Миллионы насосов дни и ночи гонят рабочие среды — жидкости и газы — по трубам во все стороны, и часто через износившиеся сальники эти среды выходят наружу. Хорошо, если это воздух или вода, вытер тряпочкой или собрал в кружечку — и порядок. А если это произошло в насосном отделении танкера или газовоза, на нефтеперерабатывающем заводе или газораспределительной станции? Каждая капля может стать последней, потом пожар, взрыв, вой сирен и тишина траура в семьях, регионе, стране.
Поэтому и нужны надежные герметичные магнитные муфты на взрывоопасных производствах, чтобы невидимой силой магнитного поля, вращающей стрелку компаса или удерживающей плазму в термореакторах «Токамак», крутить насосы с опасными рабочими средами. Большое распространение получили магнитные муфты на постоянных магнитах редкоземельного магнитного сплава неодим-железо-бор (NdFeB) с возможной мощностью передачи до 160 кВт, максимально это значение может достигать 200 кВт.
Уже в начале 50-х гг. прошлого века компания Klaus Union разработала первый в мире электромагнитный привод, представленный в 1955 г. на выставке ACHEMA во Франкфурте и до сегодняшнего дня считающийся самой надежной уплотнительной системой. Затем другие насосные компании начали включать магнитные муфты в свою продукцию, и с тех пор модели всех европейских муфт похожи друг на друга, а российские производители незатейливо повторяют их, следуя привычке «импортоповторения» вместо импортозамещения.
На первый взгляд, это простая конструкция из двух вращающихся металлических полумуфт с магнитными системами из постоянных магнитов в стенках с диаметрами, позволяющими магнитам входить друг в друга. Для надежной изоляции рабочей среды от окружающей атмосферы сами магнитные полумуфты разделены немагнитным изолирующим экраном, закрепленным на корпусе насоса, чтобы не допустить выход перекачиваемых агрессивных сред через уплотнительные сальники. Все просто и понятно.
Но вот начинается сборка компонентов.
Сразу возникает первая трудная задача — балансировка всех вращающихся деталей собираемых узлов — ротора двигателя с валом, рабочего колеса насоса и самих магнитных полумуфт, особенно массивной наружной. Малейший дисбаланс приводит к ускоренному износу подшипников валов, радиальному биению полумуфт и повреждению корпуса изолирующего экрана от вибрации всей массивной муфты, вес которой соизмерим с весом насоса и двигателя. О негативных последствиях протечек уже сказано выше.
Еще более сложной является вторая задача — центровка всех осей вращения. Известно, что сила взаимодействия между магнитами обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между ними, поэтому между стенками вращающихся полумуфт с магнитами надо сделать зазор как можно меньше, поместив в него еще стенку изолирующего экрана. При повышении передаваемой мощности увеличиваются длина и диаметры магнитных полумуфт, расстояние между приводом и насосом, и сделать соосными оси вращения вала привода и вала рабочего колеса с закрепленными на их концах массивными полумуфтами оказывается очень сложной технологической задачей. При этом увидеть и тем более сделать точными размеры зазоров при завершении монтажа и окончательном «закручивании гаек» невозможно. При большом зазоре понижается передаваемая мощность, при малейшем нарушении соосности возможно касание стенками полумуфт поверхности изолирующего экрана внутри и снаружи, что приведет к протиранию корпуса и потере герметичности с негативными последствиями.
И третья задача — теплообмен. Как видно из рисунков моделей моноблочных насосов 1 и 2, герметичные магнитные муфты находятся внутри закрытого несущего корпуса, что препятствует поддержанию нормального температурного режима работы муфты. Температура среды передается через рабочее колесо и вал на внутреннюю полумуфту в герметичном экране, к этому добавляется повышение температуры от взаимодействия магнитных полей полумуфт, а охлаждение не предусмотрено. При нагревании же свыше 80°С снижаются и даже теряются свойства редкоземельных магнитов.
С середины прошлого века по настоящее время внедрено много новшеств для повышения надежности существующих магнитных муфт. Так, двойной изолирующий стакан позволяет определить нарушение герметичности внутреннего или наружного стакана и какое-то время продолжать работу, если нельзя сразу остановить процесс перекачки рабочей среды. Кольцо трения предотвращает немедленное повреждение изолирующего стакана изнутри или снаружи в случае выхода из строя подшипников скольжения или подшипников качения с выводом сигнализации о превышении номинальной мощности привода и аварийной остановке. Но ничего принципиально нового в конструкции магнитных муфт пока не предложено, и все смирились с общими трудностями их производства, монтажа и эксплуатации, несмотря на появление новых потребностей современных технологических процессов.
И вот 14 июня 2016 г. получен Патент РФ №65811 «Приводная герметичная муфта с постоянными магнитами на дисках», детали которой просты в изготовлении и сборке всей конструкции, а применяемые сегментные магниты разной формы и размеров производятся в настоящее время в большом количестве. Мощность привода определяется произведением силы притяжения всех магнитов на радиус их установки от оси вращения, и заранее рассчитывается диаметр муфты, количество и размер магнитов, при этом количество отдельных магнитов прямо пропорционально общей силе привода. Удельная мощность привода такой муфты на 30-40% больше, чем у существующих кольцевых магнитных полумуфт такого же размера, но меньшего общего веса. Балансировка каждой дисковой полумуфты контролируется визуально и приборами. Силовое магнитное поле допускает несоосность вращающихся валов полумуфт относительно друг друга, поэтому не требуется точное совпадение осей вала привода и вала насоса, на которых закреплены полумуфты. Корпус ведущей полумуфты имеет смотровые отверстия для настройки зазоров между магнитами, и через них происходит интенсивное воздушное охлаждение всего корпуса при работе, а на поверхности ведомой полумуфты можно установить ребра дополнительного охлаждения, как воздушного, так и водяного.
