设计说明书 - 一种可防止水锤的水力阀设计.docx
4888-一种可防止水锤的水力阀设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4888-一种可防止水锤的水力阀设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,一种,止水,水力,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料 - 1 - 2013 届 毕业设计（论文）课题任务书 学院（部） ： 机械工程学院 专业： 过控 指导教师 蔡书鹏 学生姓名 金如欣 课题名称 一种可防止水锤的水力阀设计 内 容 及 任 务 1、 工业和民用各种水力阀的使用特性分析； 2、 泵 /阀管路系统水击产生的机理和防护分析； 3、具有防止水锤功能的水力阀的结构方案设计； 4、 阀体铸件的设计 ； 5、 阀杆阀板传动系统的设计 ； 6、绘制总装图、零件图； 7、不低于 2 张 0 号图 纸的工作量， 和 12000 字的设计说明书 。 拟 达 到 的 要 求 或 技 术 指 标 主要要求： 1、大胆创新，总体方案确定合理有据，运行可靠、易于拆装和维护 2、机械机构、传动及控制方案合理可行； 3、设计计算正确，标准件及设备选型合理； 4、工作流体：河水 、 水库水 ； 自来水； 5、公称压力： 6、公称直径： 7、 最低动作压力 8、 使用寿命 20 年。 进 度 安 排 起止日期 工作内容 第七学期 第 19 周前完成开题报告 第 1 周 第 2 周 下厂实习，专题调研 第 3 周第 5 周 文献检索阅读 第 4 周 研究讨论，开始综述撰写 湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料 - 2 - 第 6 周第 8 周 完成 技术方案设计 第 9 周 第 10 周 总图设计 、 零部件设计 第 11 周第 12 周 编写设计说明书 第 13 周 绘图论文写作 第 14 周第 15 周 装订毕业论文毕业设计说明书 准备答辩 第 16 周 修改、归档 主 要 参 考 资 料 1 黄卫星 ， 陈文梅主编 ， 工程流体力学 D， 北京：化学工业出版社， 2 孙文策主编 ， 工程流体力学 D， 大 连：大连理工大学出版社， 3周明衡主编 ， 管路附件设计选用手册 D， 北京：化学工业出版社 4兰州石油机械研究所主编 ， 压力容器设计知识 D， 北京：化学工业出版社， 2005 5陶文铨 , 李永堂主编 ， 工程热力学 武汉：武汉工业大学出版社 D， 6周勇 ,水动力学研究与进展 J， 2010 年，第 31 卷（ 2） 7乐嘉陵，实验流体力学 J， 2011 年，第 25 卷（ 1） 8郑津徐 ,过程设备设计 D，长沙，化学工业出版社， （ 教研室 ） 意见 签名： 年 月 日 学院（部）主管领导意见 签名： 年 月 日 湖 南 工 业 大 学 本科毕业设计（论文）开题报告 （ 2013 届） 学 院 （部）： 机械工程 专 业 ： 过程装备控制 学 生 姓 名 ： 金如欣 班 级 ： 过控 092 学号 09405700440 指 导教师姓名 ： 蔡 书鹏 职称 教授 2012 年 12 月 29 日 助教职称的填写在第二行；如只有一位指导教师则去掉第二行，如有三位教师，则再添加一行。 题目：一种可防止水锤的水力阀设计 一 、本课题设计（研究）的目的： 本次毕业设计为四年大学所学基础课程的一次综合性设计，要求我全面地综合运用大学学习课程的理论和实习实践所学到的知识进行水力阀的设计，对知识进行一轮复习和应用，也为之后走上机械岗位打下坚实的基础。 本次设计的主要目的在于： （ 1）运用过程装备与控制工程所学到的有关课程（流体力学、机械设计、互换性与测量技术 、过程装备概论等）的知识，结合生产实践中学到的知识，独立地分析和解决如何防止水锤，初步具备设计防止水锤的水力阀的设计。 （ 2）能够根据水力阀的技术要求，运用阀门设计和防止水锤的基本原理和方法，拟定设计方案，完成结构设计，初步具备设计出符合设计要求、经济合理的防止水锤的水力阀的能力。 （ 3）熟悉正确的调查研究的方法，收集国内外有关资料，掌握正确的设计思想，方法和手段。熟悉并能够熟练的运用相关工艺手册、设计手册、标准、图标等技术资料的能力。 （ 4）进一步熟练在识图、制图、运算等基本技能 。 二 、设计（研究）现状 和发展趋势（文献综述）： （一）、本课题背景知识 水锤： 在有 压力 管路中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停车）使水的流速突然发生变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象称为水击或水锤 水锤是供水装置中常见的一种物理现象，它在供水装置管路中的破坏力是惊人的， 因开泵、停泵、开关 闸阀 过于快速，使水的速度发生急剧变化，特别是突然停泵引起水锤，可以破坏 管道 、 水泵 、 阀门 、并引起水泵反转，管网压力降低等 对管网的安全平稳运行是十分有害的，容易造成爆管事故 。