常干運(yùn)轉(zhuǎn),僅能使用2~3個(gè)月就自行破壞,換用了Ansimag公司生產(chǎn)的K1516系列磁傳動(dòng)泵,自1993年投入運(yùn)行(每天操作4.8小時(shí)每年365天)至1998年還在運(yùn)行。美國(guó)中西部的容器板廠,合成苛性納是回轉(zhuǎn)葉片泵密封的極大問(wèn)題,這里的工程師稱這些泵是“維護(hù)黑夜里的天”安裝了Ansimag公司的ETFE襯里無(wú)密封磁力泵,運(yùn)行11個(gè)月沒(méi)有停機(jī)。美國(guó)一大型化工廠面臨著輸送甲醇的嚴(yán)重困難。因甲醇易燃,60℃接近沸騰,流量?jī)H7m3/h,壓差高達(dá)250m。問(wèn)題的解決靠的是Dickow磁傳動(dòng)多級(jí)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(wèn)題。
2.2磁力泵在技術(shù)性能上向微型,大型化發(fā)展
為滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需要,石油化工公司成套設(shè)備向大型化發(fā)展,我國(guó)必須有一批年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)的煉油廠、百萬(wàn)噸級(jí)的乙烯裝置。機(jī)械裝備要滿足重負(fù)荷、長(zhǎng)周期、低能耗,并符合環(huán)保要求。我國(guó)在仿制國(guó)外產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn),制造磁力泵的材質(zhì)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(wú)法讓用戶接受。對(duì)于耐強(qiáng)腐蝕、高壓、高溫的大功率泵尚屬空白。目前磁力泵的發(fā)展極限應(yīng)由HMD公司的產(chǎn)品來(lái)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(tǒng)壓力從真空到400bar,原動(dòng)機(jī)功率達(dá)350kW。微型泵是專門為某些部門研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的,例如激光器的冷卻、分析儀器的供料、化學(xué)劑的補(bǔ)充、生物工程、冷卻循環(huán),以至于打印機(jī)的噴嘴等。齒輪泵與電機(jī)一體化封閉聯(lián)接,適用24V、36V直流電源,速度人工自動(dòng)控制。最低流量為10ml/min,壓差7bar。日本Iwaki公司為電鍍、冷卻循環(huán)用的MD系列微型磁力傳動(dòng)齒輪泵的流量范圍是7.5~288L/min,傳動(dòng)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(dòng)泵
離心泵是磁力泵的主導(dǎo)產(chǎn)品,磁傳動(dòng)回轉(zhuǎn)位移泵雖有25年的歷史,僅近七八年在設(shè)計(jì)制造水平以及大扭矩能力方面才有廣泛的基礎(chǔ)。重點(diǎn)是磁力傳動(dòng)齒輪泵與螺桿泵,最大傳動(dòng)能力達(dá)400Nm,轉(zhuǎn)速3500r/min時(shí)功率為150kW。地處美國(guó)邊界猶地州氣體動(dòng)力廠,透平壓縮機(jī)的潤(rùn)滑泵是常軌的外嚙合齒輪泵。油泵因高壓差平均每?jī)蓚(gè)月便過(guò)度磨損而報(bào)廢,造成壓縮機(jī)關(guān)閉。1992年改用磁傳動(dòng)三螺桿泵齒輪泵為Scottish公司的過(guò)程水系統(tǒng)中泵入添加劑,該泵取代了螺桿泵,符合衛(wèi)生安全條例。
2.4磁力傳動(dòng)壓縮機(jī)
磁力傳動(dòng)的內(nèi)軸承位于所密封的空間內(nèi),它用密封的介質(zhì)潤(rùn)滑和冷卻。鑒于我國(guó)材料制造水平,磁力傳動(dòng)在氣體輸送機(jī)械中尚未應(yīng)用。加拿大Nova磁有限公司生產(chǎn)的超壓風(fēng)機(jī),在170bar氦氣壓力下,泄漏率小1cm3/h,軸承壽命超過(guò)10000h。另一系列的加壓風(fēng)機(jī),自由排放流量750m3/h,在400m3/h流量時(shí)系統(tǒng)壓差35MPa,實(shí)現(xiàn)了零泄漏。此外,磁傳動(dòng)的特殊性能同樣應(yīng)用于無(wú)泄漏的攪拌器、閥門等設(shè)備。在冷凍機(jī)中的應(yīng)用還未得到相關(guān)信息,筆者為實(shí)現(xiàn)將磁力傳動(dòng)應(yīng)用于冷凍壓縮機(jī)正在作探索工作,因冷凍劑尤其是氟里昂的外泄會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。
