黃萌潔

（廣州造紙股份有限公司，廣東廣州，511462）

眾所周知，轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)是廢紙脫墨制漿生產(chǎn)線非常重要的設(shè)備，通過轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)，將輸送機(jī)送進(jìn)來的廢紙原料不斷剪切推動前進(jìn)[1]。轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)傳動系統(tǒng)一般由電動機(jī)、耦合器、減速機(jī)組成。轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)運行過程溫和，可以使用相對較差的原料，生產(chǎn)出較高性能的漿料，多被布置在廢紙分揀或堆放場，生產(chǎn)環(huán)境惡劣；又因其自動化程度高，聯(lián)鎖條件多，不可避免地偶有發(fā)生各種聯(lián)鎖跳停情況，通常都會導(dǎo)致干濕廢紙在轉(zhuǎn)鼓底部堆積，該情況下再次啟動轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)時，啟動電流將非常大，這對碎漿機(jī)的傳動系統(tǒng)是巨大的考驗。耦合器作為電動機(jī)與減速機(jī)的連接部件，其可靠性決定了轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)運轉(zhuǎn)率。常見的耦合器為液力耦合器，隨著技術(shù)的進(jìn)步，繼而出現(xiàn)了永磁耦合器[2]。

1 永磁耦合器與液力耦合器

1.1 工作原理

永磁耦合器安裝在電機(jī)與負(fù)載之間，通過脹套聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸及負(fù)載輸入軸連接。永磁耦合器主要由導(dǎo)體組件、永磁組件及法蘭脹套組成[3]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，導(dǎo)體組件包括導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體筒，連接于電機(jī)側(cè)；永磁組件包括永磁轉(zhuǎn)子和永磁筒，連接于負(fù)載側(cè)，它們之間無剛性接觸。其工作原理為：電機(jī)啟動帶動導(dǎo)體組件運動，導(dǎo)體組件、永磁組件之間相對運動，導(dǎo)體組件切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，渦電流進(jìn)而產(chǎn)生反感磁場，與永磁體產(chǎn)生的磁場交互作用，實現(xiàn)二者之間的扭矩傳遞[4]。因此，電動機(jī)和負(fù)載之間雖無接觸式連接，但卻能傳遞扭矩。

圖1 永磁耦合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of magnetic coupling

永磁耦合器安裝在電機(jī)和負(fù)載之間傳遞扭矩，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的磁場耦合面積實現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速變化。耦合面積越大，通過永磁耦合器傳遞的扭矩越大，負(fù)載轉(zhuǎn)速越高；耦合面積越小，通過永磁耦合器傳遞的扭矩越小，負(fù)載轉(zhuǎn)速越低，其示意圖如圖2所示。

圖2 力矩調(diào)節(jié)示意圖Fig.2 Diagram of torque adjustment

液力耦合器的泵輪和渦輪組成一個可使液體循環(huán)流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上，如圖3所示。其工作原理為：電動機(jī)帶動輸入軸旋轉(zhuǎn)時，液體被離心泵輪甩出。這種高速液體進(jìn)入渦輪后即推動渦輪旋轉(zhuǎn)，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體返回泵輪，形成周而復(fù)始的流動。

圖3 液力耦合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of fluid coupling

1.2 特點分析

（1）傳遞效率

永磁耦合器采用氣隙傳遞扭矩，功率損耗主要包括轉(zhuǎn)差損耗和機(jī)械損耗，最高效率可達(dá)98%。液力耦合器的損耗主要有液力損耗、機(jī)械損耗和容積損耗，機(jī)械效率約為96%。永磁耦合器機(jī)械效率略高于液力耦合器，在機(jī)械效率方面可以替代液力耦合器。

（2）對環(huán)境和設(shè)備的影響

永磁耦合器對使用環(huán)境沒有特殊要求。電壓波動大，諧波含量高，易燃、易爆，潮濕、粉塵含量高，高溫、低溫等場所均可以使用；整個裝置無潤滑部件，不產(chǎn)生任何污染物[5]。永磁耦合器安裝時，通過脹套連接，無需改變原電機(jī)、減速機(jī)之間的距離；安裝后，對整個系統(tǒng)不產(chǎn)生電磁干擾。由于主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子非接觸連接，這樣減速機(jī)側(cè)的振動就不會傳遞到電機(jī)側(cè)，電機(jī)側(cè)的振動也不會傳到減速機(jī)側(cè)，大大降低了電動機(jī)和負(fù)載之間的安裝精度要求。

