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机械式 切断 及其 控制系统

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机械式切断阀及其控制系统,机械式,切断,及其,控制系统

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机械式切断阀设计 摘要 该设计允许天然气泄漏并自动检测并关闭阀门。这种设计可以鉴于流体摩擦，腐化和工作来调整封闭压力。轨道式机械终止阀是一种先进的阀门，其中运用杆头的斜面凸轮和轨道的旋转槽的组合来展现适合机械打开，关闭和金属封闭的现近年的阀门。主要问题是防止磨损，封闭严格，最终起到高速率，高质量，实用等条件。在本文中，探究了轨道式机械终止阀的运动分析方案，阀门关闭运动的足迹，球体运动的空间和关键部位的应用判断和设计已经完成该阀具备打开和关闭无摩擦的优势，关闭时可以调整压力;解决一般阀门由于封闭压力而使封闭面容易摩擦的问题，延长了阀门的使用期限。关键词：机械切割，阀门，轨道，凸轮Abstract The design is to allow natural gas leaks to automatically detect and close valves. The design can be adjusted according to fluid erosion, corrosion and pressure to adjust the sealing pressure. The rail-type mechanical valve is a new type of valve, using the club head tilt cam and spiral groove guide sleeve to achieve the mechanical valve cut off the valve opening and closing and metal sealing; so the design of the key issue is to avoid friction, sealing, and ultimately to high efficiency, High quality and durable requirements. In this paper, the method of motion and dynamic analysis of track-type mechanical shut-off valve is studied, and the force analysis and design of valve opening and closing trajectory, sphere movement space and main parts are completed. The utility model has the advantages that the utility model has the advantages that the utility model has the advantage that the valve can adjust the pressure and save manpower when the valve is closed, the utility model overcomes the pressure ratio of the sealing valve, the sealing surface is easy to wear, the valve The extension of life and other defects.Keywords: mechanical cut off; valve; railway type Summary: Design is to allow natural gas leaks to automatically detect and close valves. The design can be adjusted according to fluid erosion, corrosion and pressure to adjust the sealing pressure. The rail-type mechanical valve is a new type of valve, using the club head tilt cam and spiral groove guide sleeve to achieve the mechanical valve cut off the valve opening and closing and metal sealing; so the design of the key issue is to avoid friction, sealing, and ultimately to high efficiency, High quality and durable requirements. In this paper, the method of motion and