3 新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)
磁力傳動(dòng)技術(shù)并非只是簡(jiǎn)單的利用磁體的同性相斥、異性相吸作用,它是傳動(dòng)技術(shù)、材料技術(shù)、制造技術(shù)的集成。世界一流的專業(yè)生產(chǎn)廠,他們的產(chǎn)品在世界享有聲譽(yù),以至于我們無(wú)法仿制,其原因就在如此。現(xiàn)在這些“老手”還在進(jìn)行效率和質(zhì)量的改進(jìn),減少成本,延長(zhǎng)兩次檢修之間的平均時(shí)間。
3.1新材料、新工藝
磁性材料的選用各國(guó)基本認(rèn)識(shí)統(tǒng)一,NdFeB材料工作溫度低于150℃,SmCo材料工作溫度低于250℃,對(duì)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(duì)一切液體都是不銹的,它主要用于與其兼容的過(guò)程液體、貴重液體、超純凈液體。非金屬是專門為腐蝕性應(yīng)用而研制的。它又分為2種情況。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(guó)Vanton CGM泵流量為136m3/h,揚(yáng)程84m(溫度135℃),電機(jī)功率32kW。其二是襯里泵,是目前流行的耐腐蝕泵內(nèi)襯塑料的一種方法。一般泵體可用可鍛鑄鐵制造,F(xiàn)EP、PP、PFA、PVDF、ETFE無(wú)縫襯里。Magnetix新的MTA系列無(wú)密封泵與其它襯里泵的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用了它的先進(jìn)PFA氟聚合物襯里,PFA以它獨(dú)特的廣泛的耐化學(xué)劑腐蝕的能力,比ETFE,PVDF或其它非金屬材料而聞名。采用專利技術(shù):澆鑄壓膜工藝,聯(lián)接的PFA襯里厚而均勻,與旋轉(zhuǎn)模鑄相競(jìng)爭(zhēng)。應(yīng)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(guān)鍵部件,它的破裂會(huì)導(dǎo)致流體泄漏發(fā)生災(zāi)難性的危害。單層金屬封罩應(yīng)用范圍很廣,盡管渦流會(huì)產(chǎn)生熱量有能量損失,若采用高強(qiáng)度、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(fā)明的金屬疊層隔離罩取得5國(guó)專利,在許多設(shè)計(jì)中已被應(yīng)用,它的效率可達(dá)99%,傳動(dòng)功率150馬力。單層陶瓷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(dòng)性能,及高的機(jī)械強(qiáng)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(guó)專利的IMO泵,新的隔離罩用碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂制造,厚度小于2.8mm,與不銹鋼法蘭相聯(lián)。適于操作壓力31bar、溫度232℃,傳動(dòng)扭矩407Nm,在3600r/min下功率達(dá)149kW。雙層隔離罩提供了雙保險(xiǎn)和可供檢測(cè)的空間。日本IWAKI MDE系列泵雙層罩由玻璃纖維增強(qiáng)塑料制造。AnSimag雙層環(huán)氧樹(shù)脂隔離罩磁傳動(dòng)泵為造紙廠輸送氧化鋁,運(yùn)轉(zhuǎn)2年沒(méi)有更換任何部件。隔離罩焊接是結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)和腐蝕的敏感源,先進(jìn)的制造方法是塑性成型,如深拉、旋壓、延伸旋壓。軸與滑動(dòng)軸承由高耐磨性SiC制造。干運(yùn)轉(zhuǎn)按慣例是無(wú)密封磁力泵的兇兆。