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微型磁力齒輪泵選型注意事項

發(fā)布時間：2022-11-03 13:51:17 作者：行業(yè)大咖秀點擊：1812

微型泵通常指體積小巧，流量低的泵類產(chǎn)品。

按照不同的技術原理又可以分成微型離心泵、微型齒輪泵、微型隔膜泵、微型柱塞泵、微型蠕動泵、微型旋片泵、旋渦泵等等；按照驅(qū)動方式可以分成直聯(lián)式、磁力驅(qū)動式，按照運動方式可以分成往復式和旋轉式；按照材質(zhì)可以分為金屬泵、塑料泵、復合泵等；按照輸送液體的溫度可以分為低溫泵、高溫泵和常溫泵；按照不同動力來源可以分為氣動式泵、直流泵（12V,24V,48V等等）、伺服泵、交流泵、變頻泵等等。

而使用者往往習慣于用自己的實際使用需求來給泵命名，例如循環(huán)泵、加壓泵、取樣泵、制冷泵、冷卻泵、尿素泵、色譜泵、沖洗泵、噴霧泵、消防泵等。

有了這么多的細分，難免給用戶的選泵帶來很多的困惑，這里我針對微型泵的結構和性能特點，結合常見應用做一些分析和建議，供選泵時參考。

無論是什么類型的泵，萬變不離其宗，它們的作用就是通過對被輸送液體做工，使得被輸送液體產(chǎn)生符合要求的流動。這里就出現(xiàn)了泵選型的最基本參數(shù)：流量和壓力。

通常來說，離心泵在小流量下很難做到高揚程（高壓力），所以在需要小流量高壓力的場合，容積式泵出現(xiàn)的頻率很高。其中一種就是微型齒輪泵。

微型（磁力）齒輪泵的特點是：

1.工作時主動輪和從動輪需要相互嚙合，

2.泵內(nèi)間隙小，齒輪與泵體，軸與軸承之間的間隙都在幾十微米的范圍

3.軸承和齒輪一般都采用高分子材料電機的扭矩通過磁力聯(lián)軸器傳遞到軸

所以在選擇該種類型泵的時候，需要考慮液體的流量、入口和出口壓力、粘度、液體的腐蝕性、顆粒情況、溫度、液體對剪切力的敏感程度、入口和出口管線情況、電機的類型、流量和壓力的控制方式（精度、批量、逆止）等等。

1.流量

制造精良的微型磁力齒輪泵的一般可以在3~4000rpm轉速范圍內(nèi)工作，通過查找每個型號的流量-壓力-轉速曲線，就可以方便的進行選型(lpm是升/分鐘，斜線代表壓差)

由于泵內(nèi)部存在間隙的原因，總有一部分處于泵出口端的高壓液體會沿著泵內(nèi)部的間隙從泵內(nèi)部回流到泵的入口端，造成泵的實際輸出流量小于理論值。并且隨著進出口壓力差的增大，內(nèi)部的回流流量也相應加大。

泵的實際流量=泵的理論流量-泵內(nèi)部泄漏量。

從上圖中可以看出，在相同轉速下，壓力越高，實際流量越低。另外也可以看到在出口壓力穩(wěn)定的情況下，泵的流量和轉速成線性關系，這也是齒輪泵可以作為計量泵的理論依據(jù)。但是如果壓力波動，那么線性關系將被破壞，這種現(xiàn)象在輸送低粘度液體的系統(tǒng)中表現(xiàn)更為明顯。

2.壓力

一般我們只考慮進出口壓差，但是分別了解進口壓力和出口壓力對于正確的選型至關重要。

因為有時候泵的進口可能是負壓，有時候可能是正壓。如果是負壓的情況，需要知道具體的負壓值，當泵的入口壓力小于大氣壓時，泵在相同轉速和壓差情況下的流量會低于性能曲線中的正常值。

