磁力驅(qū)動(dòng)閘閥扭矩的分析計(jì)算*

彭正昶，喬 健，蔣增強(qiáng)，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(qū)動(dòng)閥是近年在閥門產(chǎn)品中發(fā)展起來的一種新型產(chǎn)品，它是由閥門和永磁磁力驅(qū)動(dòng)裝置組合而成的一種嶄新的閥門結(jié)構(gòu)形式。它的研制成功是對傳統(tǒng)閥門技術(shù)的提升和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。這種閥門由于驅(qū)動(dòng)件的柔性接觸和轉(zhuǎn)矩的軟傳遞，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)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(yīng)用方面與其他閥門基本一樣，其應(yīng)用領(lǐng)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(yōu)越性。但由于磁力驅(qū)動(dòng)閥門的研究開發(fā)較晚，在磁扭矩的計(jì)算上，還存在著不足之處，造成磁力驅(qū)動(dòng)閥成本過高或者扭矩不夠使閥門不能正常工作。根據(jù)磁力驅(qū)動(dòng)閘閥的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出了扭矩計(jì)算公式，為磁力驅(qū)動(dòng)閥門的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 磁力驅(qū)動(dòng)閘閥結(jié)構(gòu)分析

磁力驅(qū)動(dòng)閥門的結(jié)構(gòu)原理見文獻(xiàn)，其結(jié)構(gòu)形式較多，但閘閥通常采用圖1的結(jié)構(gòu)［1］。由于閘閥關(guān)閉過

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

圖1 磁力驅(qū)動(dòng)閘閥的結(jié)構(gòu)

2 磁力驅(qū)動(dòng)閘閥扭矩計(jì)算

2.1閥桿所受扭矩

關(guān)閉時(shí)閥桿總軸向力QFZ'(N)為:

開啟時(shí)閥桿總軸向力QFZ″(N)為:

式中:K1、K3為密封面處介質(zhì)作用力計(jì)算系數(shù)，它與閘板的楔角、密封方式、密封面處材料的摩擦系數(shù)有關(guān)，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(shù)的增大而增大。

K2、K4為密封面上密封力計(jì)算系數(shù)，它與閘板的楔角、密封方式、密封面處材料的摩擦系數(shù)有關(guān)，當(dāng)為自動(dòng)密封形式時(shí)K2、K4為0，即不受密封力;當(dāng)為強(qiáng)制密封時(shí)，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(shù)的增大而增大。

QMJ為密封面處介質(zhì)作用力(N):

式中:DMN為密封面內(nèi)徑(mm);bM為密封面寬度(mm);p為設(shè)計(jì)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(zhì)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，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(zhì) m=1.8。a、c為與密封材料有關(guān)的系數(shù)，取值見表1［4］。

表1 與密封材料有關(guān)系數(shù)a、c的取值

QP為閥桿徑向截面上介質(zhì)作用力(N):

QP=πdF

2P/4

式中:dF為閥桿直徑(mm)。

翻轉(zhuǎn)課堂要求參與化原則。要求人人有參與創(chuàng)造的機(jī)會(huì)，激發(fā)人人參與的激情，從而做到提高人人參與的能力，使學(xué)生在體會(huì)和感悟中學(xué)習(xí)、成長。翻轉(zhuǎn)課堂的情境導(dǎo)入會(huì)突破傳統(tǒng)課堂的束縛，讓每個(gè)學(xué)生都成為課堂的主導(dǎo)者，成為學(xué)習(xí)樂園的參與者。這樣才能切身實(shí)地地讓學(xué)生充分閱讀課本知識，而不是生搬硬套，成為學(xué)習(xí)機(jī)器，以便培養(yǎng)學(xué)生自助管理的能力和效率自己掌控學(xué)習(xí)的節(jié)奏，自己成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者。

QT為閥桿與軸承的摩擦力(N):

式中:f為摩擦系數(shù);d為軸承直徑(mm);l為軸承長度(mm)。

關(guān)閉時(shí)閥桿所受扭矩MFL'(N·mm)為:

開啟時(shí)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(shè)計(jì)扭矩MFL為:

2.2 內(nèi)轉(zhuǎn)子的摩擦扭矩

磁力驅(qū)動(dòng)閘閥內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)轉(zhuǎn)子與軸承端面產(chǎn)生的摩擦扭矩Mf(N·mm)為:

式中:F為摩擦力(N);d2、d3轉(zhuǎn)子摩擦面尺寸(mm)。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.3 外轉(zhuǎn)子的摩擦扭矩

磁力驅(qū)動(dòng)閘閥外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示。外轉(zhuǎn)子與軸承端面產(chǎn)生的摩擦扭矩Mf2(N·mm)為:

式中:F為摩擦力(N);d4、d5轉(zhuǎn)子摩擦面尺寸(mm)。

圖3 外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.4 閘板閥所受總扭矩

閘板閥總扭矩為閥桿、內(nèi)外轉(zhuǎn)子所受扭矩之和，即:

根據(jù)總扭矩M即可設(shè)計(jì)磁傳動(dòng)器的規(guī)格。

3 磁力驅(qū)動(dòng)閘閥扭矩的測試

測試是根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理進(jìn)行的，扭矩的大小由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)由三部分組成，其方框圖如圖4所示。

圖4 力矩測試機(jī)構(gòu)方框圖

壓力源與磁力驅(qū)動(dòng)閥連接，磁力驅(qū)動(dòng)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(shí)按技術(shù)說明書的使用要求進(jìn)行操作，測試扭矩的性能參數(shù)在顯示儀上顯示。

以CZ42－T－1型磁力驅(qū)動(dòng)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，實(shí)際測試的扭矩值與采用以上公式計(jì)算結(jié)果的誤差僅為5%，說明本文所總結(jié)的扭矩公式可以為正確的設(shè)計(jì)磁力驅(qū)動(dòng)閥門的扭矩提供可靠的理論依據(jù)。

［1］ 馬世宏.磁力耦合全密封球閥的設(shè)計(jì)流體機(jī)械［M］.北京:化工工業(yè)出版社，1995.

［2］ 王玉良.無填料永磁傳動(dòng)閥閥門［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］ 陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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