精心的流體平衡設(shè)計(jì),后部密封圈與葉輪孔聯(lián)合作用,平衡液體軸向推力減小葉輪的壓力。入口調(diào)整閥防止低流量時(shí)的預(yù)旋,減小湍流,保證低流量操作。兩個(gè)燒結(jié)SiC軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)支承點(diǎn),軸套中的螺旋槽幫助沖洗和潤(rùn)滑軸徑,提供干運(yùn)轉(zhuǎn)30min的保證,可使操作者有時(shí)間調(diào)整系統(tǒng),恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn),避免災(zāi)難性破壞。德國(guó)ITT Richter公司的MNKA系列泵的純SiC軸承,在2900r/min下可以干運(yùn)轉(zhuǎn)1h。
3.2新技術(shù)
以最優(yōu)的物理尺寸保證經(jīng)濟(jì)有效地利用磁體的體積,靜磁脫開(kāi)扭矩與溫度的相關(guān)性通過(guò)有限元計(jì)算和廣泛的試驗(yàn)。軸向與徑向軸承由泵送介質(zhì)來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)滑流道提供必須的流量。新的自動(dòng)調(diào)節(jié)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(dòng)軸承,它縮裝在金屬外殼內(nèi),保證機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性,即使軸肩破壞,仍保持軸承的可靠性和可維修性。另一技術(shù)是流體平衡,使軸承所受的力限制到最小。目前內(nèi)軸承的壽命可達(dá)到10000h。高溫問(wèn)題:KSB熱油泵用環(huán)形冷卻器來(lái)包圍聯(lián)軸器室,保持磁體附近的溫度在材料最大允許溫度之下,盡管介質(zhì)平均溫度是350℃。HMD的渦流型聯(lián)軸器具有獨(dú)特的“扭矩圈”設(shè)計(jì),擴(kuò)大溫度范圍至450℃不需要冷卻。專利技術(shù)—風(fēng)機(jī)自動(dòng)冷卻:在各種速度范圍內(nèi)磁聯(lián)軸器可自動(dòng)冷卻,不需要外部冷卻系統(tǒng),僅用環(huán)形氣室傳動(dòng)子自動(dòng)完成。完全可靠性:在磁聯(lián)軸器上裝有摩檫圈以保護(hù)磁體;為防止干運(yùn)轉(zhuǎn),流量傳感器可以安裝在用戶管線上,確定斷流或低流;國(guó)外機(jī)組隨機(jī)裝備數(shù)字式功率控制監(jiān)控器來(lái)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(shí)時(shí)監(jiān)控磁傳動(dòng)的工作情況。連續(xù)監(jiān)視外軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙,監(jiān)視任一球軸泵的磨損,使軸泵在損壞前及時(shí)更換。
3.3新結(jié)構(gòu)
幾乎所有的磁力傳動(dòng)泵均采用“后拉出”結(jié)構(gòu)。整個(gè)聯(lián)軸器部件、軸承部件分別作為一個(gè)單元,拆卸時(shí)不必從管路、底坐上拆出泵殼,益于檢修服務(wù)。例如日本富士山膠片化學(xué)公司以前使用雙機(jī)械密封離心泵,由于化學(xué)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(jià)值的25%,更換時(shí)間要花費(fèi)5個(gè)小時(shí)。改用Global磁傳動(dòng)泵后,運(yùn)行了2年完全成功。與雙機(jī)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(nèi)全部輸送泵均更換為磁力泵,并將泵的預(yù)期壽命(不用任何服務(wù))規(guī)定為5年。ALLweiler理智的提出無(wú)葉輪軸設(shè)計(jì),葉輪安裝在SiC軸承中間,標(biāo)準(zhǔn)間隙正在申報(bào)專利。風(fēng)機(jī)應(yīng)用分開(kāi)式電馬達(dá),插入式套筒內(nèi)軸承,無(wú)論是檢修馬達(dá)還是風(fēng)機(jī)軸承均可在30min內(nèi)完成。零部件大范圍的與EN22858/ISO2858、ANSIB73.1、API610、DIN、BS等標(biāo)準(zhǔn)泵互換。平衡按API/ISO實(shí)施。