液力耦合器雖然也是非接觸連接，但沒有解決電動機(jī)和負(fù)載之間的安裝精度問題，需要很精確地對中，對中誤差需要小于0.05 mm，否則設(shè)備振動容易超差。此外，液壓油容易泄露，污染環(huán)境。

（3）日常維護(hù)

永磁耦合器采用脹套連接，安裝簡單，費時少；投入使用后，故障易診，維護(hù)工作量小；沒有易損件。液力耦合器的振動問題致使其負(fù)載與電機(jī)軸承磨損大，更換周期短；液壓油作為耗材，需周期更換；且其一般采用加熱安裝方式，裝拆難度大，更換耗時較長。

（4）使用壽命

根據(jù)可靠性理論，一個系統(tǒng)或設(shè)備所用元件越多，系統(tǒng)的可靠性就越低。因為系統(tǒng)中任何一個可靠性低的元件都會影響整個系統(tǒng)的可靠性，這類似于“木桶理論”，即系統(tǒng)的可靠性由系統(tǒng)中可靠性最低的元件決定。由此可知，系統(tǒng)或設(shè)備在實現(xiàn)相同功能的情況下，使用元件數(shù)量越少，每個元件的故障率越低，系統(tǒng)的可靠性就越高。永磁耦合器主要由2個部件組成，其中導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的故障率幾乎為0，而液力耦合器的元件數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個數(shù)，可靠性相對較低?，F(xiàn)階段液力耦合器使用壽命約為8年，永磁耦合器使用壽命約為20～30年[6]。

（5）成本

按現(xiàn)在采購價，永磁耦合器約為普通國產(chǎn)液力耦合器的5倍。

綜上所述，永磁耦合器較液力耦合器在使用環(huán)境、安裝精度、日常維護(hù)、使用壽命均具有優(yōu)勢，且機(jī)械效率可滿足液力耦合器機(jī)械效率高的要求，本文主要就永磁耦合器在轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步介紹。

2 永磁耦合器的在轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)上的應(yīng)用

2.1 項目背景

某公司廢紙制漿生產(chǎn)線轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)原傳動連接方式是電機(jī)+液力耦合器+減速箱連接。由于液力耦合器設(shè)計的局限性，結(jié)合近年來轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)的實際使用工況，多次跳停重開、連續(xù)的漿滿停機(jī)及增產(chǎn)等帶來功率變化，導(dǎo)致一年多的時間（2016 年2 月～2017 年7 月）內(nèi)連續(xù)損壞3 套液力耦合器。該液力耦合器技術(shù)要求高，為國外進(jìn)口產(chǎn)品，采購成本高，時間長。多次損壞不僅影響制漿生產(chǎn)線的連續(xù)運行，甚至造成了紙機(jī)生產(chǎn)線的計劃外停機(jī)。因此，液力耦合器的故障成為了制約正常生產(chǎn)的瓶頸，亟待解決。項目對比了永磁耦合器和液力耦合器各方面的特點，選擇采用永磁耦合器對其進(jìn)行改造。

2.2 永磁耦合器的選型

永磁耦合器根據(jù)冷卻形式的不同分為：空冷型和液冷型2種；按照調(diào)速機(jī)構(gòu)的配置分為：不帶調(diào)速裝置和帶調(diào)速裝置2種；按照永磁耦合器結(jié)構(gòu)形式又分為：盤式結(jié)構(gòu)型、單筒型和雙筒型。

該公司位于珠江出海口附近，冬天時有海水倒灌引起的咸潮發(fā)生；需改造的轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)位于廢紙分揀場內(nèi)，現(xiàn)場環(huán)境灰塵大；原傳動系統(tǒng)配置的電機(jī)為1350 kW 普通高壓電機(jī)，無變頻裝置。轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)設(shè)備參數(shù)如表1所示，要求其能夠應(yīng)對超負(fù)荷啟動及頻繁啟動；此次改造因現(xiàn)場安裝環(huán)境及時間的限制，要求不改變原設(shè)備基礎(chǔ)，不改動原減速箱和電機(jī)的位置；選型時主要應(yīng)從結(jié)構(gòu)簡單、運行更加穩(wěn)定考慮。

