明杆楔式单闸板钢制闸阀设计论文

明杆楔式单闸板钢制闸阀设计说明书（设计型号Z41H40DN200闸阀）任务书一、课题名称系列阀门设计机械设计及工艺二、设计主要内容阀门作为管道系统中的一个重要组成部分，应保证安全可靠地执行管道系统对阀门提出的使用要求。其零部件结构和装配关系可以通过UG软件来绘制阀门的三维零件图并进行装配，从而辅助完成阀门设计。一本次设计任务设计标准根据标准GB12234通用阀门法兰和对焊连接钢制闸阀设计系列低压小口径系列闸阀设计型号Z41H40明杆楔式单闸板钢制闸阀介质工作压力为PN40MPA公称通径要求DN250MM介质的工作温度T420C。操作方法手轮直接操作。与管道连接形式法兰连接,采用GB91135标准。管道介质为水、油品。二设计内容如下1Z41H40阀门结构设计阀体、闸板、阀座、压盖、手轮、螺柱、六角螺母、活节螺栓、圆柱销等的结构设计2计算工作量闸阀的密封副设计，以确定密封副的材料及宽度。阀体与阀盖的设计。中法兰的设计，主要内容有确定法兰型式和密封面型式；选择垫片材料型式和尺寸；确定螺栓直径与数量。阀杆的强度计算。阀杆的稳定性校核。三、总体设计；Z41H40阀门（PN40MPADN250MM）二、三维装配图三、毕业设计基本要求1具有查阅文献、综合分析、合理选用标准的能力2熟练使用UG软件进行产品的零件、装配建模设计。3能独立拟定设计方案，编写设计说明书。4运用学过的理论知识，采用工程分析计算方法，完成设计中的计算工作。5翻译不少于5000字的外文资料四、课题的准备工作1、阀门资料收集2、UG下阀门3D设计；3、翻译不少于5000字的外文资料五、毕业设计进度（按周计）查阅资料，翻译并选型、实习阀体，密封副，阀杆设计支架，中法兰设计填料压盖设计装配图协同设计校验，设计说明书12345678910六、参考文献1、机械工程手册第14卷通用机械作者沈鸿2、中国机械工业标准汇编阀门卷中国标准出版社3、阀门设计手册杨源泉机械工业出版社4、阀门制造工艺作者沈阳阀门研究所机械工业出版5、阀门设计与计算6、阀门杂志2001年第一期UT软件在系列化阀门产品设计中的应用中英文摘要摘要阀门在国民经济的各个部门中有着广泛的应用。阀门安装在各种管路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。本文着重介绍了闸阀，对闸阀的各种重要组成部件进行验算，以达到理论上验算合格才可使用。在计算时，严格按照参考书及手册的步骤核算，同时应保证所设计产品的材料低廉。关键词阀门，闸阀，计算。DEMANDVALVEHAVEAPPLICATIONINTHEALLOFPARTATTHENATIONALECONOMYVALVEINSTALLATIONBEUSEDTOCONTROLSTRESSOFLIQUID,RUNOFF,WAYOFFLOWOWINGTOSTRESSOFLIQUID,RUNOFF,TEMPERATUREANDPHYSICSANDCHEMICALSPROPERTYSOVALVEHAVEMANYKINDSOFSPECIESTHISTEXTEMPHASIZEONINTRODUCESLIDEVALVE,TOCHECKINGCOMPUTATIONSALLOFPARTSINTHESLIDEVALVESOWECANREACHMYTEACHERSREQUIREONCALCULATE,WEARESTRICTWITHREFERENCEBOOK,HANDBOOK,ANDSOONATTHESAMETIME,WEKEEPTOCHOOSEMATERIALSSOTHATACHIEVEDEFLATIONOFMATTERKEYVALVE,SLIDEVALVE,ACCOUNT目录一绪言5二密封副设计8三阀盖壁厚的计算10四阀体壁厚的计算11五阀门零部件的选用12六阀杆的设计与计算19七阀杆的强度计算20八阀杆的稳定性计算21九闸阀阀杆力矩和手轮选定验算22十支架的验算23十一闸板的厚度计算26十二中法兰连接螺栓的验算27十三填料压盖强度验算28十四支架连接螺栓强度验算29十五中法兰强度验算30十六参考文献32十七附件133一绪言阀门是管路流体输送系统中控制部件,它是用来改变通路断面和介质流动方向,具有导流、截止、调节、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格繁多，阀门的公称通径从极微小的仪表阀大至通径达10M的工业管路用阀。