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国外永磁传动技术的新发展

行业聚焦点中国仪表网2009年08月27日 08:36人气:4377

1引言

1940年英国人Charles和Geoffrey Hwward首次解决了具有危险性介质化工泵的泄漏问题,解决的方法是用磁力驱动泵。在以后30多年里永磁传动技术由于磁性材料的原因进步十分缓慢。1983年高性能钕铁硼(NdFeB)永磁材料的问世,为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。近年来永磁传动技术已从泵类向其它密封机械扩展,技术上集中于提高设备的可靠性、抗介质腐蚀新材料的研究,流体技术及制造装配的精度。磁力泵代表着一个国家制造技术的水平,近年来工业发达国家的磁力泵在效率、寿命、制造周期、成本、可靠性等方面有了突破性的进展。

永磁传动技术是将原动机的动力通过其轴上的外磁部件传递给工作轴上的内磁部件,内外磁部件由隔离罩分开,从而工作轴无须伸出所要封闭的空间,取消了动密封,实现无密封、零泄漏。永磁传动技术主要应用于化学工业、石油化工、医药、食品工业中的泵和压缩机、搅拌机与阀门等。目前我国流体机械大量使用的传统机械密封在国外的这些部门已逐渐被永磁传动所取代。

2 应用领域拓宽、技术性能提高

2.1磁力传动是密封领域最有效最安全的解
永磁传动即永磁联轴器对于需要密封的机械,对有害、有毒、污染、危险、纯净、贵重的产品和生产过程是一最安全解,它的应用范围很宽。石油化工、医药、电影、电镀、核动力等行业中的液体大都具有腐蚀性、易燃、易爆、有毒、贵重,泄漏会带来工作液体的浪费与环境污染;真空、半导体工业要防止外界气体的侵入:饮食、医药要保证介质的纯净卫生。永磁传动技术在这些领域找到了用武之地。英国Howard机械发展有限公司(HMD)从1946年就致力于无密封泵的制造,至今在全世界37个国家已销售近7万台,每年销售额达28百万英镑[1]。美国一家制药厂有上百个装有机械密封的离心泵,处理各种酸类,这些泵由于设计问题常常干运转,仅能使用2~3个月就自行破坏,换用了Ansimag公司生产的K1516系列磁传动泵,自1993年投入运行(每天操作4.8小时每年365天)至1998年还在运行[2]。美国中西部的容器板厂,合成苛性纳是回转叶片泵密封的极大问题,这里的工程师称这些泵是“维护黑夜里的天”安装了Ansimag公司的ETFE衬里无密封磁力泵,运行11个月没有停机[3]。美国一大型化工厂面临着输送甲醇的严重困难。因甲醇易燃,60℃接近沸腾,流量仅7m3/h,压差高达250m。问题的解决靠的是Dickow磁传动多级端吸泵,它的流量是15m3/h,压差400m,确保了甲醇的零泄漏,保证操作人员与工厂的安全,并解决了甲醇中含有气泡输送问题[4]。

2.2磁力泵在技术性能上向微型,大型化发展
为满足国内外市场需要,石油化工公司成套设备向大型化发展,我国必须有一批年产千万吨级的炼油厂、百万吨级的乙烯装置。机械装备要满足重负荷、长周期、低能耗,并符合环保要求。我国在仿制国外产品中发现,制造磁力泵的材质和工艺要求是很高的。即使11~13kW的中小功率泵,其可靠性制造成本也无法让用户接受。对于耐强腐蚀、高压、高温的大功率泵尚属空白。目前磁力泵的发展极限应由HMD公司的产品来描述:流量由1m3/h到681m3/h,压差由10m到500m,温度范围由-100℃到450℃,系统压力从真空到400bar,原动机功率达350kW。微型泵是专门为某些部门研究开发出来的,例如激光器的冷却、分析仪器的供料、化学剂的补充、生物工程、冷却循环,以至于打印机的喷嘴等。齿轮泵与电机一体化封闭联接,适用24V、36V直流电源,速度人工自动控制。最低流量为10ml/min,压差7bar。日本Iwaki公司为电镀、冷却循环用的MD系列微型磁力传动齿轮泵的流量范围是7.5~288L/min,传动功率1/25~1/3马力。
2.3各种类型的泵均可改造为磁力传动泵
离心泵是磁力泵的主导产品,磁传动回转位移泵虽有25年的历史,仅近七八年在设计制造水平以及大扭矩能力方面才有广泛的基础。重点是磁力传动齿轮泵与螺杆泵,最大传动能力达400Nm,转速3500r/min时功率为150kW。地处美国边界犹地州气体动力厂,透平压缩机的润滑泵是常轨的外啮合齿轮泵。油泵因高压差平均每两个月便过度磨损而报废,造成压缩机关闭。1992年改用磁传动三螺杆泵后,一直连续运转,不用任何维护。英国Tuthill成功地应用了它的磁传动齿轮泵为Scottish公司的过程水系统中泵入添加剂,该泵取代了螺杆泵,符合卫生安全条例。
2.4磁力传动压缩机
磁力传动的内轴承位于所密封的空间内,它用密封的介质润滑和冷却。鉴于我国材料制造水平,磁力传动在气体输送机械中尚未应用。加拿大Nova磁有限公司生产的超压风机,在170bar氦气压力下,泄漏率小1cm3/h,轴承寿命超过10000h。另一系列的加压风机,自由排放流量750m3/h,在400m3/h流量时系统压差35MPa,实现了零泄漏。此外,磁传动的特殊性能同样应用于无泄漏的搅拌器、阀门等设备。在冷冻机中的应用还未得到相关信息,笔者为实现将磁力传动应用于冷冻压缩机正在作探索工作,因冷冻剂尤其是氟里昂的外泄会造成严重的环境问题。

