机械毕业设计（论文）-D341X-10蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计【全套图纸】 .pdf

长江大学工程技术学院 毕业设计毕业设计(论文论文) 题题 目目 名名 称称 d341x-10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 系系 部部 机械系机械系 专专 业业 班班 级级 机械机械 61202 学学 生生 姓姓 名名 指指 导导 教教 师师 辅辅 导导 教教 师师 时时 间间 前言 第 1 页（共 29 页） 目录 毕业设计任务书 . 开题报告 . 指导教师审查意见 . 评阅老师评语 . 答辩会议记录 . 中文摘要 . 外文摘要 . d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 2 页（共 29 页） d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 前言前言 通过我们不断地对市场进行调查，发现蝶阀结构相对比较简单，组成主要是由几 个简单的零件构成；主要特点是容易安装，其体积是阀体设计中最小的，而且在工作 的过程中驱动尺寸和驱动力都是比较小的，这样就使得其在操作的过程中中比较迅 速，只需旋转 90即可快速启闭；蝶阀在现在的市场上应用的也逐渐广泛，特别是蝶 阀处于完全开启位置时，工作效率最高；通过我们分析了解到蝶阀有弹密封和金属的 密封两种形式。这两种密封形式都比较实用；假如要求蝶阀作为流量控制使用，我们 必须选择好阀门的正确尺寸和合适类型；蝶阀在现如今的市场上主要广泛应用在石 油、煤、天然气等等；我们在实际中常用的蝶阀有对夹式蝶阀和法兰式蝶阀两种。这 两种蝶阀都具有各自的特点，在市场上也都占有一定的比重。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 蝶阀主要是用圆形蝶板作启闭件并随阀杆转动来开启、 关闭和调节流体通道的一 种阀门。这种阀门必须安装在管道的正确方向，以免在后续的过程中出现异常；在工 作的过程中圆盘形蝶板绕着轴线旋转，随着力的不断增大，旋转角度也随之改变，最 终在 090之间，旋转到 90时，阀门则牌全开状态。 前言 第 3 页（共 29 页） 1 蝶阀的特点蝶阀的特点 蝶阀的体积相对较小， 重量也比较轻， 导致在后续的过程中安装尺寸也相应容易； 从介质上分析看属于截断、接通介质，具有良好的流体控制特性和关闭密封性能。 公称压力或压力级：pn1.0-4.0mpa、ansi class 150-300lb、jis10-20k 适用温度：196700 驱动方式：手动、蜗轮传动、气动、电动、液动、气液联动、电液联动 阀体材料： ht200、 wcb、 zg1cr18ni9ti、 zg1cr18ni12mo2ti、 cf8(304)、 cf3(304l)、 cf8m(316)、cf3m(316l)、ti。 蝶板的流线形设计是一种比较节能的形式；在后续的应用中经过调质处理，形成 了很好的综合能力和抗腐蚀性明显提升；阀杆的填料相对比较稳定，不容易被破坏， 密封也比较可靠。与 连接方式有法兰连接、对夹连接、对焊连接及凸耳对夹连接。 驱动形式有手动、蜗轮传动等执行机构，在这里不一一说明，最后在后续的工作 中能实现自动化是我们的主要目标。 就现在来看，蝶阀也逐渐的取代了闸阀。蝶阀得实际时间比较短，操作力矩小， 安装空间小和重量轻。这些重要的特点都使得蝶阀在后续的工作中用的越来越多。 橡胶软密封蝶阀缺点是作节流使用时，很容易产生汽蚀，所以，我们在设计的过 程中一定要保证其良好的气密性； 近期还开发耐气蚀、 低振动、 低噪声的梳齿形蝶阀。 通过考虑密封座的实际寿命，我们发现橡胶型阀座的应用不如金属型的，橡胶 15 年到 20 年，金属的 80 年到 90 年。 蝶阀处于中开度时，阀体与蝶板前端形成的开口形状以阀轴为中心，两侧形成完 成不同的状态，一侧方向不变，另一侧逆向，这样做的目的是减少测流速度，防止出 现橡胶密封件脱落的现象。 