因而为了各大企业包括工用民用都想方设 法采取各种措施防止水锤的发生，而常用的措施有以下几种 ： 用 动控制系统，对机泵进行变频调速控制，对整个供水泵房系统操作实行自动控制。供水管网压力随着工况的变化而不断变化，机泵工频运行时经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用 动控制系统，通过对管网压 力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，可以通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。 锤消除器：该设备主要防止停泵水锤，一般安装在水泵出口管道附近，利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作，即当管道中的压力低于设定保护值时，排水口会自动打开放水泄压，以平衡局部管道的压力，防止水锤对设备和管道的冲击，消除器一般可分为机械式和液压式两种，机械式消除器动作后由人工恢复，液压式消除器可自动复位。 压保护阀：该设备安装在管道的任何位置，和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。 术： 用水力控制阀，一种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。 用快闭式止回阀，该阀结构是在快闭阀板前采用导流结构，停泵时，阀板同时关闭，依靠快闭阀板支撑住回流水柱，使其没有冲击位移，从而避免产生停泵水锤。 本次设计中所要使用的就是通过水力阀来减少或防止水锤现象带来的影响 水力阀是一种靠液压动力和隔膜驱动的控制阀 ,主阀一般由基本阀体和驱动装置组成。水力阀 的主阀有单腔式和双腔式两种。 水力阀常见的连接形式是法兰型和螺纹型 ,也有少量是榫槽型和对夹型。水力控制阀种类较多 , 结构相对复杂 , 工作状态较难准确掌握 , 其主阀的设计是影响水力阀整体性能的主要因素。近年来已经陆续有关于水力控制阀的标准规范出版发行 , 如澳洲的 国内的 10674力控制阀等，因而在做毕业设计时，还要查阅一些新出的规范 来完善自己的设计 。 参考文献 1 黄卫星 ， 陈文梅主编 ， 工程流体力学 D， 北京：化学工业出版社， 2 孙文策主编 ， 工程流体力学 D， 大 连：大连理工大学出版社， 3周明衡主编 ， 管路附件设计选用手册 D， 北京：化学工业出版社 4兰州石油机械研究所主编 ， 压力容器设计知识 D， 北京：化学工业出版社，2005 5陶文铨 , 李永堂主编 ， 工程热力学 武汉：武汉工业大学出版社 D， 6周勇 ,水动力学研究与进展 J， 2010 年，第 31 卷（ 2） 7乐嘉陵，实验流体力学 J， 2011 年，第 25 卷（ 1） 8郑津徐 ,过程设备设计 D，长沙，化学工业出版社， 、 设计原理、设计思路以及内容要求 水力控制阀是以管道介质压力为动力，进行启闭、 调节的阀门 。它由一个主阀和附设的导管、针阀、球阀和压力表等组成、根据使用的目 的、功能场所的不同，可演变成遥控浮球阀、减压阀、缓闭止回阀、流量控制器、泄压阀、水力电动控制阀、紧急关闭阀等。 导阀随介质的液位和压力的变化而动作，由于导阀种类很多，可以单独使用或几个组合使用，就可以使主阀获得对水位和水压及流量等进行单独和复合调节的功能。但主阀阀体类似截止阀，阀门全开时，其压力损失比其他阀门要大得多，且各个开度损失系数越是与全闭状态接近，越是剧增，阀门口径越大就越显著。 具有上述特性的阀门，在接近阀瓣的动作加速，易发生水锤的冲击，接近全闭时，阀门动作越缓慢越好，于是可在阀瓣上设置节流装置。 另外先导阀的节流和动作部分要尽量避免设置特小口径的孔口，以免堵塞。 可以通过 利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。 （ 1） 、工业和民用各种水力阀的使用特性分析； （ 2） 、泵 /阀管路系统水击产生的机理和防护分析； （ 3） 、具有防止水锤功能的水力阀的结构方案设计； （ 4） 、阀体铸件的设计； （ 5） 、阀杆阀板传动系统的设计； （ 6） 、绘制总装图、零件图； （ 7） 、不低于 2 张 0 号图纸的工作 量，和 12000 字的设计说明书 （ 1） 大胆创新，总体方案确定合理有据，运行可靠、易于拆装和维护 ； （ 2） 机械机构、传动及控制方案合理可行； （ 3） 设计计算正确，标准件及设备选型合理； （ 4） 工作流体：河水、水库水；自来水； （ 5） 公称压力： （ 6） 公称直径： （ 7） 最低动作压力 （ 8） 使用寿命 20 年。 