3 新技术、新工艺、新结构

磁力传动技术并非只是简单的利用磁体的同性相斥、异性相吸作用,它是传动技术、材料技术、制造技术的集成。世界一流的专业生产厂,他们的产品在世界享有声誉,以至于我们无法仿制,其原因就在如此。现在这些“老手”还在进行效率和质量的改进,减少成本,延长两次检修之间的平均时间。
3.1新材料、新工艺
磁性材料的选用各国基本认识统一,NdFeB材料工作温度低于150℃,SmCo材料工作温度低于250℃,对于微型泵可选用钡铁氧体。泵体材料分金属、非金属两大类。金属不锈钢不意味着对一切液体都是不锈的,它主要用于与其兼容的过程液体、贵重液体、超纯净液体。非金属是专门为腐蚀性应用而研制的。它又分为2种情况。其一是纯塑料泵,用纯聚丙稀或乙烯氟化物热塑铸模。如英国Vanton CGM泵流量为136m3/h,扬程84m(温度135℃),电机功率32kW。其二是衬里泵,是目前流行的耐腐蚀泵内衬塑料的一种方法。一般泵体可用可锻铸铁制造,FEP、PP、PFA、PVDF、ETFE无缝衬里。Magnetix新的MTA系列无密封泵与其它衬里泵的关键优势是应用了它的先进PFA氟聚合物衬里,PFA以它独特的广泛的耐化学剂腐蚀的能力,比ETFE,PVDF或其它非金属材料而闻名。采用专利技术:浇铸压膜工艺,联接的PFA衬里厚而均匀,与旋转模铸相竞争。应用于高纯度和高温流体更为理想。ISO泵PTFE衬里最小厚度3mm,用榫槽压入泵壳,泵壳用硼硅玻璃制造。隔离罩是密封的关键部件,它的破裂会导致流体泄漏发生灾难性的危害。单层金属封罩应用范围很广,尽管涡流会产生热量有能量损失,若采用高强度、高电阻材料可以限制到最小损失,如:哈氏合金C-4(2.4610)。由Taiani发明的金属叠层隔离罩取得5国专利,在许多设计中已被应用,它的效率可达99%,传动功率150马力。单层陶瓷ZrO2(氧化锆)隔离罩,耐苛性溶液,酸的腐蚀,具有高硬度和良好的滑动性能,及高的机械强度和弹性(E=2×105N/mm2),已用于工作压力250bar。但陶瓷罩壁厚较大,不能塑性加工。1999年初获得美国专利的IMO泵,新的隔离罩用碳纤维与环氧树脂制造,厚度小于2.8mm,与不锈钢法兰相联。适于操作压力31bar、温度232℃,传动扭矩407Nm,在3600r/min下功率达149kW。双层隔离罩提供了双保险和可供检测的空间。日本IWAKI MDE系列泵双层罩由玻璃纤维增强塑料制造。AnSimag双层环氧树脂隔离罩磁传动泵为造纸厂输送氧化铝,运转2年没有更换任何部件。隔离罩焊接是结构的薄弱点和腐蚀的敏感源,先进的制造方法是塑性成型,如深拉、旋压、延伸旋压。轴与滑动轴承由高耐磨性SiC制造。干运转按惯例是无密封磁力泵的凶兆。精心的流体平衡设计,后部密封圈与叶轮孔联合作用,平衡液体轴向推力减小叶轮的压力。入口调整阀防止低流量时的预旋,减小湍流,保证低流量操作。两个烧结SiC轴承优化设计支承点,轴套中的螺旋槽帮助冲洗和润滑轴径,提供干运转30min的保证,可使操作者有时间调整系统,恢复正常运转,避免灾难性破坏。德国ITT Richter公司的MNKA系列泵的纯SiC轴承,在2900r/min下可以干运转1h。