4 先進(jìn)制造技術(shù)與管理
為適應(yīng)全球化競(jìng)爭(zhēng)與合作,世界泵業(yè)都在發(fā)展自已的技術(shù)優(yōu)勢(shì),擴(kuò)大產(chǎn)品范圍以適應(yīng)世界大市場(chǎng)的多樣性、個(gè)性化需求。產(chǎn)品在滿足功能要求的同時(shí),毫無(wú)疑問(wèn)應(yīng)充分滿足嚴(yán)格的安全性、可靠性和生態(tài)環(huán)保要求。先進(jìn)制造技術(shù)是產(chǎn)品先進(jìn)的主題。磁傳動(dòng)泵的先驅(qū)者HMD三年前推出了長(zhǎng)遠(yuǎn)生產(chǎn)方式和完全的研究計(jì)劃,最后重新設(shè)計(jì)它的裝配設(shè)備。投資100萬(wàn)英鎊來(lái)擴(kuò)充HMD的產(chǎn)品能力,又花費(fèi)70萬(wàn)用于新的高速加工系統(tǒng),購(gòu)買了6套加工中心。然而不單是用先進(jìn)的機(jī)器來(lái)增加產(chǎn)量,重要的是建立撓性加工,減少循環(huán)時(shí)間。以往扭矩圈要圍繞工廠傳送540m,在制造鏈上要花費(fèi)8~9周時(shí)間,今天,制造是家庭式的組織,許多機(jī)器均連于公司的CAD/CAM系統(tǒng),工程師根據(jù)用戶迅速對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件做出創(chuàng)造性改革,直接上載到加工中心。同一扭矩圈運(yùn)行30m,在線上僅需要花2天時(shí)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(shuō)“競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將使我們代入下世紀(jì),開(kāi)創(chuàng)更多商機(jī)”。先進(jìn)的產(chǎn)品來(lái)自先進(jìn)的設(shè)計(jì)與嚴(yán)格的試驗(yàn),3D設(shè)計(jì)與模擬,無(wú)圖紙加工,虛擬制造、快速成形都在進(jìn)行。高強(qiáng)度合金材料的冶金學(xué)試驗(yàn)制作,泵體、葉輪及隔離套受強(qiáng)腐蝕作用確保長(zhǎng)壽命:非磨損的SiC軸泵的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)在化學(xué)過(guò)程工業(yè)中進(jìn)行廣泛的試驗(yàn),包括高的系統(tǒng)壓力345bar,自吸和熱套設(shè)計(jì)。每一部件、組件和系統(tǒng)都周密地檢查和評(píng)定。HMD認(rèn)為制造與需求的原則是:超前戰(zhàn)略性原材料;發(fā)展關(guān)鍵的供應(yīng)關(guān)系;通過(guò)組織制造循環(huán),減少制造周期;減少排隊(duì),加速進(jìn)程。筆者在網(wǎng)上查詢了20幾家著名的磁傳動(dòng)公司,發(fā)現(xiàn)他們?cè)谑澜绺鞯鼐凶庸炯颁N售網(wǎng)。質(zhì)量設(shè)計(jì)和制造由全世界技術(shù)精湛的泵發(fā)行者來(lái)決定,才能對(duì)市場(chǎng)戰(zhàn)略性地迅速作出反應(yīng)。服務(wù)包括解答用戶遇到的應(yīng)用問(wèn)題,泵的選擇,特種泵專門設(shè)計(jì),每天24小時(shí)為用戶技術(shù)咨詢。21世紀(jì)制造技術(shù)不但將繼續(xù)制造常軌條件下運(yùn)行的機(jī)器與設(shè)備,而且將制造出極端環(huán)境下運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備。21世紀(jì)制造的產(chǎn)品應(yīng)是符合生態(tài)環(huán)保,與人友好的綠色產(chǎn)品,磁力傳動(dòng)技術(shù)正是適應(yīng)這一發(fā)展態(tài)勢(shì),讓我們借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)推動(dòng)這一技術(shù)的發(fā)展吧!
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