dynamic analysis of track-type mechanical shut-off valve is studied, and the force analysis and design of valve opening and closing trajectory, sphere movement space and main parts are completed. The utility model has the advantages that the utility model has the advantages that the utility model has the advantage that the valve can adjust the pressure and save manpower when the valve is closed, the utility model overcomes the pressure ratio of the sealing valve, the sealing surface is easy to wear, the valve The extension of life and other shortcomings. Key words: mechanical cutting; valve; rail; cam目录第1章 引言11.1课题来源11.2选题目的和意义11.3阀的发展趋势21.4本文研究的主要内容2第2章 主要结构参数42.1.轨道式机械式切断阀技术要求42.1.1技术参数42.1.2技术要求42.1.3型号及其含义42.2主要结构尺寸42.2.1球体直径42.2.2密封面宽度及压紧比压52.2.3密封比压62.2.4阀结构长度及连接法兰尺寸6第3章 运动轨迹设计73.1阀启闭运动轨迹73.1.1滚动启闭73.1.2阀摆动73.1.3凸轮的轮廓83.2阀下支承外形103.2.1滚动柱面与倒角半径103.2.2倒角中心点位置113.3.3滚动空间12第4章 结构设计和计算134.1阀杆机构受力状况134.1.1阀受力状况134.1.2阀杆支承反力与支承结构型式选择144.1.3摩擦阻力扭矩164.1.4阀杆承受的轴向力184.2操作扭矩和手轮选择214.2.1操纵扭矩Mc214.2.2径D选择224.3零件设计与计算224.3.1具有螺旋导轨槽衬套的主要结构尺寸224.3.2阀销轴接触强度234.3.3阀下支承的接触强度24 4.4切断执行机构.255 硬件电路设计65.1 气体传感器MQ-565.2 气体传感器MQ-5的参数65.2.1 MQ-5的结构65.2.2 MQ-5的主要规格85.3 四集成运放LM3385.4 电路原理框图及工作原理105.4.1 电路中用到的元器件105.4.2 气体传感器的主要性能指标11 5.4.3 危险气体传感器使用的注意事项11结 论40致 谢41参考文献42第1章 引言1.1项目来源 阀门是大量通用机械产品，国家经济部门需要大量阀门，应用范围也很广泛。运输流体介质不能与管道分离，并且控制介质的流动与阀不可分离。在需要控制介质流动的地方必须安装阀门，阀门可以比作“管道喉咙”。阀门是从五十年代出来的，经过半个世纪的发展，阀门已经取得了很大的进步和发展，广泛应用于能源，石油，化工，冶金等领域，起着阻塞和控制的作用。传统阀门具有以下特点：1）流体阻力小。2）更好的密封性能。3）阀通道光滑，易于沉积介质。4）结构简单。传统阀门明显缺点：1）阀门打开和关闭，摩擦力大。2）密封材料磨损造成的摩擦，使阀门密封性能下降。3）阀门的使用寿命不长。4）大阀门开合很费力 所以设计机械切断阀门可以改变传统阀门摩擦的大缺点，阀门更加耐用可靠。降低普通阀门的摩擦力，以补偿摩擦来提高阀门使用期限和封闭要求。 在石油化工领域，大型煤炭液化项目重点设备，冶金部门“南水北调”工程，西气东输管道工程，环保工程阀门市场需求旺盛。经过对阀门市场的追踪判断，在“十一五”期间，阀门要求的总体形势正在上升，阀门产品量大，要求平稳上涨。阀门市场对试生产要求的阀门条件为15.5，是所有种类阀门最需要的。可以看出中国阀门具有巨大的市场潜力。1.2选举的目的和意义1）通过设计新的机械设计方法，以及更深入地掌握机械原理，机构综合知识。2）通过设计机械结构设计方法，更加深入掌握机械设计，材料选择等知识。3）将访问和收集信息，学习使用手册和图表信息。4）培育创意的设计思路，为今后的工作奠定扎时候的根基。5）通过国内外研究这一领域的发展，明确了解中国制造业，学习国内外先进的制造技术。1.3阀门开发趋势 阀门是一个具有球作为关闭构件的球，起源于20世纪50年代。早在18世纪80年代，美国开始设计阀门，但由于当时缺乏合适的材料，限制了阀门的开发，使其不是正式的工业产品。直到20世纪50年代。同时由于机床行业的发展，球形加工技术得到了改进，达到了球面尺寸精度和表面粗糙度。 如今，球的最大公称直径达到3050mm，这是美国公司为田纳西州由四个阀门供应的泵站，用于涡轮出口终止阀，设计压力为4.8Mpa 。阀门最大工作压力达到72Mpa，相对温度可达1000。 该阀不仅普遍应用于一般工业管道，也普遍应用于航空工业的液氧和液氢管道。 全塑胶阀门近年来发展较快。其特点是：耐腐蚀，总光照，成本最终。