表1 轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)設(shè)備參數(shù)Table 1 Equipment parameters of drum pulper

（1）冷卻形式選擇

環(huán)境溫度是永磁耦合器非常重要的影響因素，永磁耦合器本身發(fā)熱量較大，若冷卻形式選擇不對，導(dǎo)致永磁耦合器長期在非常高溫的情況下運行，磁體有可能消磁，致使永磁耦合器無法正常驅(qū)動設(shè)備。因此，需充分考慮現(xiàn)場環(huán)境、永磁耦合器本身的發(fā)熱情況以及經(jīng)濟(jì)性等因素。永磁耦合器有2種常見的冷卻方式，詳見表2，空冷型產(chǎn)品靠設(shè)備旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)流自然冷卻，液冷型產(chǎn)品需外接冷卻介質(zhì)降溫冷卻；空冷型適合一般環(huán)境，但在某些惡劣環(huán)境下冷卻效果可能不足，液冷型因外接冷卻液及配套的控制裝置，可通過調(diào)節(jié)冷卻液流量、控制溫度等精確控制手段應(yīng)付更加惡劣的環(huán)境；從產(chǎn)品大小及維護(hù)量來看，空冷型產(chǎn)品一般結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小，維護(hù)方面只需定期吹塵；液冷型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尺寸相對較大，需單獨配置一套帶冷卻器、泵、控制系統(tǒng)等的冷卻裝置，設(shè)備元件多、故障點多，維護(hù)量大、成本高。此改造項目選擇空冷型永磁耦合器，一是此永磁耦合器應(yīng)用的環(huán)境雖處于廢紙分揀場，但空氣流通情況好，空冷型冷卻能力可以滿足需求；液冷型雖然效果更好，但除了上述所說的成本更高的因素外，因公司所處地點偶有咸潮發(fā)生，水中含氯離子較高，如想保證外置冷卻系統(tǒng)不被氯腐蝕、正常運行，需選擇能抗氯腐蝕材質(zhì)的熱交換器——鈦板熱交換器，這進(jìn)一步加大了投資成本。

表2 空冷型、液冷型永磁耦合器對比Table 2 Comparison of air cooled and liquid cooled magnetic coupling

（2）調(diào)速機(jī)構(gòu)配置的選擇

永磁耦合器通過調(diào)整嚙合尺寸可達(dá)到一定的調(diào)速效果，但配置調(diào)速機(jī)構(gòu)的永磁耦合器能比較精確的控制速度，基本達(dá)到替代變頻裝置的目的。因此，應(yīng)從主要需滿足的需求來選擇。此項目選擇不帶調(diào)速機(jī)構(gòu)的永磁耦合器，一是電機(jī)為普通高壓電機(jī)，沒有配置變頻裝置；二是節(jié)電、調(diào)速不是主要需滿足的要求；三是后期可通過調(diào)整嚙合尺寸進(jìn)行小幅度調(diào)速。

（3）結(jié)構(gòu)形式的選擇

永磁耦合器的3 種結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示。從結(jié)構(gòu)上看，盤式結(jié)構(gòu)型的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子由2個導(dǎo)體盤組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、磁場利用效率低。單筒型的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子由1個導(dǎo)體筒（外筒）組成，只能利用永磁轉(zhuǎn)子一面的磁場進(jìn)行扭矩傳遞，磁場利用效率低。雙筒型的導(dǎo)體轉(zhuǎn)子由2 個導(dǎo)體筒組成（內(nèi)筒和外筒），在永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子有效耦合時，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子可以充分利用永磁轉(zhuǎn)子兩面的磁場進(jìn)行扭矩的傳遞，磁場效率較高。在相同的負(fù)載扭矩輸出要求下，盤式結(jié)構(gòu)型和單筒型永磁耦合器要想達(dá)到和雙筒型永磁耦合器相等的扭矩傳遞，只能通過如下方法來解決：①增大導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的直徑以增大磁場有效耦合面積，滿足負(fù)載扭矩的輸出；②增大導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的寬度以增大有效磁耦合面積，實現(xiàn)負(fù)載扭矩的輸出。從成本角度看，雙筒型最貴、盤式結(jié)構(gòu)型最便宜、單筒型介于二者之間，如何選擇需根據(jù)實際的需求及目的來進(jìn)行。此項目改造的目的是解決重載啟動的問題，為達(dá)到一樣的高扭矩輸出，盤式結(jié)構(gòu)型最重、單筒型次之、雙筒型最輕。原液力耦合器為鋁合金材質(zhì)，整體較輕；因此，從盡量減少電機(jī)、減速箱負(fù)載，解決重載啟動問題的角度，應(yīng)選擇雙筒型永磁耦合器。

