磁力驅動閘閥扭矩的分析計算*

彭正昶，喬 健，蔣增強，郭晨陽

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅蘭州 730314)

0 引言

磁力驅動閥是近年在閥門產品中發展起來的一種新型產品，它是由閥門和永磁磁力驅動裝置組合而成的一種嶄新的閥門結構形式。它的研制成功是對傳統閥門技術的提升和結構的改進。這種閥門由于驅動件的柔性接觸和轉矩的軟傳遞，使得整機結構合理，性能穩定、安全、可靠，提高了閥門使用的可靠性。目前除了永磁材料的使用溫度受到一定限制外在應用方面與其他閥門基本一樣，其應用領域非常廣泛，特別是使用在特殊工況中的低溫閥、耐腐蝕閥、輸油輸氣管道閥以及形形色色的安全閥等更顯露出它的優越性。但由于磁力驅動閥門的研究開發較晚，在磁扭矩的計算上，還存在著不足之處，造成磁力驅動閥成本過高或者扭矩不夠使閥門不能正常工作。根據磁力驅動閘閥的理論分析與實驗研究，總結出了扭矩計算公式，為磁力驅動閥門的設計提供了理論依據。

1 磁力驅動閘閥結構分析

磁力驅動閥門的結構原理見文獻，其結構形式較多，但閘閥通常采用圖1的結構［1］。由于閘閥關閉過

程比開啟過程工況惡劣，所以只需要分析關閉過程中的受力情況。閘閥完全關閉時，閘板與閥座密封面充分接觸，從而使兩者間的滑動摩擦力達到最大值［2］。由于介質對閥桿的徑向壓力是不變的，所以此時的軸向力最大。閘板與閥座密封面滑動摩擦力達到最大值時，導致螺紋摩擦力矩也達到最大值，此時的軸向力最大必然導致軸承摩擦力矩達到最大，所以需要作用在手輪上的開關扭矩∑M達到最大值［3］。由于開啟扭矩總是小于關閉扭矩，因此在設計閘閥時，計算開關扭矩值要以這一狀態為準。

圖1 磁力驅動閘閥的結構

2 磁力驅動閘閥扭矩計算

2.1閥桿所受扭矩

關閉時閥桿總軸向力QFZ'(N)為:

開啟時閥桿總軸向力QFZ″(N)為:

式中:K1、K3為密封面處介質作用力計算系數，它與閘板的楔角、密封方式、密封面處材料的摩擦系數有關，K1取值范圍為 0.15 ～0.35，K3取值范圍為 0.35 ～0.41，隨著密封面處材料的摩擦系數的增大而增大。

K2、K4為密封面上密封力計算系數，它與閘板的楔角、密封方式、密封面處材料的摩擦系數有關，當為自動密封形式時K2、K4為0，即不受密封力;當為強制密封時，K2取值范圍為0.60 ～0.77，K4取值范圍為 0.60～0.72，隨著密封面處材料的摩擦系數的增大而增大。

QMJ為密封面處介質作用力(N):

式中:DMN為密封面內徑(mm);bM為密封面寬度(mm);p為設計壓力(MPa)

QMF為密封面上密封力(N):

qMF為密封面必須比壓(MPa):

式中:m為與介質性質有關的系數，常溫液體m=1;常溫汽油、煤油和空氣等氣體以及高于100℃的液體，m=1.4;密封要求高的介質 m=1.8。a、c為與密封材料有關的系數，取值見表1［4］。

表1 與密封材料有關系數a、c的取值

QP為閥桿徑向截面上介質作用力(N):

QP=πdF

2P/4

式中:dF為閥桿直徑(mm)。

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QT為閥桿與軸承的摩擦力(N):

式中:f為摩擦系數;d為軸承直徑(mm);l為軸承長度(mm)。

關閉時閥桿所受扭矩MFL'(N·mm)為:

開啟時閥桿所受扭矩MFL″(N·mm)為:

式中:RFM為螺紋摩擦半徑(mm):

綜合以上分析可得閥桿的設計扭矩MFL為:

2.2 內轉子的摩擦扭矩

磁力驅動閘閥內轉子結構如圖2所示。內轉子與軸承端面產生的摩擦扭矩Mf(N·mm)為:

式中:F為摩擦力(N);d2、d3轉子摩擦面尺寸(mm)。

圖2 內轉子結構

2.3 外轉子的摩擦扭矩

磁力驅動閘閥外轉子結構如圖3所示。外轉子與軸承端面產生的摩擦扭矩Mf2(N·mm)為:

式中:F為摩擦力(N);d4、d5轉子摩擦面尺寸(mm)。

圖3 外轉子結構

2.4 閘板閥所受總扭矩

閘板閥總扭矩為閥桿、內外轉子所受扭矩之和，即:

根據總扭矩M即可設計磁傳動器的規格。

3 磁力驅動閘閥扭矩的測試

測試是根據轉矩轉速傳感器的工作原理進行的，扭矩的大小由轉矩轉速傳感器通過二次儀表直接顯示，從而測得傳遞力矩。力矩測試機構由三部分組成，其方框圖如圖4所示。

圖4 力矩測試機構方框圖

壓力源與磁力驅動閥連接，磁力驅動閥通過管道、連接法蘭與扭矩測試儀連接。在使用扭矩測試儀時按技術說明書的使用要求進行操作，測試扭矩的性能參數在顯示儀上顯示。

以CZ42－T－1型磁力驅動閘閥為例測試扭矩，該閥門的額定壓力為1.6 MPa，分別在其上下取四個點進行測試。測試結果表明，實際測試的扭矩值與采用以上公式計算結果的誤差僅為5%，說明本文所總結的扭矩公式可以為正確的設計磁力驅動閥門的扭矩提供可靠的理論依據。

［1］ 馬世宏.磁力耦合全密封球閥的設計流體機械［M］.北京:化工工業出版社，1995.

［2］ 王玉良.無填料永磁傳動閥閥門［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［3］ 陸培文.實用閥門設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［4］ 趙克中.磁力驅動技術與設備［M］.北京:化學工業出版社，2004.