鐘 震

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1 概述

當(dāng)前閥門的開閉或調(diào)節(jié)，多為外部驅(qū)動裝置通過貫穿閥體的閥桿帶動內(nèi)部閥芯運動。閥門存在兩種密封結(jié)構(gòu)：靜密封和動密封。

靜密封一般指兩個靜止面之間的密封，主要使用墊圈密封。動密封指相對運動件之間的密封，分為往復(fù)式動密封和旋轉(zhuǎn)式動密封。往復(fù)式動密封主要使用密封環(huán)、密封圈密封，旋轉(zhuǎn)式動密封主要使用成型填料密封、填料函密封或脹圈密封。一般情況下動密封較靜密封實現(xiàn)難度大，密封效果差。

閥桿與閥體之間的密封為旋轉(zhuǎn)式動密封，此處密封難度較大，容易發(fā)生泄漏。為提高閥門的整體密封性，筆者提出消除閥桿與閥體間旋轉(zhuǎn)式動密封的閥門方案，可在閥體全封閉狀態(tài)下驅(qū)動內(nèi)部閥芯動作。此方案利用外部磁場變化，對閥體內(nèi)部磁鐵產(chǎn)生吸引和排斥，從而驅(qū)動內(nèi)部磁鐵帶動閥芯運動，實現(xiàn)開閉或調(diào)節(jié)功能。

2 磁力驅(qū)動閥門原理及可行性分析

① 磁力驅(qū)動閥門原理

磁力驅(qū)動閥門原理見圖1，圖1有內(nèi)外磁環(huán)，內(nèi)外磁環(huán)中鑲嵌磁鐵。磁鐵間同極相斥、異極相吸。靜止時，內(nèi)磁環(huán)S極在外磁環(huán)N極吸引及外磁環(huán)S極排斥下，處于與外磁環(huán)N極同一角位，同理內(nèi)磁環(huán)N極處于與外磁環(huán)S極同一角位。當(dāng)外磁環(huán)轉(zhuǎn)動時，在磁力作用下，帶動內(nèi)磁環(huán)沿中心轉(zhuǎn)動，驅(qū)動閥芯運動。內(nèi)磁環(huán)上磁鐵的受力見圖2。圖2量符號說明如下：

F1——外磁環(huán)N極對內(nèi)磁環(huán)S極的吸引力，N

F2——外磁環(huán)S極對內(nèi)磁環(huán)S極的排斥力，N

F3——F1與F2的合力,N

圖1 磁力驅(qū)動閥門原理

圖2 內(nèi)磁環(huán)上磁鐵的受力

② 磁力驅(qū)動閥門可行性分析

以采用牌號為N38的釹鐵硼磁鐵(簡稱釹磁鐵)，應(yīng)用在口徑50 mm、設(shè)計壓力1.6 MPa的截止閥上為例。釹磁鐵密度為7.5 g/cm3。按照圖1，將16塊釹磁鐵均勻鑲嵌在內(nèi)外磁環(huán)上，內(nèi)外磁環(huán)上各8塊。兩磁環(huán)凈距為4 mm，內(nèi)部磁環(huán)中心線半徑為50 mm，計算得到外部釹磁鐵對內(nèi)部釹磁鐵產(chǎn)生的最大力矩為12 N·m，大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的閥門啟閉力矩(10 N·m)。因此在釹磁鐵規(guī)格、數(shù)量及分布方式設(shè)計得當(dāng)情況下，可以實現(xiàn)磁力驅(qū)動閥門。筆者按照上述參數(shù)設(shè)計了模型，證明了磁力驅(qū)動閥門可行。

3 2種磁力驅(qū)動閥門

3.1 無閥桿磁力驅(qū)動閥門

圖3是無閥桿磁力驅(qū)動閥門[1]，是一種新型結(jié)構(gòu)閥門，閥門主要由閥體、閥芯和開關(guān)旋鈕組成。開關(guān)旋鈕結(jié)構(gòu)為環(huán)形，嵌套在閥體外側(cè)。開關(guān)旋鈕周圍設(shè)計有防滑凸棱，起到防滑作用；內(nèi)側(cè)均勻安裝8塊釹磁鐵(稱為旋鈕釹磁鐵)，按照圖1外磁環(huán)布置。開關(guān)旋鈕上有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽套在限位柱上。開關(guān)旋鈕只能在90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，沿著限位柱做順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。閥體上有限位柱，起到限位作用，防止開關(guān)旋鈕過度旋轉(zhuǎn)。閥體隔板上開2個扇形隔板孔。閥芯通過螺釘固定在閥體隔板上，閥芯隔板上也開2個扇形閥芯孔。閥芯孔與隔板孔大小一致，位置相同。當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)到一定角度時，閥芯孔可與隔板孔完全重合。閥芯外圍均勻安裝8塊釹磁鐵(稱為閥芯釹磁鐵)，按照圖1內(nèi)磁環(huán)布置。