四、工作进度及具体安排 第七学期 ： 第 19 周前完成开题报告 第 1 周第 2 周 ： 下厂实习，专题调研 第 3 周第 5 周 ： 文献检索阅读 第 4 周 ： 研究讨论，开始综述撰写 五、 指导教师意见 指导教师： 年 月 日 说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师审查后签署意见生效 一种可防止水锤的水力阀设计 第一章 绪论 门的概述 阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截断、调节、防止逆流、稳压、分流或者溢流泄压等功能。 阀门广泛应用于水利、煤炭、矿山、化工、电力、建材、土建、冶金、矿山等各行各业。阀门安装在各种管道系统中，用于控制流体的压力、流量和流向。由于流体的压力、流量、温度和物理化学性质的不同，对流体系统的控制要求和使用要求也不同，所以阀门的种类和品种规格非常多。如何正确选用和使用阀门，是实现阀门密封性能、强度性能、调节性能、动作性能和流通性能的关键。 阀门的种类很多，且有多种分类的方法。 依照阀门的用途和作用来分，可分为 ： 截断阀类 （ 主要用于截断或接通介质流，包括闸阀、截止阀、隔膜阀、球阀、旋塞阀、碟阀、柱塞阀、球塞 阀、针型仪表阀等 ） ；调节阀类 （ 主要用于调节介质的流量、压力等，包括调节阀、节流阀、减压阀等 ） ；水力控制阀类 （ 其作用是防止管路中介质倒流，如水力控制阀和底阀 ） ；分流阀类 （ 其作用是用来分配、分离或混合管路中的介质，如分配阀、疏水阀等 ） ；安全阀类 （ 用于介质超压时的安全保护，包括各种类型的安全阀 ） 。 依驱动形式可分为 ： 手动阀 ； 动力驱动阀 （ 如电动阀、气动阀 ） ；自动类 （ 此类不须外力驱动，而利用介质本身的能量来使阀门动作，如水力控制阀、安全阀、自力式减压阀和疏水阀等 ） 。 依公称压力分类可分为 ： 真空阀门 （ 工作压力低于标准大 气压的阀门 ） ；低压阀门 （ 公称压力 于 阀门 ） ;中压阀门 （ 公称压力为 阀门 ） ；高压阀门 （ 公称压力为 10 80阀门 ） ；超高压阀门（ 公称压力大于 100阀门 ） 。 按温度等级分类可分为 ： 超低温阀门 （ 工作温度低于 阀门 ） ；低温阀门 （ 工作温度介于 阀门 ） ；常温阀门 （ 工作温度高于 而低于或等于 120的阀门 ） ；中温阀门 （ 工作温度高于 120，而低于 450的阀门 ） ；高温阀门 （ 工作温度高于 450的阀门 ） 。 按阀体材料分类，可分为 ： 非金属材料阀门 （ 如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门 ） ；金属材料阀门 （ 如铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、钦合金阀门、蒙乃尔合金阀门铸铁阀门、碳钢阀门、铸钢阀门、低合金钢阀门、高合金钢阀门 ） ；金属阀体衬里阀门 （ 如衬铅阀门、衬塑料阀门、衬搪瓷阀门 ） 。 力控制阀 水力控制阀 是人们日常生活中极为常见的阀门之一 ， 与人们的生活息息相关。水力控制阀广泛地应用于楼宇管道、工业供水、消防设施、暖通空调和灌溉系统等各个方面 ， 一般作为减压 ， 持压 ， 泄压 ， 调节流量 ， 控制水位 和预防“水锤”等作用。 水力控制阀是以管道介质压力为动力，进行启闭、调节的 阀门 。 它由一个主阀和附设的导管、针阀、球阀和压力表等组成、根据使用的目的、功能场所的不同，可演变成遥控浮球阀、减压阀、缓闭止回阀、流量控制器、泄压阀、水力电动控制阀、紧急关闭阀等。 水力控制阀 有 隔膜型和活塞型两类，工作原理相同，都是以上下游压力差 导阀控制，使隔膜（活塞）液压式差动操作，完全由水力自动调节，从而使主阀阀 盘完全开启或完全关闭或处于调节状态。当进入隔膜（活塞）上方控制室内的压力水被排到大气或下游低压区时，作用在阀盘底部和隔膜下方的压力值就大于上方的压力值，所以将主阀阀盘推到完全开启的位置；当进入隔膜（活塞）上方控制室内的压力水不能排到大气或下游低压区时，作用在隔膜（活塞）上方的压力值就大于下方的压力值，所以就会把主阀阀盘压到完全关闭的位置；当隔膜（活塞）上方控制室内的压力值处于入口压力与出口压力中间时，主阀阀盘就处于调节状态，其调节位置取决于导管系统中的针阀和可调导阀的联合控制作用。可调导阀可以通过下游的出口 压力并随它的变化而开大或关小其自身的小阀口，从而改变隔膜（活塞）上方控制室的压力值，控制方阀阀盘的调节位置。 锤效应 义 英文名： “ 压力管道中局部区域由于水流速度突然变化而产生的压力波沿管系迅速传 播、交替升降的现象 ，亦称水击。 /阀管路系统 水锤的 产生 一般情况下， 在内壁光滑 水管内部， 水流动自如。当 在水泵供电系统突然停电以及 阀门突然 开启 或者 突然 关闭 时 、 水泵 突然停车、骤然启闭 导叶 等 ， 由于压力水流的惯性作用在管道内部产生水流冲击波， 水流对阀门及 管道的 管壁 （ 主要是阀门 ） 会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用， 就像锤子敲打一样，即，也 就是水利学当中的“水锤效应”， 这种情况下产生的 是正水锤。 水流冲击波来回产生的力，有时会很大， 可以破坏管道、水泵、阀门 ， 并引起水泵反转 ， 管网压力降低等。水锤效应有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。 在水利管道建设中都要考虑这一因素。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。 另外，电动水泵合电压起动时，在不到 1s 的时间内，即可从静止状态加速到额定转速，管道内的流量则从零增加到额定流量。由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，所以， 流量的急剧变化将在管道内引起压强过压或过低的冲击，以及出现“空化”现象。压力的冲击将使管壁受力而产生噪声，这种情况也会产生“水锤效应”。 水锤效应只和水本身的惯性有关系，和水泵没有关系。 /阀管路系统水锤的防护 分析 由水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍。这种大幅度压强波动，可导致管道系统强烈振动，噪声，并可能破坏阀门接头。对管道系统有很大的破坏作用。 但研究分析得出，水锤的破坏力与水当时的动量有关，符合冲量定理： Ft 即作用在阀门或管道上的压力 X 作用时间 =水的质量 X 水的流速。 举个例子，比如我们在路上高速行驶的汽车突然撞墙了，那破坏力是不是很大？那当一辆汽车靠在墙上（此时是静止的）如果你突然发动汽车加油门（此时速度较小），你觉得会给墙造成多大破坏？ 所以，防止水锤需正确设计管道系统。为防止流速过高，一般设计管子流速 应小于 3m/s，并需控制阀开、闭速度。 除水锤效应 的常用措施 1. 采用恒压控制技术： 采用 动控制系统，对机泵进行变频调速控制，对整个供水泵房系统操作实行自动控制。供水管网压力随着工况的变化而不 断变化，机泵工频运行时经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用 动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，可以通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。 2. 采用泄压保护技术： 设备主要防止停泵水锤，一般安装在水泵出口管道附近，利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作，即当管道中的压力低于设定保护值时，排水口会自动打开放水泄压，以平衡局部管道的压力，防止水锤 对设备和管道的冲击，消除器一般可分为机械式和液压式两种，机械式消除器动作后由人工恢复，液压式消除器可自动复位。 设备安装在管道的任何位置，和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。 3. 采用控制流速技术： 种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。 该阀结构是在快闭阀板前采用导流结构，停泵时，阀板同时关闭，依靠快闭阀板支撑住回流水柱，使其没有冲击位移，从而避免产生停泵水锤。 4. 在管路中各峰点安装可靠的排气阀也是必不可少的措施。 业和民用水力阀的 特性分析 蚀与闪蒸 (1)气蚀 当液体加热时 ， 蒸汽压力升到大气压力 ， 此时会产生气泡。同理 ， 降低大气 压力到液体蒸汽压力 ， 也可产生气泡。在阀门阀瓣的开关操作过程中 ， 液体加速通过收缩断面的狭窄区域 ， 压力如果下降到低于液体的蒸汽压力 ， 将导致气泡的产生。当液体越过收缩断面之后 ， 流动面积膨胀 ， 流速下降 ， 压力再次回升 ， 直到高于液体蒸汽压力 ， 此时气泡会爆破。当爆破的气泡贴近阀门或下游管道的内表面 ， 这种爆破释放的能量会造成不同程度的破坏 ， 这就是气蚀。轻微的气蚀可以认为是正常的 ， 但严重的气蚀会降低阀门的寿命。对水力阀而言 ， 气蚀是不可避免的 ， 只有通过降低气蚀的损坏程度 ， 来提高阀门的性能。 产生气蚀的气泡比水正常沸腾时产生的气泡更小而力量更大。由内爆气泡所释放的能量很容易听到 ， 像阀门中产生的噪声。早期气穴产生的噪声像爆音或破裂噪声 ， 而广泛的气泡爆破会产生连续的噪声 ， 像石子滚动于管线中。 (2)闪蒸 当液体中 产生气泡后 ， 液体越过收缩断面 ， 流动面积膨胀 ， 流速下降 ， 压力再次回升 ， 但仍低于蒸汽压力 ， 气泡就不会爆破 ， 而是形成了气体和液体的混合物以高速流动 ， 这就是闪蒸。闪蒸同样会对阀门和管道造成破坏。闪蒸现象使下游管线出现排气阀。 水力阀的阀瓣开度直接决定了水力阀的流阻系数。开度越大 ， 流阻越小。开度越小 ， 流阻越大。当开度小 ， 流阻大时 ， 可以进行大幅度的减压 ， 但是这样水流通过时更易产生气蚀现象。所以建议减压阀进出口压力比值不应超过 3:1。对调节类的阀门 ， 气蚀和闪蒸都是不可避免的现象。通过优良的主阀设计 ， 以及设计安全可靠的气穴 预防设备 ， 可以提高阀门和管道的使用寿命。 力控制阀 的 结构特性 (1)相对于一般蝶阀或闸阀 ， 水力阀需要更大的预留操作空间 ， 这对管道安装时提出了要求。 (2)相对于一般蝶阀或闸阀 ， 水力阀会产生更大的水头损失 ， 建议上、下游压差不易过大 ， 尽量减少气蚀。 (3)水力阀的介质温度一般不宜过高和过低 ， 建议在 0 80范围内 ， 因为温度差异过大会引起热胀冷缩 ， 造成配管破裂泄漏等问题。 (4)水力阀的运动是靠隔膜控制的 ， 橡胶隔膜的性能尤其重要 ， 需要适时更换。 (5)水力阀的一般介质是水 ， 通常情况下采用单腔控制阀 ， 工作压力通常不高于 215在工作压力较低时 ， 宜采用双腔控制阀。 课题的主要研究工作 计要求 最低工作压力： 公称压力： 公称直径： 1200 使用寿命： 20 年 ； 工作流体： 河水 、 水库水 、 自来水； 机械机构、传动及控制方案合理可行； 设计计算正确，标准件及设备选型科学； 运行可靠、易于拆装和维护。 课题的研究意义 本课题旨在通过设计一种 实用 的水利控制阀来 有效地 防止 “ 水锤 效应” 的产生 ，提升水利系统 管路 的可靠性与耐用性。 第二章 水力阀的结构 与分类 力控制阀 构与工作原理 水力 控制 阀 主要是靠液压动力和 隔膜（活塞） 驱动 ， 主阀一般由基本阀体和驱动装置组成。水力阀的主阀有单腔式和双腔式两种。 单腔式主阀（图 2 隔膜（活塞） 将驱动装置分为上、下两个控制腔 ，上控制腔通过配管与上游连接 ， 下控制腔即下游。阀门主要靠上、下腔的压差操作 隔膜（活塞） 的运动（图 2 ； 阀瓣 )； 阀瓣 )； 圈 图 2腔式主阀 (a)当进口端压力进入上腔 ， 同时球阀关闭时 ， 主阀处于全关位置； (b)当调节球阀之开度 ，使流经针阀和流经球阀的水流达到平衡 ， 主阀处于浮动状态； (c)当球阀全开 ， 上腔的压力释 放到大气中 ， 主阀处于全开位置。 图 2腔式主阀工作原理 双腔式主阀（图 2在密封阀瓣与隔膜（活塞）之间添加一块隔离盘，这样就有上、中、下三个控制腔，上控制腔通过配管与上游连接，中控制腔可以任意连接动力源，下控制腔仍连接下游。阀门主要靠上、中腔的压差操作隔膜（活塞）的运动。 ； 圈 图 2腔式主阀 (a)当上腔连接上游压力 ， 中腔压力释放时 ， 主阀关闭； (b)当上腔和中腔的压力达到平衡时 ，主阀可以在一定的位置 ， 达到所需的开度； (c)当中腔连接上游压力 ， 上腔压力释放时 ， 主阀全开 图 2腔式主阀工作原理 水力阀常见的连接形式是法兰型和螺纹型 ， 也有少量是榫槽型和对夹型。水力阀主要部件用材料见表 2 2力阀主要零部件用材料 部件 常用材料 常用材料的 相应代号 常用材料的 相应国标 阀体、阀盖中间体 球墨铸铁 B/杆 不锈钢 2B/座 铝青铜 不锈钢 B/B/片压板 导向压板 铝青铜 不锈钢 B/B/膜片 天然橡胶 合成橡胶 B/封圈 带加强层的天然橡胶 合成橡胶 尼龙强化橡胶 B/固件 不锈钢、碳钢 05 1220 699 类与应用 水力阀的主阀基本相同 ， 但因配置了不同的液压向导阀和管件 ， 使其分为不同的类型 ， 适用于各种工况： 遥控浮球阀 遥控浮球阀用于对水池或水塔里的水位进行控制。当水池的水达到满水位时 ， 浮球向导阀自动关闭 ， 上腔中的水压增大 ， 控制主阀关闭。当水池的水位下降时 ， 浮球向导阀自动开启 ， 上腔中的水压减小 ， 控制主阀开启 ， 以补充进水。 可调减压阀 可调减压阀用于对给水管网或建筑物给水系统进行减压 ， 目的是使下游出口压力保持为一设定值 ， 不因上游进口压力的变化或下游出口用水量的变化而改变。下游出口压力的设定值可以通过调节减压向导阀的弹簧压缩程度 ， 而进行一定范围的调节改变。但一般水力阀的生产厂家都会建议用户不可将下游出口压力值设定得太低 ， 上下游压力比值最好不超 过 3： 1， 否则压差过大容易导致气蚀 ， 使用过程中会逐渐对主阀造成破坏。 泄压持压阀 泄压持压阀用于对给水管网或建筑物给水系统进行泄压 ， 目的是使上游进口压力保持为一设定值 ， 不因上游进水量的变化或下游出口压力的变化而改变。