3.2新技术
以最优的物理尺寸保证经济有效地利用磁体的体积,静磁脱开扭矩与温度的相关性通过有限元计算和广泛的试验。轴向与径向轴承由泵送介质来进行润滑。润滑流道提供必须的流量。新的自动调节轴承可承受大的轴向推力和径向力。具有超群的抗腐蚀和耐磨能力的SiC或碳石墨制造的滑动轴承,它缩装在金属外壳内,保证机械运转的稳定性,即使轴肩破坏,仍保持轴承的可靠性和可维修性。另一技术是流体平衡,使轴承所受的力限制到最小。目前内轴承的寿命可达到10000h。高温问题:KSB热油泵用环形冷却器来包围联轴器室,保持磁体附近的温度在材料最大允许温度之下,尽管介质平均温度是350℃。HMD的涡流型联轴器具有独特的“扭矩圈”设计,扩大温度范围至450℃不需要冷却。专利技术—风机自动冷却:在各种速度范围内磁联轴器可自动冷却,不需要外部冷却系统,仅用环形气室传动子自动完成。完全可靠性:在磁联轴器上装有摩檫圈以保护磁体;为防止干运转,流量传感器可以安装在用户管线上,确定断流或低流;国外机组随机装备数字式功率控制监控器来确定超载条件,泄漏传感器、温度传感器,使用PLC(可编程控制器)实时监控磁传动的工作情况。连续监视外轴承的运转间隙,监视任一球轴泵的磨损,使轴泵在损坏前及时更换。

3.3新结构
几乎所有的磁力传动泵均采用“后拉出”结构。整个联轴器部件、轴承部件分别作为一个单元,拆卸时不必从管路、底坐上拆出泵壳,益于检修服务。例如日本富士山胶片化学公司以前使用双机械密封离心泵,由于化学品的腐蚀磨损,轴封至少一个?????????更换一次。该密封的更换是很昂贵的,通常占泵总价值的25%,更换时间要花费5个小时。改用Global磁传动泵后,运行了2年完全成功。与双机械密封相比,检修周期增加了1倍,装拆一次减少到15min。1997年年内全部输送泵均更换为磁力泵,并将泵的预期寿命(不用任何服务)规定为5年。ALLweiler理智的提出无叶轮轴设计,叶轮安装在SiC轴承中间,标准间隙正在申报专利。风机应用分开式电马达,插入式套筒内轴承,无论是检修马达还是风机轴承均可在30min内完成。零部件大范围的与EN22858/ISO2858、ANSIB73.1、API610、DIN、BS等标准泵互换。平衡按API/ISO实施。

4 先进制造技术与管理

为适应全球化竞争与合作,世界泵业都在发展自已的技术优势,扩大产品范围以适应世界大市场的多样性、个性化需求。产品在满足功能要求的同时,毫无疑问应充分满足严格的安全性、可靠性和生态环保要求。先进制造技术是产品先进的主题。磁传动泵的先驱者HMD三年前推出了长远生产方式和完全的研究计划,最后重新设计它的装配设备。投资100万英镑来扩充HMD的产品能力,又花费70万用于新的高速加工系统,购买了6套加工中心。然而不单是用先进的机器来增加产量,重要的是建立挠性加工,减少循环时间。以往扭矩圈要围绕工厂传送540m,在制造链上要花费8~9周时间,今天,制造是家庭式的组织,许多机器均连于公司的CAD/CAM系统,工程师根据用户迅速对标准件做出创造性改革,直接上载到加工中心。同一扭矩圈运行30m,在线上仅需要花2天时间。由于快速制造,材料泵可以很迅速交货,某种情况下少许3天。按他们的话说“竞争优势将使我们代入下世纪,开创更多商机”。[1]先进的产品来自先进的设计与严格的试验,3D设计与模拟,无图纸加工,虚拟制造、快速成形都在进行。高强度合金材料的冶金学试验制作,泵体、叶轮及隔离套受强腐蚀作用确保长寿命:非磨损的SiC轴泵的润滑冷却系统在化学过程工业中进行广泛的试验,包括高的系统压力345bar,自吸和热套设计。每一部件、组件和系统都周密地检查和评定。HMD认为制造与需求的原则是:超前战略性原材料;发展关键的供应关系;通过组织制造循环,减少制造周期;减少排队,加速进程。笔者在网上查询了20几家著名的磁传动公司,发现他们在世界各地均有子公司及销售网。质量设计和制造由全世界技术精湛的泵发行者来决定,才能对市场战略性地迅速作出反应。服务包括解答用户遇到的应用问题,泵的选择,特种泵专门设计,每天24小时为用户技术咨询。21世纪制造技术不但将继续制造常轨条件下运行的机器与设备,而且将制造出极端环境下运行的机械设备。21世纪制造的产品应是符合生态环保,与人友好的绿色产品,磁力传动技术正是适应这一发展态势,让我们借鉴国外先进经验推动这一技术的发展吧!
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