磁力传动与绝对密封

抚顺石油学院学报JOURNALOFFUSHUNPETROLEUMINSTITUTE1999年第19卷第1期Vol.19No.11999磁力传动与绝对密封王玉良摘要磁力传动应用永磁传动原理，实现原动机与工作机之间的非机械连接，可向一切密封空间传动回转部件，变动密封为静密封，实现了零泄漏和绝对密封，文章揭示了传动与密封原理，综述了国内外磁力驱动泵的生产与市场情况，简介了该项技术应用于泵、阀、釜中的研究成果。针对我国在该领域存在的技术关键，提出建设性意见与发展战略。关键词密封；磁力传动；绝动密封中图分类号TH139MagneticDrivingandAbsoluteSealsWangYuliang(DepartmentofMechanicalEngineering,FushunPetroleumInstitute,LiaoningFushun113001)AbstractThemagneticdriving,whichisderivedfromthepermanentmagneticalprinciple,transmitsrotatortoclosedvesselsandrealizesno-mechanicalconnectionofdrivinganddrivenmachine.Italsochangesdynamicsealintostaticoneandachievesabsoluteseal.Theprincipleofdrivingandsealisexplained.Themanufactureandmarketofthemagneticpumpsaresummarized.Theresearchingresultsshowthatapplyingmagneticdrivingtopumps,valvesandreactorsisabstracted.SomekeytechnologyaboutMDSisputforward.KeywordsSeals;Magneticdriving;Absoluteseal密封装置是用来防止液体、固体或气体泄漏，外部介质进入密封空间内的机械部件。除满足操作要求外，现代密封装置还要满足环境、安全和健康方面的要求。众多的密封部件可分为两大类：静密封和动密封(图1)。静密封只要选择适当的垫片材料和类型，确定螺栓的预紧力可以达到理想的密封效果。动密封(分为旋转密封和往复密封)尤其是旋转密封是流体密封的主要部分，受到工程界的广泛重视，目前在密封理论、密封产品和密封系统等3个方面有很大进展。填料密封有一定量的泄漏且高速下效果差等问题，使用领域日趋缩小，被压缩填料密封所取代。机械密封在泵业获得了广泛的应用，尤其是集装式密封，它易于安装和维护，又安全可靠。金属波纹管双端面密封与冲洗、封液系统联合使用，对防止危险性介质的泄漏十分有效。随着生产的发展，苛刻工况如高真空、高压、高温、强腐蚀等条件给密封界提出了难题。现有的动密封件都存在不同程度的泄漏和磨损。泄漏带来污染和浪费，危及人体健康和产品质量，严重会导至火灾、爆炸和人身伤亡等重大事故。磨损给维修造成麻烦。如果在设计的机器中，取消动密封或者说变动密封为静密封，则是密封技术的重大突破。这种密封传动作者称之为封闭型传动。封闭型传动目前获得工业应用的主要有磁力传动、封闭型谐波齿轮传动、曲轴波纹管传动。而磁力传动却占有很大的份额。页码，1/6抚顺石油学院学报9901152006-11-21图1密封分类1磁力传动与绝对密封的原理1.1磁力传动原理永磁传动(通称磁力传动)与机械传动、液力传动、电力传动一样，可实现原动机与工作机之间的连接与同步旋转。它们之间的区别在于传递动力的介质不同。