上游进口压力的设定值可以通过调节泄压向导阀的弹簧压缩程度 ， 而进行一定范围的调节改变。水力阀的生产厂家通常会给用户作选择配置。一般如果上游压力不太低的情况 ， 选择用单腔的结构形式。如果上游压力值设置得过低 ， 建议用户使用双腔结构形式 ， 这样能使阀门在极低的水压条件下工作 ， 并且提高阀门的快速反应能力。由于中腔可以外接通向大气 ， 隔膜（活塞） 运动不再受限制 ， 提高了阀门的运动速度。 缓闭止回 阀 缓闭止回阀是具有开启和关闭调控性质的止回阀 ， 可用于高层建筑。当水泵启动时 ， 阀门缓慢开启 ， 下游管道逐步增压。当水泵停机或意外断电时 ， 会产生高压回流 (水锤 )， 此时阀门可分阶段缓慢地关闭 ， 以达到静音止回阀的效果。缓闭止回阀结构较简单 ， 安装在水泵的出口处。 流量控制阀 流量控制阀需要与流控板相匹配。流量控制阀的向导阀连接流控板的进出口端 ， 无论管道主阀进口端的压力如何变化 ， 都能保持流控板进出口端的压差不变 ， 于是将管道中水介质的流量控制在设定值内 (流量 Q 与压差 p 的关系为 p， 对某口径的水力阀而言 ， 流控板的流量系数。同时 ， 可以通过改变流控板进出口端的压差 p 改变管道中水介质的流量 ， 即流量值由调节向导阀设定。流控板既可安装在流量控制阀的上游 ， 也可安装在流量控制阀的下游。 差压平衡阀 差压平衡阀用于保持阀门的进出口端的压力差值不变。当阀门上游进口端压力增大 ， 泄压向 导阀会自动响应 ， 减小上腔压力 ， 使主阀阀瓣开度 加大 ， 同时下游压力也相应增大 ， 上下游压力差值不变。当阀门上游进口端压力减小 ， 泄压向导阀也会自动响应 ， 增大上腔压力 ， 使主阀阀瓣开度减小 ， 同时下游压力也相应减小 ， 上下游压力差值仍保持不变。差压向导阀膜片的上端压力 常接主阀下游压力 ， 下端压力 常接主阀上游压力。也可以分别外接低压源和高压源。 电磁控制阀 电磁控制阀由一个电磁阀操纵上腔压力 ， 该电磁阀可以是控制管线上游压力与上腔的连接 ， 也可以是控制管线下游压力与上腔的连接。通过电流或电子脉冲信号使阀门上腔泄压而开启主阀 ， 或使阀门上腔增压而关闭主阀。另外也可以由定时器、延时器、液位和流量传感器、数字编程等信号控制系统来控制阀门的开关 ， 操作者可直接在控制室获取信号。各种元件的不同配置和应用 ， 使现代管网系统实现智能化。 泵浦控制阀 泵浦控制阀是由电磁阀控制管道压力启动的自动控制阀。阀门安装在水泵的出水口。水泵启动后 ， 主阀缓慢开启 ， 逐步增加管网压力 ， 直至水泵达到正常工作点后 ， 主阀才完全开启。这样既保护了泵电机不至于过载 ， 又防止了水泵启动时向下游空 管线供水流速骤增所引起的水锤。在水泵即将关闭前 ， 主阀会缓慢关闭逐步降低管网压力。当主阀接近完全关闭时 ， 阀门上的行程控制器传输信号 ， 关闭水泵电机 ， 这样防止了水泵忽然关机 ， 流速突然变化引发的水锤。泵浦控制阀的开启和关闭速度都可以根据系统随时调节。当水泵意外断电时 ， 泵浦控制阀又起到了一个缓闭止回阀的作用。 其他类型阀 日常生活中应用的水力阀还有紧急关闭阀、防管线爆裂阀、深井控制阀、比例减压阀、电动防水锤阀、水泵延时关闭阀和智能化数控调节阀等等 ，其液压控制原理相似 ， 主阀的构造相似。阀体有直通式、 直 角式或直流式 Y 形 ， 也有少数特殊结构的主阀。 第三章 防止水锤的 方案设计 计思路 阀的设计 思路 可以 利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过 “ 缓闭 ” 来减小停泵 时产生的水力 冲击 波 ，从而有效消除水锤 效应对管路的影响 。 此外， 利用硬密封承 压 压 力大、软密封密封性能好的优点，配合采用软硬密封，能极大提高水力控制阀密封 可靠性 ； 设计 中可以让 外控组件能 在运行状态下进行 维修 ， 尽量做到 不需动管道 ； 阀体采用球墨铸铁 进行铸造，运动部件采用 不 锈钢优质材料， 提高驱动部分的可靠性 ， 确保能长期 使用。 水力控制阀种类较多 、 结构相对复杂 ， 工作状态较难准确掌握 ， 主阀的设计是影响 其 整体性能的主要因素。 利系统的设计 根据使用目的功能及场所的不同可演变成遥控浮球阀减压阀缓闭止回阀流量控制阀泄压阀水力电动控制阀、水泵控制阀等。水力控制阀前要安装过滤器，并应便于排污的 要求 ， 本类阀门在管道中一般应 水平安 放 。 计 方案的选择 从上一章节我们可以得知， 水力控制阀 的主阀一般由基本阀体和驱动装置组成， 实质上是一个靠水压动力和隔膜（活塞）驱动的减压阀 。 初步考虑隔膜式和活塞式两种方案： 活塞式减压阀是采用控制阀体内的启闭件的开度来调节介质的流量，将介质的压力降低，同时借助阀后压力的作用调节启闭件的开度，使阀后压力保持在一定范围内，在进口压力不断变化的情况下，保持出口压力在设定的范围内，保护其后的生活生产器具。 