阀门可用于控制水、蒸汽、油品、气体、泥浆、各种腐蚀性介质、液态金属和放射性流体等各种类型流体的流动，阀门的工作压力可从1310MPA到1000MPA的超高压，工作温度从269的超低温到1430的高温。阀门的控制可采用多种传动方式，如手动、电动、液动、气动、蜗轮、电磁动、电磁液动、电液动、气液动、正齿轮、伞齿轮驱动等；可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭，阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。基础设施建设是我国经济建设的重点，给排水工程，特别是污水处理工程规模浩大，WTO业已进入，西部大开发业已启动，阀门市场前景一片大好。我国自来水事业虽然历史有近120年，比日本还早7年，但仍有很大的缺口，需要建设，现状是在我国700多个城市一半缺水，100个城市严重缺水。平均每年用水量将递增700万M3/D；特别是我国“九五”期间提出了治理环境污染的关键之一是污水处理，以治理三湖太湖、巢湖、滇池、三河为重点淮海、辽河、海河，并同时要求全国640个50万人口以上的县级市在2003年前全部至少建设一个城市一座污水处理厂，九五期间污水处理率25，2010年要求达到46，即1000座厂。目前全国仅在200余个地级市有污水处理厂，未来几年将在近400余个城市建污水处理厂。至2003年要投入1800亿治理城市污水，从2000年起每年要投入600亿元人民币，每年设备投资达200亿，阀门也占有不小的份额，一个中等污水处理厂大约需要阀门投资600800万。除此之外，给水工程、水电、化工等行业需求量也是很大的。到2008年前，北京为承办奥运即投资1800个亿，其中大部用在基本建设，在基本建设中，用阀门的数量也将是可观的。上述情况仅为国内市场，进入WTO后，我们能见到的市场国内仅是一小块，更大的市场在国外，现在已进入全球化要充分利用我国阀门业的优势，积极走向世界经济的平台。阀门是一种管路附件，是大型成套装置中的重要组成部分，它是用来改变管路断面和介质流动方向，控制输送介质流动的一种装置。具体来讲，阀门有以下几种用途A阻止管路中的介质倒流。B分离介质。C接通或截断管路中的介质。D调节、控制管路中介质的流动的方向。E改变管路中介质流动的方向。F指示和调节液面高度。G其他用途。二密封副设计完全依靠阀杆的作用力，就能在出口端密封面上形成足够的密封比压而达到密封。当然在介质作用下，出口密封面间比压会进一步增大，但单面强制密封要求既使不考虑介质的作用力，或介质压力在0到工作压力之间的任意值时，出口端都能保持密封。闸阀的密封副设计都是对称的。因而，由于阀杆的作用力，在进口与出口密封上应形成相同的密封比压。但由于介质力的作用，使进口端密封副间的比压减少而出口端比压增大，因而对于单面强制密封，阀杆的作用力只能保证出口断具有足够密封比压，而进口端是不能保证密封的。对于一般工业系统中，单面强制密封已能满足要求，因而他是一种应用广泛的密封，通常设计计算也大多按这种性质的密封来进行。密封面材料除一般的强度，耐腐蚀等要求外，对密封性能影响最大的时它的硬度，对密封面的硬度要求，主要是具有承受相应密封比压，防止发生塑性变形（宏观）和被压溃，硬度还与密封面耐冲蚀能力有关。应当指出密封面的硬度除与材料有关外，还和加工方法有关，表面加工造成的冷作硬化将使局部硬度发生变化，因而不同的加工方法甚至不同的切削加工用量也会使同样光洁度的同种材料具有不同的密封性能。密封材料的亲水性能，吸附性能将对密封产生影响。