當(dāng)開關(guān)旋鈕旋轉(zhuǎn)時，開關(guān)旋鈕上的釹磁鐵帶動閥芯上的釹磁鐵一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)開關(guān)旋鈕旋轉(zhuǎn)至“開”位置時，閥芯孔與隔板孔完全重合，閥門此時處于完全打開狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)旋鈕旋轉(zhuǎn)至“關(guān)”位置時，閥芯孔與隔板孔完全錯開，閥門此時處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)旋鈕位置在“開”和“關(guān)”之間，閥門處于不完全打開狀態(tài)。

此閥門通過開關(guān)旋鈕上的磁鐵驅(qū)動閥芯上的磁鐵運動，調(diào)整閥芯孔與隔板孔相對位置，起到連通或阻斷內(nèi)部通道，從而改變閥門開、關(guān)狀態(tài)。

此閥門開關(guān)旋鈕與閥芯沒有閥桿連接，無貫穿閥體的閥桿孔，能完全消除閥桿動密封面。

圖3 無閥桿磁力驅(qū)動閥門

3.2 有閥桿磁力驅(qū)動閥門

有閥桿磁力驅(qū)動閥門(以球閥為例)見圖4[2]，是在普通閥體上增加了內(nèi)、外磁環(huán)及磁環(huán)室。內(nèi)、外磁環(huán)結(jié)構(gòu)參照圖1，由多塊釹磁鐵組成。磁環(huán)室由磁環(huán)蓋與閥體之間的空腔形成，用于容納內(nèi)磁環(huán)。磁環(huán)蓋與閥體通過螺紋連接，連接處用環(huán)形橡膠墊密封，為壓緊式靜密封，將磁環(huán)室內(nèi)空間與外界隔離。磁環(huán)蓋中心設(shè)計有定位柱，用于安裝外磁環(huán)。外磁環(huán)能夠以定位柱為中心進行旋轉(zhuǎn)。外磁環(huán)上設(shè)計有限位柱，限位柱與外磁環(huán)表面的導(dǎo)向槽結(jié)合，實現(xiàn)閥門開關(guān)限位功能。內(nèi)磁環(huán)通過閥桿與閥芯連接，內(nèi)磁環(huán)可通過閥桿帶動閥芯旋轉(zhuǎn)。

可通過旋轉(zhuǎn)外磁環(huán)驅(qū)動內(nèi)磁環(huán)轉(zhuǎn)動，從而帶動閥芯轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)閥門開關(guān)功能。

該閥門結(jié)構(gòu)可避免閥門動密封面直接暴露在外，從而降低了對閥桿的動密封要求。該閥門結(jié)構(gòu)僅適用于口徑較小的閥門。當(dāng)閥門口徑較大時，可在磁環(huán)室內(nèi)增加減速齒輪，從而獲得較大力矩用于驅(qū)動閥門。

圖4 有閥桿磁力驅(qū)動球閥

4 磁力驅(qū)動閥門優(yōu)缺點

4.1 優(yōu)點

① 無需考慮閥桿與閥體間密封要求，對閥門閥桿、閥體及部分零部件的精度、密封性要求降低，加工成本降低。

② 閥門外部驅(qū)動機構(gòu)與內(nèi)部運動機構(gòu)不直接連接，沒有動密封面，閥體的整體密封效果有很大提升。

③ 可有效防止閥桿扭斷。機械連接驅(qū)動的閥桿在閥門卡住或其他機械故障情況下，會因外部力矩過大，發(fā)生變形或扭斷。磁力驅(qū)動閥門是非接觸式的，不會出現(xiàn)變形扭斷情況。

④ 外部驅(qū)動磁鐵可以用電磁鐵代替，通過電流及方向變化，產(chǎn)生磁場強度及方向變化，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)力矩和旋轉(zhuǎn)方向遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制。

4.2 缺點

內(nèi)外磁鐵之間的部件不能使用鐵磁性材料，如磁環(huán)蓋宜使用鋁合金、銅合金、塑料等材料。內(nèi)外磁鐵間距不宜過大。通過閥門的流體不能含鐵磁性雜質(zhì)，鐵磁性雜質(zhì)易被吸附在磁鐵周圍，造成堵塞。

5 磁力驅(qū)動閥門應(yīng)用場景

磁力驅(qū)動理念為閥門設(shè)計及應(yīng)用開辟了新思路，可應(yīng)用到絕大部分閥門上，尤其是對閥體密封要求較高的閥門，如輸氣管、輸油管、輸水管上的球閥、閘閥、截止閥、調(diào)壓閥等。