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微型磁力齿轮泵在选型时需要注意什么?

微型泵通常指体积小巧,流量低的泵类产品。按照不同的技术原理又可以分成微型离心泵、微型齿轮泵、微型隔膜泵、微型柱塞泵、微型蠕动泵、微型旋片泵、旋涡泵等等,按照驱动方式可以分成直联式、磁力驱动式,按照运动方式可以分成往复式和旋转式,按照材质可以分为金属泵、塑料泵、复合泵等,按照输送液体的温度可以分为低温泵、高温泵和常温泵,按照不同动力来源可以分为气动式泵、直流泵(12V,24v,48v等等)、伺服泵、交流泵、变频泵等等。而使用者往往习惯于用自己的实际使用需求来给泵命名,例如循环泵、加压泵、取样泵、冷却泵、尿素泵、色谱泵、冲洗泵、雾化泵等等。有了这么多的细分,难免给用户的选泵带来很多的困惑,这里我司针对微型泵的结构和性能特点,结合常见应用做一些分析和建议,供选泵时参考。

无论是什么类型的泵,万变不离其宗,它们的作用就是通过对被输送液体做工,使得被输送液体产生符合要求的流动。这里就出现了泵选型的最基本参数:流量和压力。通常来说,离心泵在小流量下很难做到高扬程(高压力),所以在需要小流量高压力的场合,容积式泵出现的频率很高。其中一种就是微型齿轮泵。

微型(磁力)齿轮泵的特点是:

(1)工作时主动轮和从动轮需要相互啮合

(2)泵内间隙小,齿轮与泵体,轴与轴承之间的间隙都在几十微米的范围

(3)轴承和齿轮一般都采用高分子材料电机的扭矩通过磁力联轴器传递到轴

所以在选择该种类型泵的时候,需要考虑液体的流量、入口和出口压力、粘度、液体的腐蚀性、颗粒情况、温度、液体对剪切力的敏感程度、入口和出口管线情况、电机的类型、流量和压力的控制方式(精度、批量、逆止)等等。

 

1、流量

制造精良的微型磁力齿轮泵的一般可以在50~4000rpm转速范围内工作,通过查找每个型号的流量-压力-转速曲线,就可以方便的进行选型(lpm是升/分钟,斜线代表压差)

 

由于泵内部存在间隙的原因,总有一部分处于泵出口端的高压液体会沿着泵内部的间隙从泵内部回流到泵的入口端,造成泵的实际输出流量小于理论值。并且随着进出口压力差的增大,内部的回流流量也相应加大。泵的实际流量=泵的理论流量-泵内部泄漏量。从上图中可以看出,在相同转速下,压力越高,实际流量越低。另外也可以看到在出口压力稳定的情况下,泵的流量和转速成线性关系,这也是齿轮泵可以作为计量泵的理论依据。但是如果压力波动,那么线性关系将被破坏,这种现象在输送低粘度液体的系统中表现更为明显。

2、压力

一般我们只考虑进出口压差,但是分别了解进口压力和出口压力对于正确的选型至关重要。因为有时候泵的进口可能是负压,有时候可能是正压。如果是负压的情况,需要知道具体的负压值,当泵的入口压力小于大气压时,泵在相同转速和压差情况下的流量会低于性能曲线中的正常值。当入口真空度达到一个极值时,泵将无法正常工作(NPSHa<NPSHr)。另外每台泵都有一个最大允许工作压力,也就是泵的最大承压,当泵的入口压力>大气压时,必须保证出口压力<泵的最大承压,也就是“入口压力+压差<泵的最大承压”,这样才能保证泵的长期安全工作。

另外,我们也需要正确理解泵的出口压力。齿轮泵是一种容积泵,我们通常说NP系列微型磁力泵可以达到20bar压差,这里的20bar指的是泵的能力。但是泵安装在一个系统里以后,实际能够达到的工作压力是由系统的阻力决定的。系统的阻力=液体在管道中流动阻力+可能的容器压力。

 