當入口真空度達到一個極值時，泵將無法正常工作(NPSHa大氣壓時，必須保證出口壓力<泵的最大承壓，也就是“入口壓力+壓差<泵的最大承壓”，這樣才能保證泵的長期安全工作。

另外，我們也需要正確理解泵的出口壓力。齒輪泵是一種容積泵，我們通常說NP系列微型磁力泵可以達到20bar壓差，這里的20bar指的是泵的能力。但是泵安裝在一個系統(tǒng)里以后，實際能夠達到的工作壓力是由系統(tǒng)的阻力決定的。系統(tǒng)的阻力=液體在管道中流動阻力+可能的容器壓力。

圖中泵的實際工作壓力=液體流經(jīng)管道的壓力降+液體流經(jīng)閥門的壓力降+罐體內(nèi)的壓力。如果中間還有高度差引起的壓力降和彎管引起的壓力降，都要計算在內(nèi)。

3.粘度

液體的粘度對泵的性能和功率都有影響，粘度同時又受溫度甚至是剪切力的影響。因為齒輪泵內(nèi)部泄漏的存在，泵在輸送粘度越大的液體時，內(nèi)部泄漏越小，實際輸出流量就會大。所以相比于低粘度的水來說，輸送高粘度的液體時，同一型號的泵在相同轉速和壓差下，泵的實際輸出流量會大一些。

但是隨著液體粘度的升高，液體本身的流動性下降，同時齒輪在高粘度液體中旋轉所需要消耗的功率也會急劇上升，所以隨著輸送液體粘度的升高，泵的工作轉速也應該適當降低，這樣不僅可以降低不必要的能耗，也能防止氣蝕的發(fā)生。

齒輪泵工作時，由于齒輪間的嚙合、軸承和軸之間的摩擦以及磁力聯(lián)軸器的損耗都會產(chǎn)生溫升，進而對液體粘度產(chǎn)生影響，如果液體的性狀或者工藝需求對溫度變化非常敏感，那么選型時需要考慮泵轉速、內(nèi)部間隙、齒形設計等因素來限制泵的做功對液體溫度的影響。如果液體對剪切力非常敏感，那么需要通過降低轉速來應對。

索富NP系列齒輪泵可以適用于0.2～10000cps粘度范圍內(nèi)的液體。即從氟利昂到膠液都可以輕松應對。

4.液體的腐蝕性

液體的腐蝕性會嚴重影響泵的使用壽命。

我們必須保證泵內(nèi)所有接觸液體的部件都是能夠耐受所輸送液體的腐蝕的。通常來說，NP系列齒輪泵泵體采用的316L不銹鋼材料對各種液體的耐腐蝕性性能比較容易查找，我們的陶瓷軸耐腐蝕性也很好，主要是PEEK/PPS齒輪和軸承對不同化學介質(zhì)的適用性需要進一步考慮。

PEEK和PPS本身的耐腐蝕性很好，適用范圍很廣，但是也有一些液體會讓它們?nèi)苊洠貏e是它們在一些液體中只有非常輕微的溶脹，可能在其它的應用中可以被評判為“可用”，但是由于微型泵本身非常小的內(nèi)部間隙，這些非常輕微的溶脹可能會引起泵的卡死。

索富有大量的數(shù)據(jù)來判斷液體和材料的互容性，但某些材料不在索富已有的數(shù)據(jù)庫中時，索富也可以為用戶提供樣品浸泡測試。特別要注意的是，很多時候材料的耐腐蝕性是和溫度相關的。

5.顆粒情況

由于微型齒輪泵內(nèi)部的微小間隙，任何接近間隙范圍的顆粒都有可能將泵卡死，另外即便是非常微小的硬性顆粒，都有可能在齒輪高速運轉的情況下將齒輪或者軸承永久性地破壞。有些顆粒是存在于液體中的，還有很多情況下可能液體是干凈的，但是系統(tǒng)管道和容器、接頭、焊點中可能會有顆粒的存在，特別是新安裝或者改造的系統(tǒng)中這類情況非常普遍。所以建議用戶在泵的入口安裝300-400目的過濾器，以保護泵的安全。過濾器的選擇除了保證材料不被液體腐蝕外，還要考慮過濾器的耐溫、耐壓和過流面積。如果過流面積太小會導致入口阻力過大，也可能會造成過濾器頻繁堵塞。

