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钟 震
(深圳市燃气集团股份有限公司，广东 深圳 518000)
当前阀门的开闭或调节，多为外部驱动装置通过贯穿阀体的阀杆带动内部阀芯运动。阀门存在两种密封结构：静密封和动密封。
静密封一般指两个静止面之间的密封，主要使用垫圈密封。动密封指相对运动件之间的密封，分为往复式动密封和旋转式动密封。往复式动密封主要使用密封环、密封圈密封，旋转式动密封主要使用成型填料密封、填料函密封或胀圈密封。一般情况下动密封较静密封实现难度大，密封效果差。
阀杆与阀体之间的密封为旋转式动密封，此处密封难度较大，容易发生泄漏。为提高阀门的整体密封性，笔者提出消除阀杆与阀体间旋转式动密封的阀门方案，可在阀体全封闭状态下驱动内部阀芯动作。此方案利用外部磁场变化，对阀体内部磁铁产生吸引和排斥，从而驱动内部磁铁带动阀芯运动，实现开闭或调节功能。
① 磁力驱动阀门原理
磁力驱动阀门原理见图1，图1有内外磁环，内外磁环中镶嵌磁铁。磁铁间同极相斥、异极相吸。静止时，内磁环S极在外磁环N极吸引及外磁环S极排斥下，处于与外磁环N极同一角位，同理内磁环N极处于与外磁环S极同一角位。当外磁环转动时，在磁力作用下，带动内磁环沿中心转动，驱动阀芯运动。内磁环上磁铁的受力见图2。图2量符号说明如下：
F1——外磁环N极对内磁环S极的吸引力，N
F2——外磁环S极对内磁环S极的排斥力，N
F3——F1与F2的合力,N
图1 磁力驱动阀门原理
图2 内磁环上磁铁的受力
② 磁力驱动阀门可行性分析
以采用牌号为N38的钕铁硼磁铁(简称钕磁铁)，应用在口径50 mm、设计压力1.6 MPa的截止阀上为例。钕磁铁密度为7.5 g/cm3。按照图1，将16块钕磁铁均匀镶嵌在内外磁环上，内外磁环上各8块。两磁环净距为4 mm，内部磁环中心线半径为50 mm，计算得到外部钕磁铁对内部钕磁铁产生的最大力矩为12 N·m，大于行业标准要求的阀门启闭力矩(10 N·m)。因此在钕磁铁规格、数量及分布方式设计得当情况下，可以实现磁力驱动阀门。笔者按照上述参数设计了模型，证明了磁力驱动阀门可行。
3.1 无阀杆磁力驱动阀门
图3是无阀杆磁力驱动阀门[1]，是一种新型结构阀门，阀门主要由阀体、阀芯和开关旋钮组成。开关旋钮结构为环形，嵌套在阀体外侧。开关旋钮周围设计有防滑凸棱，起到防滑作用；
内侧均匀安装8块钕磁铁(称为旋钮钕磁铁)，按照图1外磁环布置。开关旋钮上有导向槽，导向槽套在限位柱上。开关旋钮只能在90°范围内旋转，沿着限位柱做顺时针或逆时针旋转。阀体上有限位柱，起到限位作用，防止开关旋钮过度旋转。阀体隔板上开2个扇形隔板孔。阀芯通过螺钉固定在阀体隔板上，阀芯隔板上也开2个扇形阀芯孔。阀芯孔与隔板孔大小一致，位置相同。当阀芯旋转到一定角度时，阀芯孔可与隔板孔完全重合。阀芯外围均匀安装8块钕磁铁(称为阀芯钕磁铁)，按照图1内磁环布置。
当开关旋钮旋转时，开关旋钮上的钕磁铁带动阀芯上的钕磁铁一起旋转。当开关旋钮旋转至“开”位置时，阀芯孔与隔板孔完全重合，阀门此时处于完全打开状态。当开关旋钮旋转至“关”位置时，阀芯孔与隔板孔完全错开，阀门此时处于关闭状态。当开关旋钮位置在“开”和“关”之间，阀门处于不完全打开状态。
此阀门通过开关旋钮上的磁铁驱动阀芯上的磁铁运动，调整阀芯孔与隔板孔相对位置，起到连通或阻断内部通道，从而改变阀门开、关状态。
此阀门开关旋钮与阀芯没有阀杆连接，无贯穿阀体的阀杆孔，能完全消除阀杆动密封面。
图3 无阀杆磁力驱动阀门
3.2 有阀杆磁力驱动阀门
有阀杆磁力驱动阀门(以球阀为例)见图4[2]，是在普通阀体上增加了内、外磁环及磁环室。内、外磁环结构参照图1，由多块钕磁铁组成。磁环室由磁环盖与阀体之间的空腔形成，用于容纳内磁环。磁环盖与阀体通过螺纹连接，连接处用环形橡胶垫密封，为压紧式静密封，将磁环室内空间与外界隔离。磁环盖中心设计有定位柱，用于安装外磁环。外磁环能够以定位柱为中心进行旋转。外磁环上设计有限位柱，限位柱与外磁环表面的导向槽结合，实现阀门开关限位功能。内磁环通过阀杆与阀芯连接，内磁环可通过阀杆带动阀芯旋转。
可通过旋转外磁环驱动内磁环转动，从而带动阀芯转动，实现阀门开关功能。
该阀门结构可避免阀门动密封面直接暴露在外，从而降低了对阀杆的动密封要求。该阀门结构仅适用于口径较小的阀门。当阀门口径较大时，可在磁环室内增加减速齿轮，从而获得较大力矩用于驱动阀门。
图4 有阀杆磁力驱动球阀
4.1 优点
① 无需考虑阀杆与阀体间密封要求，对阀门阀杆、阀体及部分零部件的精度、密封性要求降低，加工成本降低。
② 阀门外部驱动机构与内部运动机构不直接连接，没有动密封面，阀体的整体密封效果有很大提升。
③ 可有效防止阀杆扭断。机械连接驱动的阀杆在阀门卡住或其他机械故障情况下，会因外部力矩过大，发生变形或扭断。磁力驱动阀门是非接触式的，不会出现变形扭断情况。
④ 外部驱动磁铁可以用电磁铁代替，通过电流及方向变化，产生磁场强度及方向变化，实现旋转力矩和旋转方向远程调节和控制。
4.2 缺点
内外磁铁之间的部件不能使用铁磁性材料，如磁环盖宜使用铝合金、铜合金、塑料等材料。内外磁铁间距不宜过大。通过阀门的流体不能含铁磁性杂质，铁磁性杂质易被吸附在磁铁周围，造成堵塞。
磁力驱动理念为阀门设计及应用开辟了新思路，可应用到绝大部分阀门上，尤其是对阀体密封要求较高的阀门，如输气管、输油管、输水管上的球阀、闸阀、截止阀、调压阀等。
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