蝶阀操作力矩，主要是启闭方向不同，导致因大口径阀的使用受限，在目前的情 况下，防腐合成橡胶和聚四氟乙烯不断广泛应用，蝶阀逐渐满足于不同的工作条件。 通过我们不断地分析和总结，发现在最近的几年中，金属硬密封蝶阀发展加速，随更 多是耐强腐蚀、耐强冲蚀、高强度合金材料在蝶阀中的应用，随之取代了截止阀、闸 阀和球阀。 d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 4 页（共 29 页） 蝶阀启闭件是一个圆盘形的蝶板，在启闭瞬间，蝶阀的全部开关都会绕着轴线旋 转；蝶阀和蝶杆本身没有自锁有力，但是为了蝶板的定位，必须在阀杆上加装蜗轮减 速器。这样做不但可以使蝶板具有自锁能力，还可以让蝶板停止在任意位置上，极大 的促进了蝶阀的发展； 工业专用蝶阀的特点也比较多，最突出的特点是耐高温，阀门能耐高温，密封圈 采用金属环代替橡胶环。在后续的发展过程中应用的也越来越多。 蝶阀优点 1. 启闭方便迅速、省力、流体阻力小，可以经常操作。 2. 结构简单，体积小，重量轻。 3. 可以运送泥浆，在管道口积存液体最少。 4. 低压下，可以实现良好的密封。 5. 调节性能好。 蝶阀缺点： 1. 使用压力和工作温度范围小。 2. 密封性较差。 蝶阀可以按结构形式、密封形式对其详细的划分，在这块，我 们主要对其密封形式进行详细的划分，包括较密封型和硬密封型两种。 2.蝶阀的类型蝶阀的类型 1同心蝶阀：这样的蝶阀在后续的工作过程中应用的相对比较多，特别是当出 现在同一位置时；而且现在的衬胶蝶阀也属于这一类的。但是这样的方式也具有一定 的缺点：阻距大、磨损快是其最大的缺点。 2单偏心蝶阀：这样的蝶阀很容易受到挤压，主要 表现是阀杆轴心偏离了蝶板，导致了蝶板上下端与阀座 的过度挤压。 双偏心蝶阀：这样的阀在目前的应用是最多的， 主要表现为在阀杆轴心既偏离蝶板中心、也偏离本体中 心。 双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅即脱离阀座、 大。从而减少了摩擦，增加了使用寿命。 图 1 蜗杆传动蝶阀 前言 第 5 页（共 29 页） 蝶阀结构简单，体积小优势在很大的程度上比之前也有所减小，这样就很大的减 小了驱动力矩； 器良好的流量调节功能和关闭密封特性， 在现在的市场上也逐步凸显。 因此，蝶阀是主导的阀门形式。 随着防腐合成橡胶和聚四氟乙烯的广泛出现，我们发现蝶阀的性能逐渐提升了， 而更多耐高温、耐低温、耐强腐蚀、耐强冲蚀、高强度合金材料在蝶阀中的应用也在 逐步增多，最终我们相信蝶阀一定会取代整个市场。 d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 12 页（共 29 页） 3.设计计算设计计算 3.1 阀体壁厚阀体壁厚 sb 零件名称 阀体 材料牌号 wcb 序 号 计算数据名 称 符号 式中 符号 公式 单位 计算 数据 1 计算壁厚 b s 2.3 nn l pd c p + mm 4.3 2 计算压力 pn 设计给定 mpa 1.0 3 计算内径 dn 设计给定 mm 150 4 许用拉应力 l 查实用阀门设计手册 表 3-3 mpa 82 5 腐蚀余量 c 设计给定 mm 3 6 实际壁厚 b s 设计给定 mm 12 结论： 1. bb ss，故合格。 2管路附件温度压力级是根据材料相应温度下的许用应力制定的，故不进行高 温核算。 图 2 阀体 蜗轮蜗杆设计说明 第 13 页（共 29 页） 3.2 密封面上计算比压密封面上计算比压q 零件名称 阀座 材料牌号 304 序 号 计算数据名称 符号 式中 符号 公式 单位 计算数据 1 密封面上 总作用力 mz q mzmf q+q n 37799 2 密封面上 介质作用力 mj q () 2 mnm d+bp 4 n 26179 3 密封面内径 mn d 设计给定 mm 150 4 密封面外径 mw d 设计给定 mm 156 5 密封面与球面 接触半角 设计给定 72 6 阀座 密封面宽度 m b 设计给定 mm 7.8 7 设计压力 p 设计给定 mpa 1.0 8 密封面上 密封力 mf q () 22 m mwmnmf f d- d1+q tan 4 n 11620 9 密封 磨擦因数 m f 查实用阀门设计手册 表 3-26 0.3 10 密封面 必须比压 mf q 查实用阀门设计手册 表 3-13 mpa 10 11 密封面 计算比压 q () mz mwmnm q d+db sin mpa 18.77 12 密封面 许用比压 q 查实用阀门设计手册 表 3-14 mpa 150 结论： mf qqq故合格。 