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)

摘要: 前实际应用中磁扭矩计算方法上的不足，是造成磁力驱动阀门成本过高和扭矩不够使阀门不能正常工作的主要原因。通过对磁力驱动闸阀的理论分析，总结出了磁扭矩计算公式，并进行了实例验证，为磁力驱动阀门的设
计提供了理论依据。

关键词: 磁力驱动闸阀;扭矩;计算公式

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。

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。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艺M达到最大值。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。

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0.15~0.35rK3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，凡取值范围为0.60~0.77,K4凡取值范围为0.60~0.72，随着密封面处材料的摩擦系数的增大而增大。

Q_MJ为密封面处介质作用力(N):

Q_MJ=(D_MN+b_M)²pπ/4

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

Q_MF为密封面上密封力(N):

Q_MF=(DMN+bM)b_Mq_MFπ

q_MF为密封面必须比压(MPa):

q_MF=m(a+cp)/b_M 1/2

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。

Q_p为阀杆径向截面上介质作用力(N):

Q_p=πd_F²P/4

式中:d_F为阀杆直径(mm) 。

Q_T为阀杆与轴承的摩擦力(N):

Q_T=ƒπdlP

式中:ƒ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M_FL' ( N·mm)为:

M_FL'=Q_FZ'R_FM

开启时阀杆所受扭矩MFL" ( N·mm)为:

M_FL"=Q_FZ"R_FM

式中:R_FM为螺纹摩擦半径(mm):

R_FM=d₂tg(α_L+ρ_L)/2

式中：d₂为螺纹中径(mm);α_L为螺纹升角;ρ_L为螺纹副的摩擦角，阀杆为钢，螺母为青铜、黄铜、铸铁时 ρ_L=11°29'-14°02'，螺母为钢时ρ_L=16°42’-19°17'。

综合以上分析可得阀杆的设计扭矩M_Fl为:

M_FL={M_FLMAX|M_FL',M_FL"}