圖4 永磁耦合器的3種結(jié)構(gòu)形式Fig.4 Three structures of magnetic couplings

綜上所述，該改造項目選擇空冷型不帶調(diào)速機(jī)構(gòu)的雙筒型永磁耦合器。該永磁耦合器各項參數(shù)如表3所示，與碎漿機(jī)設(shè)備參數(shù)匹配，無需改動原有設(shè)備基礎(chǔ)，減速箱、電機(jī)均保持原有位置。

表3 永磁耦合器參數(shù)Table 3 Equipment parameters of magnetic coupling

2.3 永磁耦合器的安裝

（1）檢查安裝條件

檢查環(huán)境溫度，需符合工作溫度要求。按規(guī)定停止系統(tǒng)、斷電。拆下原有液力耦合器，檢查電機(jī)軸及減速箱軸徑向圓跳動和端面圓跳動，都需≤0.05 mm。檢查電機(jī)和負(fù)載的軸向竄動，滾珠軸承軸向竄動允許值需符合表4所示。撬動檢查，用撬棍沿徑向撬動電機(jī)軸，在電機(jī)軸上打表，電機(jī)本體保持不動，檢查電機(jī)軸跳動；同樣的方式檢查負(fù)載軸跳動，兩軸跳動應(yīng)≤0.1 mm。如上述檢查不能滿足，需檢查原有電機(jī)和負(fù)載，排查產(chǎn)生跳動的原因，解決后安裝永磁耦合器。

表4 滾珠軸承軸向竄動允許值Table 4 Allowable value of axial movement of ball bearing

（2）安裝前檢查

確認(rèn)負(fù)載與永磁耦合器旋轉(zhuǎn)方向一致。去除電機(jī)、負(fù)載軸上及鍵槽的黏粘物、毛刺、臟污，保持它們清潔干燥。測量電機(jī)、負(fù)載軸徑與永磁耦合器2脹套內(nèi)徑，保證能夠順利安裝。檢查鍵尺寸，確保其能順利安裝。

（3）安裝導(dǎo)體轉(zhuǎn)子

松開脹緊套及電機(jī)軸套螺栓，然后移開，將脹緊套裝到電機(jī)軸套上，并一起裝到電機(jī)軸上，用工具敲擊軸套端面直到其符合圖紙要求。緊固脹緊套螺栓，初步脹緊，打表軸套外沿及軸套圓周測量跳動，如圖5 所示，不斷測量調(diào)整，保證其跳動≤0.1 mm。取導(dǎo)體轉(zhuǎn)子剩余部分安裝到電機(jī)軸套上，使電機(jī)軸套與主動盤緊密配合，然后緊固螺栓，螺栓建議使用螺紋緊固膠，最后緊固脹緊套螺栓。

圖5 電機(jī)軸套圓跳動測量示意圖Fig.5 Schematic diagram of motor shaft sleeve circular runout measurement

（4）安裝永磁轉(zhuǎn)子

松開脹緊套及負(fù)載軸套螺栓，然后移開，將脹緊套裝到負(fù)載軸套上，并一起裝到負(fù)載軸上，用工具敲擊軸套端面直到其符合圖紙要求。緊固脹緊套螺栓，初步脹緊，打表軸套外沿及軸套圓周測量跳動，如圖6 所示，不斷測量調(diào)整，保證其跳動≤0.1 mm。取永磁轉(zhuǎn)子剩余部分安裝到負(fù)載軸套上，使負(fù)載軸套與從動盤緊密配合，然后緊固螺栓，螺栓建議使用螺紋緊固膠，最后緊固脹緊套螺栓。

圖6 負(fù)載軸套圓跳動測量示意圖Fig.6 Schematic diagram of motor shaft sleeve circular runout measurement