图中泵的实际工作压力=液体流经管道的压力降+液体流经阀门的压力降+罐体内的压力。如果中间还有高度差引起的压力降和弯管引起的压力降,都要计算在内。

3、粘度

液体的粘度对泵的性能和功率都有影响,粘度同时又受温度甚至是剪切力的影响。因为齿轮泵内部泄漏的存在,泵在输送粘度越大的液体时,内部泄漏越小,实际输出流量就会大。所以相比于低粘度的水来说,输送高粘度的液体时,同一型号的泵在相同转速和压差下,泵的实际输出流量会大一些。(加对比曲线)。但是随着液体粘度的升高,液体本身的流动性下降,同时齿轮在高粘度液体中旋转所需要消耗的功率也会急剧上升,所以随着输送液体粘度的升高,泵的工作转速也应该适当降低,这样不仅可以降低不必要的能耗,也能防止气蚀的发生。齿轮泵工作时,由于齿轮间的啮合、轴承和轴之间的摩擦以及磁力联轴器的损耗都会产生温升,进而对液体粘度产生影响,如果液体的性状或者工艺需求对温度变化非常敏感,那么选型时需要考虑泵转速、内部间隙、齿形设计等因素来限制泵的做功对液体温度的影响。如果液体对剪切力非常敏感,那么需要通过降低转速来应对。

4、液体的腐蚀性

液体的腐蚀性会严重影响泵的使用寿命。我们必须保证泵内所有接触液体的部件都是能够耐受所输送液体的腐蚀的。通常来说,NP系列齿轮泵泵体采用的316L不锈钢材料对各种液体的耐腐蚀性性能比较容易查找,我们的陶瓷轴耐腐蚀性也很好,主要是PEEK/PPS齿轮和轴承对不同化学介质的适用性需要进一步考虑。PEEK和PPS本身的耐腐蚀性很好,适用范围很广,但是也有一些液体会让它们溶胀,特别是它们在一些液体中只有非常轻微的溶胀,可能在其它的应用中可以被评判为“可用”,但是由于微型泵本身非常小的内部间隙,这些非常轻微的溶胀可能会引起泵的卡死。上海索富实业有限公司有大量的数据来判断液体和材料的互容性,但某些材料不在我们已有的数据库中时,我们也可以为您提供样品浸泡测试。特别要注意的是,很多时候材料的耐腐蚀性是和温度相关的。

 

5、颗粒情况

由于微型齿轮泵内部的微小间隙,任何接近间隙范围的颗粒都有可能将泵卡死,另外即便是非常微小的硬性颗粒,都有可能在齿轮高速运转的情况下将齿轮或者轴承永久性地破坏。有些颗粒是存在于液体中的,还有很多情况下可能液体是干净的,但是系统管道和容器、接头、焊点中可能会有颗粒的存在,特别是新安装或者改造的系统中这类情况非常普遍。所以建议用户在泵的入口安300-400目的过滤器,以保护泵的安全。过滤器的选择除了保证材料不被液体腐蚀外,还要考虑过滤器的耐温、耐压和过流面积。如果过流面积太小会导致入口阻力过大,也可能会造成过滤器频繁堵塞。

6、温度:

谈到温度,我们需要考虑液体的温度以及泵工作的环境温度二个方面。

 

1)液体温度

泵的零部件要能保证可以在液体温度范围内长期稳定工作,包括泵体、轴承、齿轮、轴、磁驱和密封圈的材料。同时我们还要考虑在极端温度下泵的最大允许工作压力的变化。特别是泵体最薄的磁力罩部位的承压能力。对于磁力联轴器,我们不仅要考虑到所用磁粉的耐温等级,还要考虑磁体成型以后老化的温度。上海索富泵业的NP系列磁力泵磁驱都经过150摄氏度高温老化,全泵体可以长期稳定地在-40~150摄氏度范围内工作。液体温度还会影响到泵内间隙。因为不同部件的材料和尺寸的不同,在同样的温升下不同部件的尺寸变化量是不同的,造成间隙的变化。总的说来有可能造成低温下流量太小,高温时泵可能卡死。所以在前期咨询时应该考虑实际工况下液体的温度范围,以便出厂时设置合适的泵内间隙。换句话说即便我们的泵可以在-40~150摄氏度下工作。但是如果询价时提供的液体温度与实际范围相差太大,有可能泵在运行中发生流量不够或者卡死的现象。由于泵和电机是用连接架连接的,泵头的温度也会传递到电机上,对于电机的耐温等级也会有一定影响。