d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 14 页（共 29 页） 3.3 阀杆力矩阀杆力矩 零件名称 阀杆 材料牌号 2cr13 序 号 计算数据名 称 符号 式中 符号 公式 单位 计算数据 1 蝶阀阀杆力 矩 d m mctjd m +m +m +m +m nmm 498174.1 2 密封面 摩擦力矩 m m 22 mmm 4q rb fh +r nmm 410929.0 3 密封面 必须比压 m q 查 实用阀门设计手册 表 3-13 mpa 10 4 蝶板密封半 径 r 设计给定 mm 82 5 密封面的 接触宽度 m b 设计给定 mm 9.6 6 密封面间的 摩擦因数 m f 查 实用阀门设计手册 表 3-26 0.30 7 阀杆与蝶板 中心的偏心 矩 h 设计给定 mm 2.5 8 阀杆轴承的 摩擦力矩 c m c cf q f d2 nmm 75002.1 9 密封填料的 中心力矩 t m tf q d2 nmm 11139.1 10 静水力矩 j m 当阀杆垂直安装时为 0 nmm 0 11 动水力矩(最 大值通常在 oo =60 80范 围内) d m 142 0 2 0 2 10 2 ghd gh v + nmm 1103.86 12 作用在阀杆 轴承上的载 荷(密封状态 时) c q 2 4d p n 26786.5 13 阀杆与轴承 的摩擦因数 c f 设计给定 0.2 蜗轮蜗杆设计说明 第 15 页（共 29 页） 14 阀杆直径 f d 设计给定 mm 29 15 阀杆与填料 间的摩擦力 t q ft d b p n 795.648 16 阀杆与填料 间的摩擦系 数 查实用阀门设计手册 表 3-15 按 tt hb 2.22 17 填料宽度 t b 设计给定 mm 8 18 填料深度 t h 设计给定 mm 40 19 计算压力 p 取公称压力 pn mpa 1.0 20 重力加速度 g mm s 9810 21 计算升压在 内的最大静 水压头 h 见蝶板厚度计算表中 h mm 217600 22 蝶板直径 d 设计给定 mm 156 23 蝶板开度为 角时的流 阻系数 查实用阀门设计手册 表 5-158 3620 24 蝶板全开时 的流阻系数 查实用阀门设计手册 表 5-158 0.222 25 蝶板开度为 角时的 动力水系数 查实用阀门设计手册 表 5-158 146200 26 全开始介质 的流速 0 v 取 10003000 的中间值 mm s 2000 27 蝶板开度角 o 80 d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 16 页（共 29 页） 3.4 阀杆强度验算阀杆强度验算 零件名称 阀杆 材料牌号 2cr13 序 号 计算数据名称 符号 式中 符号 公式 单位 计算数据 1 蝶阀阀杆力矩 d m 见阀杆力矩计算表 nmm 498174 2 阀杆截面积 s f 2 4 f d mm 615.7 3 阀杆直径 f d 设计给定 mm 29 4 断面系数 w 3 16 f d 3 mm 4310.3 5 阀杆总轴向力 fz q mmzpt f qqq+ n 13120 6 密封面 摩擦因数 m f 实用阀门设计手册 表3-26 0.30 7 密封面上 总作用力 mz q 见密封面上计算比压序号 1 n 37799 8 阀杆径向截面 上介质作用力 p q 2 4 f p d n 984.7 9 计算压力 p 取公称压力 pn mpa 1.0 10 阀杆与填料间 的摩擦力 t q 见阀杆力矩序号 15 n 795.648 11 阀杆轴向应力 l fzs qf mpa 21.3 12 阀杆扭应力 n d mw mpa 115.6 13 许用拉应力 l 实用阀门设计手册表 3-7 mpa 220 14 许用扭应力 n 实用阀门设计手册表 3-7 mpa 145 结论： l l n n 故合格。 