磁力轴承在离心泵应用上的潜力
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磁力轴承具有非常低的摩擦、无轴承磨损、更高的允许速度、消除对复杂润滑系统的需求、更少的维护、可内置振动/故障检测以及更长的使用寿命等优点。 磁力轴承系统按照工作原理可分为三类：主动磁力轴承（AMB）、被动磁力轴承（PMB）和混合磁力轴承（HMB）。 它们究竟是如何工作的？主动磁力轴承利用可控电磁力将转轴悬浮起来，它主要由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器等组成。电磁铁安装在定子上，转子悬浮在按径向对称放置的电磁铁所产生的磁场中，每个电磁铁上都装有一个或多个传感器，以连续监测转轴的位置变化情况。从传感器中输出的信号，借助于电子控制系统，校正通过电磁铁的电流，从而控制电磁铁的吸引力，使转轴在稳定平衡状态下运转，并达到一定的精度要求。这些动作发生得非常快（每秒数千次），即使在高速下也能精确地保持轴的位置。没有金属对金属接触意味着磁力轴承系统在没有润滑的情况下产生更少的摩擦（更少的能源消耗）。相反，轴悬浮在周围的介质中，介质可以是空气或液体。 一、轴承成本比较尽管有上述所有优势，但磁力轴承在广泛普及方面进展缓慢，尤其是在工业和市政泵方面。主要原因是这些系统的复杂性和高昂的相关成本。磁力轴承的成本可能比大型工业泵上的油润滑流体动压轴承系统高出约45,000美元。与简单的滚动轴承系统（例如小型泵）的初始成本相比，AMB的成本劣势甚至更大。成本差异并不是因为磁力轴承硬件（它是一种电磁线圈，可以像电机定子一样经济的绕组，相当便宜）。控制系统是罪魁祸首，其中包括复杂的数字控制、用于监测轴位置的传感器、将轴位置数据传输至控制器的电缆以及将电源从控制器的放大器传输至电磁线圈的电缆的成本。 但初始成本不应是唯一的考虑因素。一流泵用户不会仅根据初始成本购买或升级泵，而是考虑能耗、维护（包括润滑剂和过滤器购买/处理）、备件、运营停机时间和重建成本。轴承是离心泵中仅次于机械密封的第二个最容易发生故障的部件。当考虑到这些其它成本时，磁力轴承会变得更具吸引力。 二、维护、可靠性磁力轴承控制器的寿命有限。控制器故障的平均时间约为8至15年，这取决于电子设备的推动力度。实际的磁力轴承，例如电动机，应该持续大约20到30年，具体取决于环境和绝缘层分解的速度。 此外，必须定期更换控制器冷却系统上的空气过滤器，并应检查监测输出，以确保适当的内部游隙（轴和线圈之间的气隙）和机器振动。此功能在关键机器上特别有用。通过监测潜在的问题，这些智能轴承系统可以在潜在故障发生之前提醒操作员。 三、负载限制泵中的滚动（减摩）轴承通常可以处理临时过载情况，尽管稳态过载可能会缩短滚动轴承的寿命，但在大多数情况下，至少在短期内，泵能够坚持运行。 然而，磁力轴承不能容忍过载。它们具有特定的负载能力。配备有主动磁力轴承系统的泵，如果负载太小，将无法正常工作。如果电磁铁无法支撑轴的重量加上叶轮不平衡力，轴将不再悬浮，机器将停止运行。因此，必须准确知道实际的泵轴承载荷，包括静态和动态载荷。 可以看出，使用蜗壳（最常见的）的泵在非常高和非常低的流量下产生高径向载荷。早期的磁力轴承研究工作中的一个问题，当时实际的原型泵径向载荷是最初认为的两倍，这导致AMB在初始测试期间无法工作。然而，在初始测试期间获得的径向载荷测量值、指导了更高额定值的备用磁力轴承的选择，这些备用轴承功能正常。这里的教训是，即使是泵供应商也可能不知道实际的泵径向和轴向载荷。 此外，泵还承受动态载荷，包括：转子不平衡（在污水泵的情况下，也可能受到所处理固体的影响）；叶轮叶片吸入压力和出口压力与壳体（蜗壳）蜗舌之间相互作用产生的压力脉动；汽蚀力；以及任何系统产生的水锤压力波。此外，磁力轴承不提供任何阻尼，这在一些复杂的振动情况下可能很重要。因此，应选择具有一定安全余量的磁力轴承，以考虑这种动态力。由于这些泵负载的不确定性以及电源或控制系统故障的可能性，磁力轴承通常需要某种备用轴承系统。因此，由于上述潜在的负载不确定性，还建议在磁力轴承的原型应用上花费一些时间。 四、应用磁力轴承对高速机器（如涡轮机、压缩机、真空泵和电机）和超清洁环境（如半导体、生物技术和低温工业）最具吸引力，而这些都是当今大多数磁力轴承使用的地方。 尽管离心泵的应用也有一些优点，例如高可靠性、节能以及监测和诊断泵振的能力（这可以检测到悬而未决的泵故障）。因此，主动磁力轴承开始应用于某些工况的离心泵上，例如发电站中的610 hp、3580 rpm多级锅炉给水泵，以有安装在天然气管道中的800 hp、1780 rpm单级流程泵。 五、结论那么，这会给水和污水泵用户带来什么？好吧，对于大多数水和污水应用，目前磁力轴承的高初始成本和复杂性是不合理的。此外，对于处理可能产生高动态轴承载荷的固体的污水应用，风险回报率可能过高。 然而，至少值得研究一下主动磁力轴承在大型关键水泵（使用带有外部油润滑系统的流体动压轴承）中的使用，特别是那些轴承可靠性差和/或存在振动问题的场合。此外，随着未来的标准化、电子成本的持续下降以及同步集成控制的融合磁力轴承等新的发展，磁力轴承的成本一定会随着时间的推移而变得更加实惠。 |