通常金属对各种液体介质都具有良好的亲水性。由于毛细管作用将对密封产生不利的影响而易于泄漏。因此在密封面上油膜的存在将对密封性能产生有利的影响，这是因为油本身极易与金属密封面浸润，而在毛细通道内形成边界层阻塞通道，同时油膜的存在破坏了密封面对工作介质的亲水性，从而使本来能浸润密封的介质变得不能浸润，这时毛细作用就变得有利于密封了，因此在某些场合的阀门，采用在密封面间注油或滑脂的方法来提高密封性就是这个道理，润滑脂由于具有较大的粘度而更容易造成毛细通道的闭合。密封面的宽度增加将使介质有内沿泄漏导外缘所经过的路径增加，流阻增加。应当指出毛细通道的实际长度将远大于密封宽度，同时通道曲折，截面变化的程度从几率上来说也肯定增加，这就使得闭塞形成的可能性增大，所以增加密封面的宽度是会有利于密封的。但是密封面宽度增加，对于施加同样的密封力则其比压将下降，另外应当指出密封面宽度增加使加工精度难于保证，易于造成密封副不能良好地吻合，使间隙增大。已知介质工作压力为PN40MPA公称通径要求DN200MM1阀门设计手册第398页密封面宽度BM1/201/50DN1/201/50200410MM,密封面宽度通常不小于23MM。取BM4MM。密封面的验算由机械设计课程设计手册第31页表216密封面材料的许用挤压应力CY120MPA由复印资料第56页公式QKQMZ/DMNBMBM1622124/2104615SB即选取合格四阀体壁厚的计算闸阀阀体通常为铸造，由于形状复杂，近年来对中小型阀体多采用紧密铸造。阀体与管道多为法兰连接，其中腔截面为圆形或椭圆形，上有导轨为闸板升降导向。阀座两密封间沿通道中心线的距离称档宽，它应当略小于闸板中心相应的厚度尺寸，已使得当密封面有一定程度磨损，闸板关闭位置下移时，仍能保证密封面的良好接触（指楔式闸阀）。对某些大口径闸阀，其阀体可设计成有缩口形式，即其通道的进出口呈渐缩和渐扩的形式，以使得闸板尺寸不致过大。有的闸板装有导流装置，当全开时导流管随闸板提升而将阀体两密封面连接起来以减少流阻，当全关时，导流管在阀体中腔的下部，因而阀体下部尺寸较大，对装有外旁通的闸阀，在阀体进出口通道上开连接管口，旁通管的作用是在闸阀开启前，先将旁通阀打开。使阀后充压以平衡闸板两侧的压力，减少开启力，这种装置多用于大口径场合。阀体底部开有螺孔，用于出厂前进行密封性试验，以及清理排除积存阀腔内的污垢。阀体表面应铸有公称压力和公称通径的数值。阀体与阀盖连接的法兰称中法兰，中法兰上表面至阀体通道中线的距离称中心高，其数值应考虑当闸板提升至其密封面下缘离开阀座密封面上缘时，阀杆头部的上密封锥面与阀盖上的下密封面刚刚接触或保持一定距离。已知介质的工作温度T420C，介质工作压力为PN40MPA，由阀门设计计算手册P25得1计算压力PPN40MPA2计算内径DN268MM3由P114表433，根据阀体的材料（碳素铸钢）得许用拉应力L51MPA；4腐蚀余量C3MM；由阀门设计手册P358表414查得5计算厚度SBPDN/23LPC4268/23514312462MM6实际厚度取SB16MMSB即选取合格五阀门零部件的选用由阀门设计手册查得,单位MM1阀杆螺母P496499TR366LH7HM5215D149D38D60D180L174SDLL55L1106L216L355L26B16B25C35C1152平形手轮P490491表4120A型，B型，C型平行手轮的尺寸D400，H26,D195,D270,D543锁紧螺母P500501DF36,M5215,D78,R32,D167,B12,B8,T354轴承压盖P501502DF36,DBLL60,D115,D194,M972,HB1235,B35,H42,L1035填料压盖P506507DF36,D52,D170,D256,D138,D018,A102,H38,H122,H220,H310,B14,R18,R14,R22,062KG6石棉填料P511表4148DF36,B8,H8,A30713KG8上密封座P519520DF36