6.溫度

談到溫度，我們需要考慮液體的溫度以及泵工作的環(huán)境溫度二個方面。

1）液體溫度：泵的零部件要能保證可以在液體溫度范圍內(nèi)長期穩(wěn)定工作，包括泵體、軸承、齒輪、軸、磁驅(qū)和密封圈的材料。

同時我們還要考慮在極端溫度下泵的最大允許工作壓力的變化。

特別是泵體最薄的磁力罩部位的承壓能力。對于磁力聯(lián)軸器，我們不僅要考慮到所用磁粉的耐溫等級，還要考慮磁體成型以后老化的溫度。上海索富泵業(yè)的NP系列磁力泵磁驅(qū)都經(jīng)過150℃高溫老化，全泵體可以長期穩(wěn)定地在-120~150℃范圍內(nèi)工作。

液體溫度還會影響到泵內(nèi)間隙。因為不同部件的材料和尺寸的不同，在同樣的溫升下不同部件的尺寸變化量是不同的，造成間隙的變化。

總的說來有可能造成低溫下流量太小，高溫時泵可能卡死。所以在前期咨詢時應該考慮實際工況下液體的溫度范圍，以便出廠時設置合適的泵內(nèi)間隙。換句話說即便我們的泵可以在-120~150攝氏度下工作。

但是如果詢價時提供的液體溫度與實際范圍相差太大，有可能泵在運行中發(fā)生流量不夠或者卡死的現(xiàn)象。由于泵和電機是用連接架連接的，泵頭的溫度也會傳遞到電機上，對于電機的耐溫等級也會有一定影響。

2）環(huán)境溫度：環(huán)境溫度會對電機的選型產(chǎn)生很大影響。

可能要配置低溫或者高溫電機，如果是配置無刷直流電機，那么環(huán)境溫度對驅(qū)動器性能的影響也是相當大。另外有些液體在常溫或者冬天的低溫下會凝固，此時就需要考慮采用泵頭加熱的方式來保證泵的正常開機，比較常見的方式是在泵頭上纏繞伴熱帶。

7.液體對剪切力的敏感程度

齒輪泵在工作中，主動輪和從動輪之間的嚙合會產(chǎn)生剪切力。有些液體對剪切力很敏感，在大剪切力下液體的性狀會發(fā)生改變直至不能使用。對于這些液體，必須采用降低泵工作轉速、加大泵內(nèi)間隙的方式來盡量降低剪切。更多時候可能需要選擇隔膜泵、蠕動泵等剪切力更小的泵型來完成輸送。我們可以為您提供這方面的咨詢服務。

8.入口和出口管線情況

一般來說，入口和出口管徑要不小于泵體的接口直徑。

為了保證泵的正常吸入，入口管徑希望盡可能地短，并且減少彎頭。所有的入口管線長度或者泵與液面高度差的因素，都可以歸結到NPSHa的概念范圍，較大的差別是NPSHa是對應泵入口充滿液體的情況。

如果泵工作前，入口管線是空的，那么必須考量泵在無液體狀態(tài)下最長的允許運行時間以及在這種情況下泵的抽吸能力。

對于需要自吸的場合，泵的干運轉能力以及在干運行時的抽吸能力就顯得非常重要了，否則泵會直接燒壞。上海索富NP系列微型磁力齒輪泵可以達到最長100小時的干運轉時間以及1米左右全干狀態(tài)的垂直吸上能力。

出口管徑會影響到出口的系統(tǒng)壓力，特別是在輸送高粘度的液體時，有時出口管徑大一級，出口的管道壓力可以有30%甚至更高的降幅，這對于日常運行的節(jié)能將起到非常大的作用。