蜗轮蜗杆设计说明 第 17 页（共 29 页） 3.5 蝶板厚度计算蝶板厚度计算 零件名称 蝶板 材料牌号 304 序 号 计算数据名称 符号 式中 符号 公式 单位 计算数 据 1 蝶板 中心处厚度 b 3 0.054d h mm 20 2 蝶阀流道直径 d 设计选定，通常 0.0150.25b d =: mm 150 3 考虑到水击升 压的介质最大 静压水头 h ()100 pnp+ m 157.6 4 由于蝶板的快 速关闭，在管 路中产生的水 击升压值 p 400qv at mpa 0.576 5 体积流量 qv 设计选定 3 m h 114.0 6 阀座 通道截面积 a 设计给定 2 mm 15836.8 7 蝶板从全开到 全关所经历的 时间 t 设计确定 s 5 图 3 蝶板尺寸及受力分析图 d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 18 页（共 29 页） 3.6 蝶板强度验算蝶板强度验算 零件名称 蝶板 材料牌号 304 a-a 断面强度校核 序 号 计算数据名称 符号 式中 符号 公式 单位 计算数据 1 a-a 断面的弯应 力 wa aaw mw mpa 25.2 2 a-a 断面的弯矩 a m 3 2 12pd nmm 414951.5 3 介质压力 p 取 p=pn mpa 1.0 4 蝶板外径 2 d 设计选取 mm 156 5 a-a 断面的抗弯 断面系数 a w 2 a jb 3 mm 16490.3 6 a-a 断面的惯性 矩 a j () 33 6 l bd 4 mm 380100.9 7 蝶板中心处最 大厚度 b 见蝶板厚度计算序号 1 mm 46.1 8 蝶板与阀杆配 合孔长度 l 设计给定 mm 25 9 蝶板与阀杆配 合孔直径 d 设计给定 mm 29 10 材料许用弯应 力 w 查实用阀门设计手册 表 3-3 mpa 102 b-b 断面强度校核 序 号 计算数据名称 符号 式中 符号 公式 单位 计算数据 1 b-b 断面的弯应 力 wb bbw mw mpa 34.1 2 b-b 断面的弯矩 b m 3 2 0.113pd nmm 562674.2 3 介质压力 p 取 p=pn mpa 1.0 4 蝶板外径 2 d 设计选取 mm 146 5 b-b 断面的抗弯 断面系数 b w 2 b jb 3 mm 16494.9 蜗轮蜗杆设计说明 第 19 页（共 29 页） 6 b-b 断面的惯性 矩 b j 32 6 d 4 mm 380208.3 7 b-b 断面平均厚 度 设计给定 mm 20 8 蝶板中心处最 大厚度 b 见蝶板厚度计算序号 1 mm 20 d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 20 页（共 29 页） 3.7 流量系数的计算流量系数的计算 序 号 计算数据名称 符号 式中 符号 公式 单位 计算数据 1 流量系数 v k () 6 1028 v a 2 m 1699.1 2 流量系数 v a () 0.5 qp 2 m 0.0476 3 体积流量 q 26 0.78510du 3 ms 0.0371 4 液道直径 d 设计给定 mm 142 5 流体在管道内 的平均流速 u 取 13 的中间值 m s 2 6 密度 以水为介质 3 kg m 1000 7 阀门的压力损 失 p 2 2u pa 444 8 阀门的流阻系 数 查实用阀门设计手册 表 5-158 0.222 蜗轮蜗杆设计说明 第 21 页（共 29 页） 4. 