威海化工机械有限公司 山东威海 264300
摘要：由某化机厂建造的高转速磁力耦合传动器已通过最终检验和验收。该项目在研制制造过程中出现了很多技术难题，本文对该设备的结构特点、设计规范及设备制造和检验等环节存在的技术难点进行了深入分析研究，并提出了有效的解决方案，为高转速磁力驱动反应釜的国产化提供了经验。
关键词：磁力驱动、反应釜、设计、制造、搅拌、高转速
1.磁力耦合传动器的发展状况
磁力耦合器是一种基于电磁感应原理研制出的非接触式新型传递装置，主要作用是实现运动系统中电机驱动轴和负载输出轴之间的运动和动力传递。磁力耦合器主要有无摩擦、无磨损、寿命长和允许对中误差大等优点，此外它还具有高效节能、可靠性高、适应恶劣环境、缓冲减震和软启动的动能。然而在磁力耦合传动器高速转动时，磁感应涡流损耗会产生大量的热，使得传动系统各部件温度升高，而过高的温度将会引起磁钢失磁、退磁，进而影响传动系统的可靠性。传统的磁力耦合器为了配合磁钢、轴承的使用，一般为通循环冷却水的结构，且循环水应尽量不含铁磁杂质及固体颗粒，这就会造成大量水资源浪费和实际制造成本的增加。由于轴承深入釜内直接受釜内温度压力的影响，导致轴承极易损坏，且容易因为漏油而污染釜内物料，这不仅缩短了设备的检修周期，还增加了客户的运行成本，并且极大的增加了耦合器的操作难度。随着国家节能减排、保护环境等要求越来越严格，以往磁力耦合器的弊端越来越明显，于是市场上出现了利用空气代替水来冷却磁钢的风冷结构的磁力耦合器，而目前市场上的风冷结构的磁力耦合器也出现了高转速脱磁、磁钢散热不及时、消耗功率大、运行不平稳、品质较差等弊端，严重影响了企业的经济效益。
磁力耦合传动器的弊端不是单单通过改变冷却方式就能解决的，还必须通过结构的调整，彻底解决现有结构的问题。现有的风冷磁力耦合传动器的结构问题主要体现在两方面：其一，散热结构不合理，风与磁钢接触面积太小，无法及时快速散热；其二轴承室深入釜内使得轴承直接受釜内高温高压等极端环境影响，缩短了轴承使用寿命，增加了轴承漏油的可能性。
我公司作为国内磁力耦合传动器制造的专业企业，时刻关注着行业发展的新趋势。在掌握磁力耦合传动器核心制造技术基础上，技术人员广泛吸收国内外各类先进技术和实践经验。
我公司的高转速低能耗磁力耦合器就是针对市场上已存在的磁力耦合传动器的问题而开发的。其特征在于一方面利用ANSYS分析软件，得出磁钢在高速运转时的温度变化曲线，将外磁体外侧做成凹凸槽型，增加风的接触面积，加速冷却磁钢；另一方面将轴承室整体外迁，放在下支承架上面，密封于釜体外部的密封罩内，轴承与釜内物料彻底隔绝，杜绝了轴承漏油的可能性，且远离了釜内高温高压等极端环境的影响，轴承运转更平稳，延长了轴承使用寿命。此外，改变原有的注油结构，在密封罩上方开注油孔，设备运转之前一次注油可同时用于上下两个轴承的润滑，且一次注满油可长时间运转达一年之久，缩短了客户检修周期。利用空气代替循环水冷却磁钢，且通过巧妙的结构设计将轴承密封在釜体外部的密封罩内，既节能环保，延长了轴承使用寿命，又可避免漏油，具有扭矩大、高效节能、环保、散热快、运行平稳等优点，能够适应各种高转速搅拌反应需求及密封性需求，提高了设备的生产能力，增强企业发展后劲，推动产品结构优化升级。
2.技术质量指标：
高转速磁力耦合器：
适用反应釜容积：3000升以下设计压力：16MPa以下设计温度：350℃以下搅拌转速1000r/min以下
3.研发过程
第一阶段：确定结构
由于磁力驱动反应釜的工作压力高、工作温度高、搅拌强度大、搅拌转速高，设备的难点集中在搅拌系统上，尤其是磁力耦合器上。