Конструкция муфты простая, она показана на эскизе и понятна из 3D-модели (см. рисунки 3, 4).
Она состоит из двух одинаковых по размеру и форме полукорпусов (1), на ведущей полумуфте одного из которых имеются отверстия для контроля монтажа и воздушного охлаждения всей муфты.
Два идентичных вала, ведущий (12) и ведомый (8), вращаются в подшипниках по центру крышки полукорпуса, на каждом валу накручена втулка, на которой радиально установлены кронштейны, держащие металлический диск (3). По окружности диска снизу установлены постоянные магниты (4) в форме сегментов с осевой намагниченностью и чередованием полюсов. Сам диск является магнитопроводом для постоянных магнитов, что увеличивает магнитонапряженность общего поля.
На внутренних концах валов на резьбе дополнительно установлены кольцевые магниты (10), (11) с осевой намагниченностью и одинаковой полярностью друг к другу для компенсации силы притяжения основных вращающих магнитов.
Полукорпуса соединяются с помощью фланцев с установкой изолирующей немагнитной пластины (5) и герметизирующей прокладки (6) со стороны ведомой полумуфты (7). Для компенсации избыточного давления перекачиваемой среды, проникающей из рабочего колеса насоса через сальники ведомого вала, концы валов опираются на опорные шарики, установленные в специальных гнездах в центре изолирующей пластины (на эскизе этого нет).
Сборка насоса с магнитной муфтой проходит в следующем порядке.
Полукорпус ведомой части муфты (7) выступом герметично соединяется с улиткой насоса (закручивается с двумя уплотнениями, и возможны разные варианты), на вал полумуфты закрепляется в улитке рабочее колесо насоса, и устраняется возможный дисбаланс объединенного узла вращения. Качество балансировки можно контролировать в открытой части полумуфты и по рабочему колесу насоса, если есть доступ к нему в улитке.
Таким же образом проверяют балансировку ведущей полумуфты в своем полукорпусе и соединяют оба полукорпуса с изолирующей пластиной и герметизирующей прокладкой. Болты имеют диаметр меньше отверстий на фланцевом соединении, что дает возможность некоторого сдвига полукорпусов для компенсации несоосности валов ведущего и ведомого.
Через смотровые / вентиляционные окна проверяют вращение собранной муфты, регулируют расстояние кольцевого магнита (11) от герметизирующей пластины, и муфта готова к эксплуатации. При некоторой несоосности ведущего и ведомого валов муфта работает без вибрации за счет мягкости магнитного поля и движения магнитов на диске параллельно изолирующей пластине. Надежность работы муфты обеспечивается вращением сбалансированных деталей на относительно коротких ведущем и ведомом валах, в двух подшипниках каждый, а не на относительно длинных свободных концах валов в существующих магнитных муфтах. Кроме этого, жесткое закрепление всей муфты на улитке / корпусе насоса позволяет вращать ведущий вал через гибкую передачу от любого двигателя.
Остаточную намагниченность магнитов (силу притяжения) можно измерять через немагнитный корпус муфты при техобслуживании и при показаниях ниже допустимого предела просто менять отдельно любой из них, что невозможно в существующих полумуфтах с магнитами, запрессованными в цилиндрические стаканы.
Из описания видно, что изготовление всех деталей, технология сборки и настройки доступны любым российским предприятиям прямо сейчас, и востребованность подобных муфт для нашей промышленности высокая, что доказывает активность дилеров и рост объема импорта магнитных муфт.
Вы думаете, что за полтора года после выдачи патента кто-то проявил интерес к новой российской модели или попытался обсудить достоинства и недостатки предлагаемой конструкции на презентациях в рамках выставок, чтобы сообща найти рациональную и экономичную замену европейским, изобретенным в середине прошлого века. НЕТ, НЕТ и НЕТ!
При этом все требуют ответов на одни и те же вопросы: кто даст деньги, кто получит сертификаты соответствия и — самый нелепый — КОМУ ЭТО НАДО?
Такая ситуация продолжается давно со многими российскими изобретениями, превосходящими европейские по многим параметрам. Каждый объясняет это по-своему. Потребителям надо устанавливать оборудование здесь и сейчас, поэтому покупают, что есть, не всегда считаясь с ценой. Проектные профильные конструкторские бюро не знают, чем заняться и что делать, сетуют на отсутствие заказов с техническими заданиями, требуют предоплату за то, неизвестно что у них получится. А производители вообще не понимают, что изготавливать, потому что нет разработанных конкретных технических проектов, а значит, нет заказов и некому продавать не заказанное заранее оборудование.
СТУПОР?! Нет, «заграница нам поможет» — Остап Бендер в это верил, как многие сейчас. Есть два варианта. Или там придумают что-то новое и лучшее, чем есть, а мы купим и скопируем — «импортоповторение», или за рубежом ужесточат санкции и перекроют поставки, и мы сделаем свое, не хуже, пусть и не сразу — реальное ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ, а для этого надо начинать уже сейчас. Пусть санкции действуют ВЕЧНО!
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 1 (43) 2018