永磁传动借助永久磁体的同极相斥、异极相吸原理制成永磁联轴器和传动器来传递圆周运动和线性位移。图2为一简单的圆盘型永磁传动机，每半联轴器端面上装有m个(偶数)环形磁块，磁极呈正反交替排列。为说明问题起见，将磁极展成直线排列(平面模型于图3)。静止时磁极自动对中、异性相吸，磁极间夹角=0，此时无传动力矩，随着角增加，传动扭矩增加，当主、从动轴的相位夹角时传动力矩最大。一般，此时传动的圆周力=1+2。传动扭矩。图2永磁传动机1原动机；2永磁连轴器；3工作机；4隔板页码，2/6抚顺石油学院学报9901152006-11-21图3平面模型式中：1——主动盘对从动盘单对磁极的吸力；2——主动盘对从动盘单对磁极的斥力；R——磁环的平均半径。磁力传动的成败，关键因素之一是传动扭矩计算的准确性。扭矩的大小取决于磁性材料的磁性能、几何尺寸、磁极个数、排数、气隙、传动半径诸因素。因强磁材料价格偏贵，设计中应考虑用较少的材料来传递较大的扭矩、显然要用优化的方法来解决。1.2密封原理流体动力机械的泄漏问题一直是密封要解决的技术问题。常规的密封是利用密封件填塞、分隔泄漏点，阻止密封室内流体溢出，称之为动密封。动密封很难作到绝对不漏，即使实现零泄漏，密封装置要更换频繁，密封系统复杂。永磁传动是靠磁力线将原动机与从动机联系起来，两者之间不需任何机械联接，因此可用隔板分开，形成两个空间(如图2)。工作机械传动轴不需伸出机壳，因而淘汰了诸如填料密封、机械密封、流体密封等形式的轴封件，变动密封为静密封。也称之为全封闭、无密封。只要隔板与机体法兰间放置垫片，拧紧法兰，可实现零泄漏或绝对密封。它的结构简单，易于制造和装配，使用寿命长，彻底解决了磨损与泄漏问题。2磁力传动在泵、阀、釜中的应用磁力传动在石油化工、真空、航天、潜水、饮食、医药、电影、电镀、电器开关等行业已得到应用。成功应用之一是永磁联轴器与泵的结合——磁力泵。国外泵业在80年代最重要的技术进步是在无密封领域，工业发达国家加强了放射性污染的控制，公众环境意识的增强，过程设备的管理者一直在关注改善装置的安全性并且为操作人员净化工作环境。工程介质的浪费和污水处理要花费昂贵的代价，无密封泵所具备的优势已促使用户在许多领域中选用这类泵。越来越多的泵制造商在其产品系列中增添了无密封泵。据有关资料显示［1］，在过去几年里，无密封离心泵的销售量已增长了4倍多。美国Contro公司市场专家JanHatch宣布：“我可以说到2000年具有任何微滴危险的流体必须采用无泄漏泵”［2］。无密封泵有两大类：屏蔽马达泵与磁力传动泵。屏蔽马达泵在日本、美国应用比较广泛，随着磁性材料的迅速发展，1978年以后磁力泵操作能力有很大提高，80年代中期磁力泵已变成屏蔽泵的调整产品，将有稳定增长的趋势。尽管磁力泵多年来主要用于欧洲，现在世界许多泵制造商在自己泵产品系列中增添了磁力泵。1989年纽约市Frost与Sullivan公司经市场调查后发布：“磁传动泵几乎是无密封泵市场的2/3，每年增长7%以上，屏蔽泵发展适中，大约增长4%”。走在世界前列，专门致力于磁力驱动泵的开发和生产的英国HMD公司，40年代就将第一台无泄漏磁力泵推向市场。最初30年，磁力泵的应用范围很有限，主要用于泵送对生命有威胁或极其危险的流体。此间泵的价格较高，市场上出现过不可靠的产品，所以人们认为是在不得已时才去选择它。到了70年代，化学工业的发展，磁力泵技术上的突破，可靠性和经济性有了惊人的提高。使工程技术人员得出结页码，3/6抚顺石油学院学报9901152006-11-21论：磁力泵在许多工艺操作系统中，它是最经济的解决办法。90年代，磁力泵的应用从简单的低功率、低温、低压场合发展当今可达350kW、450℃及25MPa的高操作水平［3］。