齒輪泵的出口管路系統(tǒng)要防止憋壓，索富提供的直流無刷電機一般都帶有過流保護功能，我們也建議用戶在可能的情況下在出口管路上安裝安全閥，以防止過高的出口壓力損壞管道或泵體。我司的產(chǎn)品不提供泵頭內(nèi)置的安全閥，因為這類型產(chǎn)品體積太小，一旦泵內(nèi)安全閥開啟，所有的能量將推動液體在狹小的泵頭空間高速循環(huán)，液體的溫度會很快上升。包括進口微型齒輪泵都發(fā)生過由于泵頭安全閥開啟引起過熱將泵卡死磨損的現(xiàn)象。

干運轉：干轉有幾種典型的情況：

1）泵啟動前，入口管是空的，泵需要自行把遠處的液體吸入泵內(nèi)。

2）當輸送結束后，系統(tǒng)沒有自停機功能或者自停機功能有延遲，需要泵再干運轉一段時間。

3）泵所輸送的液體非常容易氣化或者本身就是輸送氣液兩相的介質(zhì)，泵內(nèi)常常有氣體的存在。

干運轉對于液體泵來說是個比較麻煩的狀況，主要是因為泵本身的結構和材料設計是為輸送液體考慮的，并不會過多考慮干運轉時輸送氣體的情況。

對于常用的離心泵，使用者都知道開泵前需要保證泵入口管道是充滿液體的，但是當使用者聽說容積式的泵具有自吸能力的時候，往往認為不需要再考慮入口情況了，這會導致很大的問題。

主要的問題來自于：

1、齒輪相互嚙合時缺少液體潤滑導致的過量磨損；

2、軸和軸承之間相對運動時缺少液體潤滑導致的過量磨損；

3、齒輪側面和泵體之間相對運動時缺少液體潤滑導致的過量磨損。在此過程中，由于過度摩擦產(chǎn)生的熱量會導致材料的尺寸發(fā)生膨脹變形，甚至會導致泵的直接卡死，部件損壞。同時磁力聯(lián)軸器工作時在磁力罩內(nèi)產(chǎn)生的渦流損失也會引起磁力罩的發(fā)熱。

索富實業(yè)的NP系列微型磁力齒輪泵通過應用特殊的齒輪、軸承和軸材料的選擇，以及特殊的齒輪型線，將上述的問題大大緩解。所以全系列產(chǎn)品都有良好的耐干運轉能力。其中NP039型號在測試臺上進行了長達100小時的干運轉測試。全系列產(chǎn)品完全能夠應付現(xiàn)場幾分鐘時長的干運轉。

9.電機的類型和功率選擇

通常來說電機可以分為交流電機（普通交流電機，變頻電機，防爆電機，變頻防爆電機，單相電機等）、直流有刷電機、直流無刷電機（BLDC）、步進電機和伺服電機。

在工業(yè)領域各種交流電機用得比較多，首先看是1X220V還是3X220V或者3X380V，電壓確定了再看是否要防爆（防爆等級）或者變頻。

選擇變頻通常是因為要適應一定的流量范圍，但是一來變頻電機成本高，還要加裝變頻器，所以客戶還可以通過出口旁路的方式來調(diào)節(jié)流量。由于交流電機體積比較龐大，調(diào)速精度不高，在很多商用設備中不便于安裝，此時各種直流電機、步進電機或者伺服電機就可以大顯神通了。

普通的有刷直流電機可以直接通過供電電壓進行調(diào)速，但是由于碳刷的壽命短，碳刷磨損后的微小碳粉可能對系統(tǒng)造成危害，所以在各類專業(yè)設備中的使用越來越少。

