磁力驱动闸阀扭矩的分析计算*

彭正昶，乔 健，蒋增强，郭晨阳

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃兰州 730314)

0 引言

磁力驱动阀是近年在阀门产品中发展起来的一种新型产品，它是由阀门和永磁磁力驱动装置组合而成的一种崭新的阀门结构形式。它的研制成功是对传统阀门技术的提升和结构的改进。这种阀门由于驱动件的柔性接触和转矩的软传递，使得整机结构合理，性能稳定、安全、可靠，提高了阀门使用的可靠性。目前除了永磁材料的使用温度受到一定限制外在应用方面与其他阀门基本一样，其应用领域非常广泛，特别是使用在特殊工况中的低温阀、耐腐蚀阀、输油输气管道阀以及形形色色的安全阀等更显露出它的优越性。但由于磁力驱动阀门的研究开发较晚，在磁扭矩的计算上，还存在着不足之处，造成磁力驱动阀成本过高或者扭矩不够使阀门不能正常工作。根据磁力驱动闸阀的理论分析与实验研究，总结出了扭矩计算公式，为磁力驱动阀门的设计提供了理论依据。

1 磁力驱动闸阀结构分析

磁力驱动阀门的结构原理见文献，其结构形式较多，但闸阀通常采用图1的结构［1］。由于闸阀关闭过

程比开启过程工况恶劣，所以只需要分析关闭过程中的受力情况。闸阀完全关闭时，闸板与阀座密封面充分接触，从而使两者间的滑动摩擦力达到最大值［2］。由于介质对阀杆的径向压力是不变的，所以此时的轴向力最大。闸板与阀座密封面滑动摩擦力达到最大值时，导致螺纹摩擦力矩也达到最大值，此时的轴向力最大必然导致轴承摩擦力矩达到最大，所以需要作用在手轮上的开关扭矩∑M达到最大值［3］。由于开启扭矩总是小于关闭扭矩，因此在设计闸阀时，计算开关扭矩值要以这一状态为准。

图1 磁力驱动闸阀的结构

2 磁力驱动闸阀扭矩计算

2.1阀杆所受扭矩

关闭时阀杆总轴向力QFZ'(N)为:

开启时阀杆总轴向力QFZ″(N)为:

式中:K1、K3为密封面处介质作用力计算系数，它与闸板的楔角、密封方式、密封面处材料的摩擦系数有关，K1取值范围为 0.15 ～0.35，K3取值范围为 0.35 ～0.41，随着密封面处材料的摩擦系数的增大而增大。

K2、K4为密封面上密封力计算系数，它与闸板的楔角、密封方式、密封面处材料的摩擦系数有关，当为自动密封形式时K2、K4为0，即不受密封力;当为强制密封时，K2取值范围为0.60 ～0.77，K4取值范围为 0.60～0.72，随着密封面处材料的摩擦系数的增大而增大。

QMJ为密封面处介质作用力(N):

式中:DMN为密封面内径(mm);bM为密封面宽度(mm);p为设计压力(MPa)

QMF为密封面上密封力(N):

qMF为密封面必须比压(MPa):

式中:m为与介质性质有关的系数，常温液体m=1;常温汽油、煤油和空气等气体以及高于100℃的液体，m=1.4;密封要求高的介质 m=1.8。a、c为与密封材料有关的系数，取值见表1［4］。

表1 与密封材料有关系数a、c的取值

QP为阀杆径向截面上介质作用力(N):

QP=πdF

2P/4

式中:dF为阀杆直径(mm)。

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QT为阀杆与轴承的摩擦力(N):

式中:f为摩擦系数;d为轴承直径(mm);l为轴承长度(mm)。

关闭时阀杆所受扭矩MFL'(N·mm)为:

开启时阀杆所受扭矩MFL″(N·mm)为:

式中:RFM为螺纹摩擦半径(mm):

综合以上分析可得阀杆的设计扭矩MFL为:

2.2 内转子的摩擦扭矩

磁力驱动闸阀内转子结构如图2所示。内转子与轴承端面产生的摩擦扭矩Mf(N·mm)为:

式中:F为摩擦力(N);d2、d3转子摩擦面尺寸(mm)。

图2 内转子结构

2.3 外转子的摩擦扭矩

磁力驱动闸阀外转子结构如图3所示。外转子与轴承端面产生的摩擦扭矩Mf2(N·mm)为:

式中:F为摩擦力(N);d4、d5转子摩擦面尺寸(mm)。

图3 外转子结构

2.4 闸板阀所受总扭矩

闸板阀总扭矩为阀杆、内外转子所受扭矩之和，即:

根据总扭矩M即可设计磁传动器的规格。

3 磁力驱动闸阀扭矩的测试

测试是根据转矩转速传感器的工作原理进行的，扭矩的大小由转矩转速传感器通过二次仪表直接显示，从而测得传递力矩。力矩测试机构由三部分组成，其方框图如图4所示。

图4 力矩测试机构方框图

压力源与磁力驱动阀连接，磁力驱动阀通过管道、连接法兰与扭矩测试仪连接。在使用扭矩测试仪时按技术说明书的使用要求进行操作，测试扭矩的性能参数在显示仪上显示。

以CZ42－T－1型磁力驱动闸阀为例测试扭矩，该阀门的额定压力为1.6 MPa，分别在其上下取四个点进行测试。测试结果表明，实际测试的扭矩值与采用以上公式计算结果的误差仅为5%，说明本文所总结的扭矩公式可以为正确的设计磁力驱动阀门的扭矩提供可靠的理论依据。

［1］ 马世宏.磁力耦合全密封球阀的设计流体机械［M］.北京:化工工业出版社，1995.

［2］ 王玉良.无填料永磁传动阀阀门［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［3］ 陆培文.实用阀门设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［4］ 赵克中.磁力驱动技术与设备［M］.北京:化学工业出版社，2004.