目前世界上生产磁力驱动泵的主要制造厂有：英国HMD无密封泵公司、Totton泵公司、Hilge泵公司，美国Goulds泵公司，日本Lwaki公司，德国KlausUnion公司，Dickow公司，Allweiler公司，Sihi公司，CP泵公司等［4］。我国对磁力传动技术的研究应用起步较迟，可以说相对HMD公司要滞后30年。80年代以后开始注重产品开发与研究。兰州510所设计出的10种磁力传动器获国家发明三等奖，并在兰州、镇海、南海等炼油厂应用成功。1989年，温州工科所等5家泵厂组建了南方磁力泵联营公司，产有18.5kW以下的耐腐蚀泵系列产品。1992年沈阳水泵厂设计制造CIH系列磁力泵，共29个规格，流量：2～460m3/h、扬程：3.5～150m、电机功率100kW以下、工作温度小于250℃。从应用情况看，我国现有产品规格较小，18kW以下可达到实用可靠，如兰州炼油厂用于40Y-40×2、80Y-100×2和BYTC-50/40型离心泵输送氨水和液态烃；兰化公司合成橡胶厂用于40Y-40×2、80Y-60A型离心泵输送苯乙烯和热煤油、锦州炼油厂BYTC-13泵输送液态烃。但大型泵尚无取得成熟经验。如锦西炼油厂的一台40kW、100Y-120B液态烃泵改为磁力泵后一直未投入生产。山东博山水泵厂、丹东克隆密封件公司生产出75kW以上的磁力泵，在胜利油田、吉林化工厂进行试运转。从制造业情况看，我国近几年生产厂增长较快，全国有三十几家制造厂。如温州市就有十来家，上海也有数家，产品有CB、CQB、CGB、CQ、CLB型，但规格偏小，缺乏统一标准。阀门是流体输送管道的重要组成部分，一套大型成套装置中，阀门的投资约占设备总投资3%～5%。3.0×105t乙烯装置用阀门4000余种规格，约25000台［5］。现代工业生产对阀门提出了更加绝对可靠的要求。密封是阀门的生命，目前运行中的阀门，阀杆的泄漏极为常见，泄漏不仅造成系统的压力损失，流体的浪费，对于腐蚀性，易燃易爆性，有毒性流体的泄漏会带来灾难性的后果。无填料永磁传动阀应用磁力传动原理，阀杆无需伸出阀盖，传动轴与阀杆间靠永磁铁的推拉磁路实现同步转动，两者之间用隔离套隔开，介质位于一个密闭空间内，淘汰了填料函，减少了阀杆的摩擦力矩，实现了绝对密封。借鉴德国KLAUSUNION样本的启示，作者设计出了磁传动截止阀、闸板阀、球阀，已由专业生产厂承担制造。图4为一磁力传动球阀的模型图。带有搅拌器的反应设备应用磁力传动，除实现了绝对密封之外，尚可避免介质的氧化和冷凝。作者为某试验基地设计了压力4MPa、工作温度300℃的磁力传动反应釜，投入运行后效果很好。图5是磁力传动反应釜简图。图4磁力传动球阀1球体；2阀体；3阀杆；4内磁转子；5外磁转子；6隔离套；7传动轴；8阀盖页码，4/6抚顺石油学院学报9901152006-11-21图5磁力传动反应釜1电动机；2外磁转子；3内磁转子；4搅拌机；5隔离套3磁力传动的技术关键与发展方向3.1磁场强度的有限元计算现今的传动扭矩计算是采用实验的方法，得出含有一些系数的最大扭矩计算式。有的是半理论半经验公式，误差较大，为安全起见，往往加大安全系数，结果多耗费了磁性材料。传动扭矩大小决定于磁场强度的强弱，磁场强度完全可以用磁荷积分数值解求得。为求得精确解，要求磁性材料制造厂保证每块磁体的磁性能要一致性、均匀性。3.2轴承的寿命我国大型磁力泵的使用表明：它的不成功或不可靠主要原因来自轴承。轴承的润滑剂是被密封的工艺流体，真空中则无润滑。滑动轴承的材料必需耐磨损、耐腐蚀、自润滑。磁力泵的内轴承推荐采用介质润滑的碳化硅陶瓷轴承(滑动轴承、滚动轴承)，碳化硅轴承不仅承载能力高，还具超常的耐腐蚀、耐磨损、良好的耐热性能，使泵的输送介质范围从洁净液体扩大到含腐蚀性颗粒。运行记录表明，