無刷直流電機體積小巧，拋除了傳統(tǒng)的碳刷，使用壽命得到延長，可以就地手動調(diào)速、遠程模擬信號調(diào)速或遠程數(shù)字信號調(diào)速，越來越多地被市場所接受。當客戶需要微小流量并且控制精度高時，可以考慮使用步進電機或伺服電機，步進電機成本相對低廉，轉速一般<800rpm，所以如果您需要的流量跨度大，精度高，那么建議考慮使用伺服電機。

電機功率=（流量*壓力/效率）*安全系數(shù)。很多時候電機功率選擇的難點在于安全余量的選擇上。對于交流電機，國標中有對于不同功率電機的安全系數(shù)有規(guī)定的值。但是我們還要根據(jù)實際使用環(huán)境，比如海拔高度，環(huán)境溫度，環(huán)境通風狀況，連續(xù)工作時間，啟停頻率，調(diào)速頻率，過載可能性等等因素來合理改變安全系數(shù)。

*上海索富實業(yè)定制開發(fā)的直流無刷電機功率覆蓋40W到2500W，400W以下電機可以提供內(nèi)置驅(qū)動器選項，進一步縮小空間的占用，方便現(xiàn)場安裝。我們可以提供就地手動調(diào)速或者遠程0-5V電壓信號或者PWM信號調(diào)速，支持轉速信號輸出功能，支持電機正反轉控制。使用環(huán)境溫度-40~80℃，防護等級可以達到IP66。我們還專門針對小型化的應用為NP系列產(chǎn)品開發(fā)了無電機軸的屏蔽式內(nèi)置驅(qū)動器無刷直流電機。

10.流量和壓力的控制方式

齒輪泵的流量控制一般是通過控制泵的轉速來達到的。比如NP039，它的名義排量是0.39毫升/轉，就是說泵每轉一圈，它理論上應該輸出0.39毫升的流量。那么如果泵的轉速是1000轉/分鐘，那么理論上泵應該輸出的流量就是390毫升/分鐘。所以通過調(diào)節(jié)泵的轉速，就可以很容易地達到需要的流量。

因此如果系統(tǒng)對流量的精度要求不高的時候（+-2%左右），采用交流變頻電機或者直流無刷電機控制齒輪泵的轉速的方式來達到對流量的調(diào)節(jié)是一個很好的方式。在對精度要求較高的場合（~0.5%）還是建議采用伺服電機。

泵的流量精度也受出口管路壓力波動的影響。

可能很多人會有疑問：壓力不是靠泵產(chǎn)生的嗎？怎么還說受出口管路壓力波動的影響？

因為容積泵后的壓力其實是由管網(wǎng)的阻力和負載決定的，如果容積泵的出口直接聯(lián)通大氣，那么實際工作壓力就為0（表壓）。它是典型的“遇強則強，遇弱則弱”。

管網(wǎng)阻力就是液體流經(jīng)管路時產(chǎn)品的阻力，直管，彎管，變徑，閥門等等都會帶來壓力降；負載可以包括高度差，容器壓力，執(zhí)行元件動力等等。泵出口壓力的波動不僅會直接引起泵輸出流量的波動，也會因為壓力波動引起扭矩的波動進而引起電機轉速的波動。因此在精確的計量系統(tǒng)中，需要在泵后安裝穩(wěn)壓閥并且使用轉速受扭矩變化影響小的電機。

齒輪泵的結構相異于柱塞泵和隔膜泵，后者在泵內(nèi)都有進出口單向閥，所以在停泵時液體是無法流動的。齒輪泵沒有內(nèi)置的單向閥，所以停機時管道內(nèi)的液體可以流動，會產(chǎn)生“滴液”現(xiàn)象或者停機一段時間后有可能發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)會有空氣進入。

如果不希望有此類現(xiàn)象的發(fā)生，可以在泵出口安裝一個開啟壓力盡可能小的單向閥。另外齒輪泵內(nèi)不帶單向閥的特性也有很多好處，比如停機前可以簡單地通過電機反轉來將管道中的液體排入進液罐，不會發(fā)生隔膜泵的“氣鎖”等現(xiàn)象。