针对以上问题，研发人员参考国外相关设备的结构形式，对传统磁头整体结构进行优化设计，根据自身多年的磁力耦合器设计经验，提出高转速高温高压反应釜用高效磁力耦合传动器的设计方案，为了能够达到高效、节能、操作方便、使用寿命长、零泄露的研发目标，首先采用CFD流体模拟软件和ANSYS分析软件对反应釜的搅拌情况及流场进行模拟，以确定磁力偶和传动器的输出轴径、所需要的功率大小以及搅拌产生的力矩大小；经过反复论证后提出新结构、理论论证、优化结构，最终确定该磁力偶和传动器的理论结构形式。
第二阶段：实验室模拟试验
我公司有着压力容器行业最高的设计资质以及多年的磁传动装置设计制造经验，但该型磁力耦合器的设计对我公司仍是一个极大的挑战。为了保证设计的顺利完成，首先进行了实验室的模拟试验。研发人员通过软件以及扭矩测试试验台对磁传动过程进行模拟测试，获得实际传动过程中该型磁力耦合传动器所能承受的最大输入扭矩以及它所能传递的最大输出扭矩等一系列一手数据。整个研制过程，研发小组采用了正交试验与全面实验相结合的方法，并结合现场展现的实际情况，进行了反复探索性试验，建立了试验参数的数据库。
第三阶段：制造成形、检验试验、完善设计
此阶段是该磁力偶和传动器研发结果的实施阶段，将完成该磁力耦合传动器的总体结构的设计和制造的各种工艺的设计，并最终加工制造完成。
此阶段首先下发初步的设计图和制造工艺指导书（包括焊接工艺和铆焊工艺），车间据此进行试制。设计人员全程跟踪，对出现的问题现场解决。重大设计、制造问题则上报研制小组，由研制小组组织主要技术人员进行讨论并解决，并将解决后的方案记录在案，同时变更相关的图纸和工艺指导书。试制完成后，利用公司的先进设备对试制产品进行细致的检验试验，包括水压试验、气密性试验、搅拌试验以及使用寿命等，找出不足与问题，由研发小组提出解决的方案，将不足和问题一一解决后，重新对设计图纸和制造工艺指导书进行修改，并对产品进行了相应改进。
经过研究和分析主要针对一下几方面进行了优化和结构更新①．提高各部件的配合精度：提高加工精度，对形状与位置公差提高一级（相对普通要求），选定合理的各部件结构，将细部结构做到精密可靠。
②.内部支承结构的改变：原来磁力耦合器的内部支承一直采用的是深沟球轴承双向支承结构，现在顶部采用双列角接触球轴承，可承受径向载荷和作用在两个方向的轴向载荷，它能限制轴或外壳的双向位移。底部更换成圆柱滚子轴承，这样不但提高了轴承使用寿命，而且更换后的轴承承载能力更强了，运行也更加平稳了，减少高转速时的晃动。
③．磁钢材料的改变：研发组对磁钢材料也进行了重新的筛选。从传动性能、搅拌力矩及设备容积等多方面考虑，最终选用了更好的钐钴永磁铁。钐钴永磁铁具有高磁能积、极低的温度系数，最高工作温度可达350℃，在工作温度180℃以上是，其温度稳定性和化学稳定性均超过钕铁硼永磁材料。
④.迷宫密封的合理运用：为了更有效的防止反应釜内物料上溢渗漏，同时减少高速旋转时轴的摩擦，本次设计增加了动迷宫环密封结构来替换原来的填料密封。
⑤.风冷结构的合理设计：为了解决磁钢高速运转切割磁感线产生的热量，研发组创新设计了自然风冷结构，风窗、风孔等结构的合理搭配保证了磁力耦合器在运转过程中快速散热，起到耐高温的效果。
结语
本项目生产工艺技术先进、可靠，技术含量较高，产品广泛用于国内各化工项目，市场前景广阔，其技术水平和产品性能达到国际同类产品先进水平。项目的实施能够显著改善企业技术构成和产品结构，提高市场竞争力，增强企业发展后劲，推动产业结构优化升级。
参考文献：
[1]杜世勤. 磁力泵中径向充磁磁力耦合器转矩的解析法计算.电机，2012-04.
[2]姜海洋. 永磁耦合器传动创新设计与应用.市政工程，2020-07.
[3]沈永春朱鹏. 基于缝隙耦合的微带天线设计.社会学，2019-08.