,M562,D153,D252,D66,D156,D256,D342,H22,H32C5,C14,054KG9凹凸面整体钢制管法兰P702704DN200,D375,K320,L30,N12,THM27,D284,X259,Y260,F3,F145,F235,C34,N254,R8,S14,S12710第401页表433铸钢闸阀焊接式阀座的推荐尺寸（MM）D1203，D3（F9）230，D211，D2206，BM6，C45，H2411第405页表43812隔环P510，表4146（MM）D36，D52，D144，H24，H8，ZDT265，质量017KG13六角螺塞P531表4189M81,D165,D14,D162,S14,H2,L20,LO12,C1,B25,R05,001KG14螺塞垫P532表4190D9,D14,2,114KG15美制螺纹活节螺栓P899表6318表6319D16,D27,B19,R12,C2,L80,L155垫圈D16,B41,S32,六阀杆的设计与计算明杆闸阀其螺纹在阀杆上部，传动螺纹可采用方形或梯形，暗杆闸阀则螺纹在阀杆的下部。阀杆的非螺纹部分由于与填料摩擦及受腐蚀（石棉填料有氯蚀），因而要进行表面处理，或采用合金钢材料。以提高其耐磨和抗腐蚀性能，为保证手轮顺时针旋转时为关闭行程，故明杆闸阀的阀杆螺纹为左旋。明杆闸阀的阀杆螺母装于支架上，由手轮或驱动装置带动其旋转，螺母有轴向限位，对于大扭矩情况下还可以设止推轴承，螺母的材料多为合金钢，暗杆闸阀的螺母多装于闸板的T形槽内，阀杆与手轮固定在一起旋转。1阀门设计手册第444页闸板组件的重量V27228727MM,78G/CMMV212384KGQGMG212384N2、中国机械工业标准汇编阀门卷第235237页表5阀杆最小直径DF34MM,取DF36MM。3阀门设计手册第442页公式4151介质作用于阀杆上的轴向力QPDFP/4364/4406944N介质工作压力为PPN40MPA4阀门设计手册第442页公式4148阀杆直径DF36MM由复印资料第58页填料层的宽度BT1016DF1016366096取BT8MM填料函内径DDF2BT361652当PN4MPA16MPA,填料圈数Z49,取Z6填料函的深度HZBT6848MM填料层的总高度等于填料函的深度HT48MM第442页阀杆与填料间的摩擦系数，对聚四氟乙烯填料UT00501,取UT01。那么阀杆与填料间的摩擦力QTDFHTUTP36480142170368N5阀门设计手册第444页公式4164和公式4165FM025,FM035ARCTGFMARCTG025,ARCTGFMARCTG035TG025,TG035,1403619296阀门设计手册第444页公式4166和公式4167关闭或开启时阀杆的密封力，即阀杆与闸板间的轴向作用力Q2QMFQMJCOSTGTGQMJCOSTGTGQG2（237384138474）COS5025TG5138474COS5TG140365TG5212384109072513461789670135472828432653NQ2QMFQMJCOSTGTGQMJCOSTGTGQG2（237384138474）COS5035TG5138474COS5TG19295TG52123848484164623330127864015182885991N7阀门设计手册第444页公式4156和公式4157闸阀关闭或开启时阀杆的总轴向力QFZQQPQT4728284326534069442170368535226512653NQFZQQTQP518288599121703684069444992978791N七阀杆的强度计算1阀门设计手册第454页图475设计时初步取单位MMB60,H20，D60,A40,A302阀门设计手册第246249页表3140选阀杆材料为2CR13,那么许用应力为686MPA,W1372MPA3阀门设计手册第454页公式4234明杆闸阀阀杆端部的强度校核，即剪切力校核（QQT）/2BH51828859912170368/26020206910MPA26阀门设计手册第455页公式4241阀杆的压应力YQFZ/0785DF535226512653/078536365260935MPA7阀门设计手册第456页表496系数A5442,B2368阀门设计手册第455页稳定安全系数N259阀门设计手册第456页公式4242当2时，有Y5260935MPASB即选取合格十二中法兰连接螺栓的验算由介质的工作温度T420C，介质工作压力为PN40MPA由阀门设计计算手册P67表347，中低压高温的螺栓强度验算1已知介质工作温度T420C取介质工作温度T425C2由P175表422法兰连接零件之间的温度差初加温时温度差T90C高温时温度差T19C3未使用垫片，即垫片厚度DP0垫片面积FDP0垫片材料弹性系数EDP04中法兰温度TF09T09425C3825C5螺栓温度TLTFT3825C19C3635C6螺栓计算长度L135MM7由P130表48螺栓螺钉材料的力学性能材料线胀系数A111MM/MMC8螺栓材料弹性系数EL157MPA9螺栓数量Z1210由P135表49,单个螺栓截面积F14271CM24271MM211螺栓总截面积FLZF112427151252MM212高温时螺栓温度变形力QTTAL/L/FLELDP/FDPEDP19111135/135/5125215701695960786N13常温时螺栓计算载荷关闭或开启时阀杆与闸板间的轴向作用力QLZQLQ5182885991N14螺栓计算载荷QLZQLZQT518288599116959607862214249385N15螺栓拉应力LQLZ/FL2214249385/512524320318007MPA16由P130表48查屈服极限STLS170MPA17安全系数NSSTL/L170/43203180073934896135即螺栓应用合格十三填料压盖强度验算常用为石棉纤维编织的方形截面填料，为改善其性质可加入油浸，石墨粉，玻璃纤维，金属丝等，成型填料主要是聚四氟乙烯，近年来柔性石墨填料及碳纤维填料得到了广泛采用。填料函底面有平底和锥形底两种，石棉填料一般用锥形底，已获得对阀杆的较大密封压力，成型填料，柔性石墨填料则采用平底。填料是靠压紧螺母或压盖来产生压紧力的，填料压盖有整体和分离两种形式。填料层高度较大时，中间可以加有金属垫片以使得压紧力分布均匀。在重要的或有害介质的场合，填料层中间还可以设引漏管。由阀门设计计算手册P75表360得1填料箱内径DTN52MM2阀杆直径DF36MM3计算压力P40MPA4由P162表412得石棉填料的系数1085压紧填料必须压力QTP1084432MPA6两孔距离L102MM7力臂L1（LDTN）/2（10252）/225MM8压紧填料总力QYT（DTN2DF2）QT/4（522362）432/447748096N9II断面弯曲力矩M1QYTL1/24774809625/25968512NMM10参数B56MM，H16MM11II（断面）断面系数W1BH2/656162/62389333333MM312II断面弯曲应力W1M1/W15968512/23893333332497982143MPA13参数BR56MM，D38MM，H38MM14力臂L2L/2102/251MM15IIII断面中性轴到填料压盖上端面的距离Y2（DTND）H2（BRDTN）H2/（DTND）H（BRDTN）H/2（5238）382（5652）162/（5238）38（5652）16/21781879195MM16IIII断面惯性矩I2（BRD）Y23（BRDTN）（Y2H）3（DTND）（HY2）3/3（56385652）（178187919516）3（5238）（521781879195）3/31943028892/36476762974MM17IIII（断面）断面系数W2I2/Y26476762974/17818791953634793532MM318IIII断面弯曲力矩M2QYTL2/24774809651/21217576448NMM19IIII断面弯曲应力W2M2/W21217576448/36347935323349781596MPA20由填料材料20钢，查阀门设计手册P246表3140，得弯曲应力W7252MPA由以上计算，得W12497982143MPAWW23349781596MPAW即选取合格十四支架连接螺栓强度验算阀门设计计算手册P67表3491螺栓直径DL16MM2由P135表49,得单个螺栓截面积F11441CM21441MM23螺栓数量Z44螺栓总截面积FLZF1414415764MM25关闭时阀杆总轴向力QFZ535226512653N6螺栓拉应力LQFZ/FL535226512653/576492856786MPA7由P151表49许用拉应力L95MPA即LL，选用合格十五中法兰强度验算由阀门设计计算手册P71表3561计算内径DN268MM2螺栓孔中心圆直径D1370MM3中法兰厚度H40MM4中法兰根径DM326MM5力臂L1D1DM/2370326/222MML2L1DMDN/422326268/4365MM6断面系数WIDMH2/6326402/62729706667MM3WIIDMDNDMDN/22326268326268/2213071663MM37常温时螺栓计算载荷（根据螺栓强度的计算数据）QLZ5182885991N8高温时螺栓计算载荷（根据螺栓强度的计算数据）QLZ2214249385N9中法兰温度（根据螺栓强度的计算数据）TF09T09425C3825C10由P115表44查得屈服极限STF185MPA11由P115表44查得蠕变极限RTF83MPA12许用弯曲应力STF/135185PARTF/0983/0992222222MPA取其中较小值W92222222MPA13由P119表45，查得许用弯曲应力W92MPA14常温时比值系数NQLZ/W5182885991/925633571729MM215常温时比值系数NQLZ/W2214249385/922222222400993309MM216计算载荷，取N，N中最大时的QLZ,QLZ，即QQLZ2214249385MM217II断面弯曲应力W1QL1/WI221424938522/272970666717845685MPA18IIII断面弯曲应力W204QL2/WII04221424938522365/130716632473139112MPA19常温时W117845685MPAW92MPAW22473139112MPAW92MPA即选取合格高温时W117845685MPAW92222222MPAW22473139112MPAW92222222MPA即选取合格十六参考文献1、中国机械工业标准汇编阀门卷出版社中国标准出版社2、几何量公差与测量甘永立主编出版社上海科学技术出版社3、机械设计课程设计手册吴宗泽罗圣国主编出版社高等教育出版社4、阀门设计计算手册陆培文高凤琴洪勉成出版社中国标准出版社5、阀门设计与计算6、阀门制造工艺沈阳高中压阀门厂编出版社机械工业出版社7、阀门选用手册8、阀门设计手册杨源泉著出版社机械工业出版社十七、附件零件及三维建模设计概述图形名称及相关描述阀体此阀体的制造材料为碳素铸钢（WCB）。在三维建模时，严格按照设计要求绘制，例如，为了保证阀门的正常工作，阀体的中心高（中法兰至阀体通道中线的距离称中心高，其数值应考虑当闸板提升至其密封面下缘离开阀座密封面上缘时，阀杆头部的上密封锥面与阀盖上的下密封面刚刚接触或保持一定距离），档宽（阀座两密封面间沿通道中心线的距离称档宽），都要考虑其合理性。阀盖阀盖选用的制造材料为碳素铸钢（WCB）。阀盖与阀体大多为法兰连接，也有螺纹连接，卡箍连接和内压自紧密封的连接。阀盖上部有填料函。阀盖中央的阀杆孔下缘常加工成45度锥面并有足够光洁度，当阀杆提升到极限位置时，阀杆头部锥面与它相接触而形成密封，称上密封结构，其作用是在全开时可以隔离填料和