2)环境温度

环境温度会对电机的选型产生很大影响。可能要配置低温或者高温电机,如果是配置无刷直流电机,那么环境温度对驱动器性能的影响也是相当大。另外有些液体在常温或者冬天的低温下会凝固,此时就需要考虑采用泵头加热的方式来保证泵的正常开机,比较常见的方式是在泵头上缠绕伴热带。

 

7、液体对剪切力的敏感程度

齿轮泵在工作中,主动轮和从动轮之间的啮合会产生剪切力。有些液体对剪切力很敏感,在大剪切力下液体的性状会发生改变直至不能使用。对于这些液体,必须采用降低泵工作转速、加大泵内间隙的方式来尽量降低剪切。更多时候可能需要选择隔膜泵、蠕动泵等剪切力更小的泵型来完成输送。我们可以为您提供这方面的咨询服务。 

8、入口和出口管线情况

一般来说,入口和出口管径要不小于泵体的接口直径。为了保证泵的正常吸入,入口管径希望尽可能地短,并且减少弯头。所有的入口管线长度或者泵与液面高度差的因素,都可以归结到NPSHa的概念范围,唯一的差别是NPSHa是对应泵入口充满液体的情况。如果泵工作前,入口管线是空的,那么必须考量泵在无液体状态下最长的允许运行时间以及在这种情况下泵的抽吸能力。对于需要自吸的场合,泵的干运转能力以及在干运行时的抽吸能力就显得非常重要了,否则泵会直接烧坏。上海索富NP系列微型磁力齿轮泵可以达到最长100小时的干运转时间以及1米左右全干状态的垂直吸上能力。出口管径会影响到出口的系统压力,特别是在输送高粘度的液体时,有时出口管径大一级,出口的管道压力可以有30%甚至更高的降幅,这对于日常运行的节能将起到非常大的作用。齿轮泵的出口管路系统要防止憋压,我们公司提供的直流无刷电机一般都带有过流保护功能,我们也建议用户在可能的情况下在出口管路上安装安全阀,以防止过高的出口压力损坏管道或泵体。我司的产品不提供泵头内置的安全阀,因为这类型产品体积太小,一旦泵内安全阀开启,所有的能量将推动液体在狭小的泵头空间高速循环,液体的温度会很快上升。包括进口微型齿轮泵都发生过由于泵头安全阀开启引起过热将泵卡死磨损的现象。(具体数据咨询公司)。

干运转:干转有几种典型的情况:1.)泵启动前,入口管是空的,泵需要自行把远处的液体吸入泵内。2)当输送结束后,系统没有自停机功能或者自停机功能有延迟,需要泵再干运转一段时间。3)泵所输送的液体非常容易气化或者本身就是输送气液两相的介质,泵内常常有气体的存在。

干运转对于液体泵来说是个比较麻烦的状况,主要是因为泵本身的结构和材料设计是为输送液体考虑的,并不会过多考虑干运转时输送气体的情况。对于常用的离心泵,使用者都知道开泵前需要保证泵入口管道是充满液体的,但是当使用者听说容积式的泵具有自吸能力的时候,往往认为不需要再考虑入口情况了,这会导致很大的问题。

主要的问题来自于

(1)齿轮相互啮合时缺少液体润滑导致的过量磨损;

(2)轴和轴承之间相对运动时缺少液体润滑导致的过量磨损;

(3)齿轮侧面和泵体之间相对运动时缺少液体润滑导致的过量磨损。在此过程中,由于过度摩擦产生的热量会导致材料的尺寸发生膨胀变形,甚至会导致泵的直接卡死,部件损坏。同时磁力联轴器工作时在磁力罩内产生的涡流损失也会引起磁力罩的发热。

上海索富实业有限公司NP系列微型磁力齿轮泵通过应用特殊的齿轮、轴承和轴材料的选择,以及特殊的齿轮型线,将上述的问题大大缓解。所以全系列产品都有良好的耐干运转能力。其中NP039型号在测试台上进行了长达100小时的干运转测试。全系列产品完全能够应付现场几分钟时长的干运转。

