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國(guó)外永磁傳動(dòng)技術(shù)的新發(fā)展
國(guó)外永磁傳動(dòng)技術(shù)的新發(fā)展 New Development on Magnetic Drive in Foreign Country
撫順石油學(xué)院 王 玉 良
Wang Yuliang
摘 要:綜述了國(guó)外永磁傳動(dòng)技術(shù)的最新發(fā)展。應(yīng)用領(lǐng)域拓寬、技術(shù)性能提高；出現(xiàn)一些新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)；應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)與管理，使磁力泵更加高效、可靠與耐用。
關(guān)鍵詞:永磁傳動(dòng) 技術(shù) 材料 結(jié)構(gòu) 應(yīng)用
Abstract：New development on magnetic driving in foreign country is synthetically reviewed.
Applications field is become wide and technical property is improved; New technique,
technology and construction appear; Magnetic drive pumps become high efficiency,
rliability and long life by using advanced manufacture technique and management.
Key words：magnetic drive; Mag-drive pumps; new technique.
[中圖分類號(hào)]TM351 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B 文章編號(hào) 1561-0330(2003)07-00
1引言
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，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[1]。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[2]。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)月沒有停機(jī)[3]。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題[4]。
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)三螺桿泵后，一直連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不用任何維護(hù)。英國(guó)Tuthill成功地應(yīng)用了它的磁傳動(dòng)齒輪泵為Scottish公司的過程水系統(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�，F(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，靜磁脫開扭矩與溫度的相關(guān)性通過有限元計(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,軸封至少一個(gè)?????????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“競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將使我們代入下世紀(jì)，開創(chuàng)更多商機(jī)”。[1]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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[4]Michael Smith. Side Channel Pump Solves Methanol Transfer Problem[J]. Wed Page, 2001.
作者簡(jiǎn)介
王玉良(1943-) 男 教授 1967年畢業(yè)于東北工學(xué)院冶金機(jī)械專業(yè)。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)教學(xué)與科研工作，重點(diǎn)是磁性材料的應(yīng)用，并取得了3項(xiàng)專利。出版著作3部，發(fā)表論文30余篇。
摘自：《變頻器世界》2003年 第七期
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