隔膜阀的结构形式与一般阀门大不相同，是一种特殊形式的截断阀，它的启闭件是一块用软质材料制成的隔膜，把阀体内腔与阀盖内腔及驱动部件隔开，现 广泛使用在各个领域。常用的隔膜阀有衬胶隔膜阀、衬氟隔膜阀、无衬里隔膜阀、塑料隔膜阀。 利弊 分析： 由于工作流体限定为 河水、水库水 和 自来水 ，因此应优先考虑对流体的耐腐蚀特性，水力系统还应考虑运行中的压力损失。 对比两者的结构特点可知，隔膜式结构具备更高的抗水腐蚀 特性 （膜片采用非金属材料进行制造） ，比如河水、自来水 ，而且隔膜式阀体的上下腔体间密封性更好，能保证阀瓣在稳定的压差下工作。 所以，本方案初步选定 隔膜阀 进行下一步设计。 构与功能设计 膜阀 的 特点 隔膜阀是在阀体和阀盖内装有一挠性隔膜或组合隔膜，其关闭件是与隔膜相连接的一种压缩装置。阀座可以是堰形，也可以是直通流道的管壁。隔膜阀的优点是其操纵机构与介质通路隔开，不但保证了工作介质的纯净，同时也防止管路中介质冲击操纵机构工作部件的可能性。此外，阀杆处不需要采用任何形式的单独密封，除非在控制有害介质中作为安全设施使用。隔膜阀中，由于工作介质接触的仅仅是隔膜和阀体，二者均可以采用多种不同的材料，因此该阀能理想地控制多种工作介质，尤其适合带有化学腐蚀性或悬浮颗粒的介质。隔膜阀的工作温度通常受隔膜和阀体衬里所使 用材料的限制，它的工作温度范围大约为 75 。隔膜阀结构简单，只由阀体、隔膜和阀盖组合件三个主要部件构成。该阀易于快速拆卸和维修，更换隔膜可以在现场及短时间内完成。 型的选择 水力阀的主阀结构有单腔式和双腔式两种类型，设计要求给定的工作压力为2于 中 低压工作区，故选择双腔式水利控制阀。 构 简图 如下图 图 3构简图 详细的结构设计过程请参考第四章节。 第四章 阀体铸件的设计与计算 阀门性能有关的理论 门的流量系数 阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数越大说明流过阀门时的压力损失越小。 流量系数表示流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量。 计算式 （ 4 其中： 流量系数（ 体积流量（ m3/s）； p 阀门的压力损失（ 流体密度（ kg/ 门的流阻系数 流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降 p 表示。 对于紊流流态的液体： 22 （ 4 其中： p 被测阀门的压力损失（ 阀门的流阻系数； 流体密度（ kg/ u 流体在管道内的平均流速（ mm/s）。 阀门的流阻系数 取决于阀门产品的尺寸、结构以及内腔形状等。可以认为，阀门体腔内的每个元件都可以看作一个产生阻力的元件系统（流体转弯、扩大、缩小、在转弯等）。所以阀门内的压力损失约等于阀门各个元件压力损失的总和，即： 1 2 3 i （ 4 其中： 1、2、3、 、i 管道中介质流速相 同的阀门元件阻力系数。 应该指出，系统中一个元件阻力的变化会引起整个系统中阻力的变化或重新分配，也就是说介质流对个管段是互相影响的。 阀门的流阻系数随阀门的种类、型号、尺寸和结构的不同而不同。 表 4类阀门的流阻系数 闸阀 DN/0 80 100 150 200250 300400 500800 膜阀 DN/5 40 50 80 100 150 200 塞阀 DN/5 20 25 32 40 65 80 阀 的设计 体 结构设计 由于阀门有多种类型，同类型的阀门结构形式又分成许多类型，因此，阀体 的形状千变万化。 一般可分为直通式、直角式和直流式三种。 如 下 图 所示。 a）直通式； b）直角式； c）直流式 图 4体流道形式 阀体流道设计的原则如下： 1) 阀体端口必须为圆形，介质流道应尽可能设计成直线型或流线型，尽可能避免介质流动方向的突然改变和通道形状和截面积的急剧变化，以减少流体阻力、腐蚀和冲蚀； 2) 阀座直径不得小于阀体端口直径（公称直径）的 90%； 3) 直流式阀体设计时，阀瓣启闭轴线（阀杆轴线）与阀体流道出口端轴线的夹角 通常为 45o60o。 有铸造阀体、锻造阀体 、 锻焊与铸焊阀体 ，以及焊接阀体四种 。 1) 铸造阀体 铸造阀体 是目前应用最广的一种结构形式。其最大的优点是通过铸件造型，既能达到所要求的合理的几何形状，特别是流道形状，又可少受重量方面的限制。 2) 锻造阀体 锻造阀体一般都用于小口径阀门，特别是用于公称直径小于或等于 50高温、高压阀门。 3) 锻焊与铸焊阀体 锻造阀体重量受到限制或由于工艺上的原因，可以考虑采用这种形式。 4) 焊接阀体 这种结构既节省材料又能获得理想流道，缺点是焊缝多，焊接较困难。 对比分析上述各结构类型， 由于 直通式结构其 流体的阻力最大 ； 直角式阀体多采用锻造 ，适用于较小通经、较高压力的阀门；直流式结构 的流道与主流道成一斜线，流动状态的破坏程度比 前两者要小， 通过阀门的压力损失也相应的小 一些，且结构更为简单 。 