9、电机的类型和功率选择

通常来说电机可以分为交流电机(普通交流电机,变频电机,防爆电机,变频防爆电机,单相电机等)、直流有刷电机、直流无刷电机(BLDC)、步进电机和伺服电机。在工业领域各种交流电机用得比较多,首先看是1x220V还是3X220V或者3X380V,电压确定了再看是否要防爆(防爆等级)或者变频。选择变频通常是因为要适应一定的流量范围,但是一来变频电机成本高,还要加装变频器,所以客户还可以通过出口旁路的方式来调节流量。由于交流电机体积比较庞大,调速精度不高,在很多商用设备中不便于安装,此时各种直流电机、步进电机或者伺服电机就可以大显神通了。普通的有刷直流电机可以直接通过供电电压进行调速,但是由于碳刷的寿命短,碳刷磨损后的微小碳粉可能对系统造成危害,所以在各类专业设备中的使用越来越少。无刷直流电机体积小巧,抛除了传统的碳刷,使用寿命得到延长,可以就地手动调速、远程模拟信号调速或远程数字信号调速,越来越多地被市场所接受。当客户需要微小流量并且控制精度高时,可以考虑使用步进电机或伺服电机,步进电机成本相对低廉,转速一般<800rpm,所以如果您需要的流量跨度大,精度高,那么建议考虑使用伺服电机。

电机功率=(流量*压力/效率)*安全系数。很多时候电机功率选择的难点在于安全余量的选择上。对于交流电机,国标中有对于不同功率电机的安全系数有规定的值。但是我们还要根据实际使用环境,比如海拔高度,环境温度,环境通风状况,连续工作时间,启停频率,调速频率,过载可能性等等因素来合理改变安全系数。

 

*Balboa定制开发的直流无刷电机功率覆盖40瓦到1200瓦,400瓦一下电机可以提供内置驱动器选项,进一步缩小空间的占用,方便现场安装。我们可以提供就地手动调速或者远程0-5V电压信号或者PWM信号调速,支持转速信号输出功能,支持电机正反转控制。使用环境温度-40~80℃,防护等级可以达到IP66。我们还专门针对小型化的应用为NP系列产品开发了无电机轴的屏蔽式内置驱动器无刷直流电机。

10、流量和压力的控制方式

齿轮泵的流量控制一般是通过控制泵的转速来达到的。比如NP039,它的名义排量是0.39毫升/转,就是说泵每转一圈,它理论上应该输出0.39毫升的流量。那么如果泵的转速是1000转/分钟,那么理论上泵应该输出的流量就是390毫升/分钟。所以通过调节泵的转速,就可以很容易地达到需要的流量。因此如果系统对流量的精度要求不高的时候(+-2%左右),采用交流变频电机或者直流无刷电机控制齿轮泵的转速的方式来达到对流量的调节是一个很好的方式。在对精度要求较高的场合(~0.5%)还是建议采用伺服电机。

泵的流量精度也受出口管路压力波动的影响。可能很多人会有疑问:压力不是靠泵产生的吗?怎么还说受出口管路压力波动的影响?因为容积泵后的压力其实是由管网的阻力和负载决定的,如果容积泵的出口直接联通大气,那么实际工作压力就为0(表压)。它是典型的“遇强则强,遇弱则弱”。管网阻力就是液体流经管路时产品的阻力,直管,弯管,变径,阀门等等都会带来压力降;负载可以包括高度差,容器压力,执行元件动力等等。泵出口压力的波动不仅会直接引起泵输出流量的波动,也会因为压力波动引起扭矩的波动进而引起电机转速的波动。因此在精确的计量系统中,需要在泵后安装稳压阀并且使用转速受扭矩变化影响小的电机。

齿轮泵的结构相异于柱塞泵和隔膜泵,后者在泵内都有进出口单向阀,所以在停泵时液体是无法流动的。齿轮泵没有内置的单向阀,所以停机时管道内的液体可以流动,会产生“滴液”现象或者停机一段时间后有可能发现管道内会有空气进入。如果不希望有此类现象的发生,可以在泵出口安装一个开启压力尽可能小的单向阀。另外齿轮泵内不带单向阀的特性也有很多好处,比如停机前可以简单地通过电机反转来将管道中的液体排入进液罐,不会发生隔膜泵的“气锁”等现象。

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