（5）組合導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子

將電機(jī)連同導(dǎo)體轉(zhuǎn)子吊到電機(jī)基礎(chǔ)上，使導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子盡量接近，吊裝過程為了防止碰撞或吸合，可把一木板提前置于2 個轉(zhuǎn)子之間，如圖7 所示。將木板移除，用電機(jī)調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)電機(jī)位置，將導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子耦合到圖紙要求尺寸，同時將2個轉(zhuǎn)子徑向上的間隙調(diào)整均勻，要求各處間隙偏差≤0.5 mm。調(diào)節(jié)過程中注意導(dǎo)體轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子不要碰撞，調(diào)節(jié)好電機(jī)位置后，將電機(jī)鎖定。

圖7 電機(jī)吊裝示意圖Fig.7 Schematic diagram of motor hoisting

（6）安裝防護(hù)罩

將防護(hù)罩罩在永磁耦合器上，調(diào)整防護(hù)罩位置，確保防護(hù)罩不會與2個轉(zhuǎn)子接觸，并盡量將內(nèi)部各位置與其之間的距離調(diào)整至相對均勻，固定防護(hù)罩[7]。

2.4 永磁耦合器調(diào)試

檢查安裝好的永磁耦合器，保證各部分連接完好，防護(hù)罩沒有與永磁耦合器接觸。在電機(jī)及負(fù)載軸上粘貼反光紙，以備測速。清理現(xiàn)場雜物，將系統(tǒng)風(fēng)門或閥門開到最大。人員撤離到安全位置。

按照設(shè)備啟動的正常流程啟動電機(jī)，運行平穩(wěn)后檢測電機(jī)、負(fù)載振動、轉(zhuǎn)速以及溫度，進(jìn)行間歇性多組測量。

負(fù)載及電機(jī)振動值≤0.05 mm，導(dǎo)體轉(zhuǎn)子外側(cè)溫度≤130℃。發(fā)現(xiàn)異常及時停機(jī)檢查。

2.5 永磁耦合器維護(hù)和保養(yǎng)

每次啟動前都應(yīng)做如下檢查：檢查防護(hù)罩是否有松動，是否接觸永磁耦合器；檢查設(shè)備周邊是否存在異物或易被吹起來的物品。

日常巡檢：檢測永磁耦合器外側(cè)溫度≤130℃，檢測電機(jī)、負(fù)載振動值≤0.05 mm，發(fā)生異常停機(jī)檢查。

設(shè)備保養(yǎng)：每半年將防護(hù)罩拆下用壓縮空氣吹掃內(nèi)、外散熱片及防護(hù)罩上的灰塵；檢查各連接螺栓是否松動，包括脹緊套的螺栓；檢查轉(zhuǎn)子之間有無磨損痕跡，保證轉(zhuǎn)子間隙均勻。溫度過高容易導(dǎo)致磁體消磁，建議運行溫度盡量保持較低，每隔固定的時間測量磁體磁力，如有明顯下降，應(yīng)將永磁耦合器拆下更換磁體。

2.6 改造后的效果

轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)改造前后各主要參數(shù)對比如表5 所示。從表5可以看出，轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)正常啟動電機(jī)有功功率從改造前的505.22 kW 降低至改造后的301.75 kW；轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)跳停后負(fù)載啟動時電機(jī)有功功率從改造前的1860.13 kW 降低至改造后的1117.54 kW。轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)減速箱振動測量速度值從改造前的5.8 mm/s降低至改造后的1.0 mm/s。在轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)正常啟動時，負(fù)載啟動和減速箱振動值方面改造后比改造前明顯降低。

表5 改造前、后主要參數(shù)對比Table 5 Comparison of main parameters before and after transformation

2017 年10 月完成永磁耦合器改造后，至今該公司轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)沒有再發(fā)生因傳動耦合器故障造成的故障停機(jī)，節(jié)約了頻發(fā)故障的液力耦合器的備品采購費用，避免了非計劃的故障停機(jī)造成的產(chǎn)量損失，既保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定，又為企業(yè)創(chuàng)造了效益。

3 結(jié)語

永磁耦合器是一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、維護(hù)量少的新傳動連接方式，在某公司廢紙制漿轉(zhuǎn)鼓碎漿機(jī)上的應(yīng)用，表明它在電機(jī)軟啟動、過載保護(hù)、消除振動、重載啟動等方面有較好的表現(xiàn)，值得在一些需要解決此類問題的工況中繼續(xù)研究應(yīng)用。