所以，最终决定采用直流式铸造阀体结构。 对于 阀杆轴线与管道中心线 的 夹角 ，对比研究发现： 取值为 60，压力损失较小。而且，此时阀瓣比较容易在重力作用下沿着阀杆下落到阀座处，封闭水流通道。 此 处 将 阀杆轴线与管道中心线夹角 取值 为 65o。 由于公称直径给定为 1200适合采用螺纹连接，故 采用 法兰接口 与 管道的 上游和下游连接 。 由于 主阀 为铸造件设计， 材料初步球墨铸铁。 下面简单介绍壳体材料的一些力学性能。 表 4墨铸铁单铸试样的力学性能 牌号 抗拉强度 b/服强度 s/长率 （ %） 参考用 硬度 /要金相合金 球化等级 00 250 17 130180 铁素体 不低于 4 级 00 250 15 130180 铁素体 50 310 10 160210 铁素体 +珠光体 00 320 7 170245 铁素体 +珠光体 00 370 3 190270 珠光体 +铁素体 00 420 2 225305 珠光体 最终选取 为机身材料。 度计算 与校核 阀体壁厚的计算式如下： 1 2 （ 4 其中： p 为设计压力，其值由公称压力 定 ，单位为 计算内径，其值由公称直径 定 ，单位为 L 为许用拉应力，根据阀体所用材料查阅参考文献 1 表 3： L 取 55，单位为 C 为腐蚀余量， 这里取 0， 单位为 代入数据， 计算 可得壁厚 1 . 5 1 . 5 2 1 2 0 0 3 3 . 4 m 5 5 2p 取设计壁厚 36，由于 故该设计尺寸合格； 管路附件压力 不进行高温校核。 接法兰的设计 整 体法兰的密封面形式有平面、突面、凹凸面、榫槽面和环连接面，此处 采用突面密封形式。 水力阀的工作压力 2 1200查阅参考文献 1，可得到 以下数据： 连接尺寸有： 法兰外径 D=栓孔中心园直径 K=1425栓孔径 L=55栓孔数量 n=24，螺栓孔 规格 39 密封面： d=1350f=5 法兰厚度： C=63兰颈： N=1296铸造圆角 R=18兰连接阀门的结构长度 由于阀体采用法兰型接口，查阅参考文献，可得： 突面法兰连接面的结构长度 l=3000 肋板与底座 为便于阀体的移动和安装，在主阀壳体上方左右两侧增设吊环，在下方设计一个带肋板的底座，吊环和肋板的厚度与壳体厚度相同。 盖的设计 艺设计 阀盖端面为圆形，机体材料为 种 含碳量 可铸造 低碳钢 。 铸件材质及检验符合 求，且经退火后机加工。 壳体最小壁厚应符合 12224。 度计算 与校核 阀体壁厚的计算式如下： 2 .3 （ 4 其中： p 为设计压力，其值由公称压力 定，单位为 值由公称直径 定，单位为 L 为许用拉应力，根据阀体所用材料查阅参考文献得： L 取 100，单位为 C 为腐蚀余量， 这里取 0， 单位为 代入数据，计算可得 阀盖的厚度 2 1 2 0 0 1 0 . 5 m 3 2 . 3 1 0 0 2p 取设计壁厚 25，由于 故该设计尺寸合格； 管路附件压力 不进行高温校核。 片的设计 膜片的形状为盆型，外 部 采用锥面设计，内部为平面。 料 根据水力阀的使用环境，膜片的材料为： 橡胶 +尼龙网，它是利用 天然橡胶中间夹两层 尼龙布 胶牢后 硫化成型而来 。 膜片的拉伸强度不低于 14与织物附着强度不低于 2KN/m。硫化橡胶硬度为邵氏 A 型 70 3。 学性能 下表是 橡胶 材料 的 力学性能数据。 表 4胶的许用剪切应力 （ 材料 扯断强度 最大厚度 / 7 带夹层的橡胶 5 3 丁橡胶 1012 45 度计算 橡胶膜片的厚度计算式如下 0 c m z D （ 4 式 中： 减压阀的出口压力， 设计给定 为 单位为 膜片的自由面积，设计确定，单位为 膜片的直径，设计确定，单位为 橡胶材料的许用剪切应力，数据见 上 表，单位为 膜片的自由面积（外缘环形端面略去不计）计算如下 21 1 24d d d l （ 4 其中： 1d 膜片上部的直径，单位 2d 膜片下部的直径，单位 mm；l 膜片母线的长度，单位 代入数据：1d=1018d=1426l =272： 2 2 21 1 24 1 0 1 8 4 1 0 1 8 1 4 2 6 2 7 2 2 9 0 2 3 5 7 m d d d l 膜 片的直径取 膜片下 部的直径，橡胶材料的许用剪切应力取 入数据， 得 ： 0 . 7 0 . 7 0 . 0 2 2 9 0 2 3 5 7 1 4 2 6 2 . 1 4 . 3 m mm c m z D ， 这里 取8 杆的设计 在本设计中，由于阀体采用的是直流式结构， 阀杆轴线与管道中心线 的 夹角 为 60o。在停泵时，主阀板能 在重力作用下沿着阀杆下落到阀座处 ，封闭水流通道
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