省力机构的设计和校核省力机构的设计和校核 用于蝶阀的省力机构应当具有传动速比大，外形尺寸小，蝶板能固定在开关中间 的任意位置，以及防止灰尘和污物进入装置内部等特点。其中以蜗轮蜗杆的特点最为 明显，结构简单、传动比大，具有自锁性能。 蜗轮和蜗杆通常用于垂直交叉的两轴之 间的传动（图 1） 。很清楚的说明了蜗轮蜗杆 之间的工作过程；计算速比（i）的公式如下： i：转速比1 n ：蜗杆转速； 2 n 蜗轮转速； 1 z 蜗杆齿数； 2 z 蜗轮齿数 蜗轮蜗杆主要参数与尺寸计算 主要参数包括：模数（m） 、蜗杆分度圆直 径（ 1 d ） 、导程角（r） 、中心距（a） 、蜗杆头 数（或线数 1 z ） 、蜗轮齿数（ 2 z ）等，根据上 述参数可决定蜗杆与蜗轮的基本尺寸， 其中 1 z 、 2 z 由传动要求选定。 蜗轮蜗杆主要参数的确定 由于要求实现大传动比和反行程要求自锁的蜗杆传动取1 1 =z。根据蜗杆头数 1 z 与蜗轮齿数 2 z 的荐用值可知，取传动比 i=30，30 2 =z。考虑到涡轮蜗杆中心距不能 过小，取 m=5，查 gb/t 10085 可知选 m=5，1 1 =z，q=10，蜗杆分度圆直径为 50mm。 根据阿基米德蜗杆传动主要几何尺寸的计算公式可知， 中心距mmzqma100)(5 . 0 2 =+= 蜗杆齿顶圆直径602 11 =+=mdda 11 22 nz i nz = 图 4 蜗杆传动结构 图 5 蜗杆传动图 d341x- 10 蜗轮蜗杆法兰式蝶阀设计 第 22 页（共 29 页） 蜗杆齿根圆直径 5 . 3725 . 1 2105022 11 =xcmdd f 蜗杆分度圆直径 mmd50 1 = 蜗轮分度圆直径 mmxmzd150 22 = 蜗轮喉圆直径 mmmda1602150 2 =+= 蜗杆齿根圆直径 5 . 137225 . 1 10150 2 =xd f mm 蜗轮外径 2e dmmmda1702 2 =+，取 2e d=160.4mm 蜗杆螺纹长度 lmmmz49)06 . 0 8( 2 =+，取 l=50mm 蜗轮齿根圆弧面半径 mmcdr a 25.315 . 0 11 =+= 涡轮齿顶圆弧面半径 mmcdr f 205 . 0 12 =+= 由于球阀球体工作只需旋转 90，故可用 120的扇形蜗轮代替全蜗轮，这样既 简化了结构，缩小了体积，又节省了原材料。 蜗轮蜗杆的强度校核 因为蜗杆传动的失效一般发生在蜗轮上，所以只需要进行蜗轮轮齿的计算。 齿面接触疲劳强度的校核和计算公式如下： 2 21 2 2 9 zdm tk z a eh = hp （1） 式中 e z 弹性系数，查表得 e z =75mpa ； a k 载荷系数。取 a k =1； 2 t 蜗轮转矩；mt = 2 ; m模数，m=5； 1 d 蜗杆分度圆直径， 1 d =50mm； 图 6 普通圆柱蜗杆传动 蜗轮蜗杆设计说明 第 23 页（共 29 页） 2 z 蜗轮齿数， 2 z =30。 hp 蜗轮的许用接触应力， hp =250mpa。 则mpa xx xxx x h 9 . 241 30505 103 . 119 75 22 6 = hp =250mpa，所以，满足要求。 说明 1模数m为设计和加工方便，规 定以蜗杆轴项目数 x m 和蜗轮的断面 模数 t m 为标准模数。对啮合的蜗轮蜗 杆，其模数应相等，及标准模数 xt mmm= 。 标准模数可由表查的， 需要注意的是， 蜗轮蜗杆的标准模数值与齿轮的标准模数 值并不相同。 蜗杆分度圆直径 d1：制造蜗轮的时候，最好将尺寸、形状与蜗杆完 全相同的蜗轮滚刀来进行切削加工。主要是考虑到模数蜗杆的直径可以 各不相同，这就要求每一种模数对应有相当数量直径不同的滚刀，才能满足蜗轮加 工需求。为了减少蜗轮滚刀数目，在规定标准模数的同时，对蜗杆分度圆直径亦实 行了标准化，且与 m 有一定的匹配。蜗杆分度圆直径 1 d与轴向模数 x m之比为一标准 值，称蜗杆的直径系数。即 有关标准模数 m 与标准分度圆直径 1 d的搭配值及对应的蜗杆直径系数参照表 a 2蜗杆导程角 r 当蜗杆的 q 和 z1选定后，在蜗杆圆柱上的导程角即被确 定。导程角、导程和分度圆