在水路上，化工管道应用越来越广泛。一家德国阀门公司制造的直径为6“塑料阀门;美国阀门公司生产氟塑料阀门，具有强度高，耐温和耐腐蚀性好，适应温度250C 大直径油（或天然气）管道是阀门应用的重要方面。公称直径范围：6001400mm，工作压力通常为8.0Mpa。为了确保安全，一些厂家根据使用管道阀门的特点和自身条件对他的外部影响，防震扭曲实验，预防火灾实验扩大，天气要求综合实验，紧急断开实验。 为了满足高温条件的需要，近年来也开发了高温阀门，一些特殊用途的特殊结构的阀门在出现。降低开关阀的流阻，并使用自主研发的三通半阀扭矩在国防科研体系中减少。 我们预计未来几年阀门将在以下几个方面得到更大的发展： （A）密封面材料PTFE作为阀门密封材料已有30年的历史，但也将在生产过程中，物理性能（主要是克服冷流，提高压力），进一步提高温度性能改进阀门性能和适用范围。耐低温，耐磨，低摩擦金属或非金属材料的耐腐蚀性将继续发展。 （B）新阀门结构将继续出现，其主要目的是提高使用寿命，密封可靠性，提高加工技术。如设计的轨道。 （C）全塑阀门将在新型塑料的应用中取得很大的发展，结构和注塑工艺等方面的发展将使塑料阀门直径，适用于工作温度和压力范围进一步扩大。 （D）长距离管道阀门在远程控制，自动化，工作可靠性，寿命等方面的增加，其需求将会增加。1.4本研究的主要内容早期在国外研究中机械切断阀门，现在技术基本成熟;国内单位已经投入生产，但显然落后于国外，国内需求也依赖进口，技术不成熟，不足以进一步完善技术，生产更广泛。机械截止阀具有广泛的国内外市场，特别是在中国西气东输管道工程得到广泛应用。本文详细阐述了机械截止阀的原理研究和结构设计，讨论了轨道实现的设计与实现（即阀式阀门运动功能）以及CAD软件的应用过程，主要包括以下几个方面：（1）详细分析运动原理。设计是通过凸轮斜面的杆和与螺旋导向槽的配合来实现阀门的开闭运动。（2）详细讨论轨迹的设计。阀门打开和关闭的轨迹通过数学方法和数据计算进行了详细的描述，如图2-1所示。（3）识别运动原理和运动轨迹设计后，用CAD软件画图第2章 主要结构参数2.1。 履带式机械截止阀技术要求2.1.1技术参数公称直径DN = 125mm公称压力PN = 4.0Mpa适用温度-29-121适用介质石油和天然气，天然气，氧气，其他气体2.1.2技术要求阀门开闭动作：（1）操作机构驱动杆上升，使球沿着通道轴距离阀座位移0.2-0.5mm;（2）杆继续上升并同时旋转，驱动球绕轴杆旋转90角，阀门打开;（3）在球的过程中只有沿着通道轴的位移和绕轴的旋转;（4）反转动作。阀门作用：（1）切断介质；（2）调节流量。阀门操纵、手动（仿ORBIT阀门操纵原理）2.1.3型号及其含义阀座密封材料，硬制合金类法兰连接125 Q 4 I Y40球阀公称压力kg/公称直径类型、球阀浮动直通式2.2主要结构尺寸2.2.1球体直径球体半径 R=(0.80.95)d式中d球体轨道孔径；按照GB12237，DN=125钢制阀阀体的最小流道直径，当PN=4.0Mpa时（不缩径）直径123，因此选择确定d=125mm.。R=(0.780.95)d=98.4116.8mm根据JB1744,当DN=125,球径D=2R=,即R=100mm。 图21球体通道孔径2.2.2密封面宽度及压紧比压密封宽度R根据图11所示，球面接触外点半径R=即=70.42mm密封面在垂直于流体流动方向上投影宽度bb=-b=70.42-62.5=7.92mm压紧比压，=式中：p压力Mpa，m常数，常温液体m=1；常温汽油、煤油、空气、蒸气及高于100C液体，m=1.4；氢、氮及其它密封要求高的m=1.8，a、c与密封面有关系数，详见表1。表1 a、c系数表面原料钢、硬质合金硬聚氯乙烯，铝及铝合金，聚四氧乙烯黄铜青铜铸铁中硬橡胶软橡胶a3.51.83.00.40.3c10.91.00.60.4Mpa该值与专用机械探究所引荐值相近，查有关表格,表面粗糙度，（0.2刚性密封面）。2.2.3密封比压式中：=2,P=PN=4.0Mpa阀座1Cr18Ni9Ti 140170HB q=150Mpa或=40Mpa因此 2.2.4阀结构长度及连接法兰尺寸阀的结构长度根据GB1222189，DN=125mm,选取L=400mm.连接法兰尺寸根据GB9113.5，PN=4.0Mpa,DN=125,选择凸面整体钢制法兰，外径270，密封面直径184，厚度26，螺纹M24，8个，孔26。第3章 运动轨迹设计3.1阀启闭运动轨迹3.1.1滚动启闭图21所示运动轨迹简图，表明阀绕自身形心O顺时针方向转动角，并且沿水平方向以点作瞬心，沿滚动支承面作移动，实现阀向阀口关闭，反之则开启，因此： （31）式中：D阀外径，D=2R，mm R阀半径，mm 阀自转角度，度 阀形心O点水平位移，mm在本项设计中，=0.5mm，R=100mm，由式（31）知h/=由于=0.5mm，因此实际转角为：= /1.744=0.2873.1.2阀摆动具有斜角的平面凸轮沿Y轴向下移位s差距，而两圆柱中心B和C以为中心，沿X轴向平移和沿顺时针方向转动角，该两中心沿X轴向位移量h为：h=stan=（R+） （32）式中：在本项设计中： =87mm, =24mm。因此，由式（22）可得：h=0.1051s=+1.574 =3.318 （33）当=0.5mm, =0.358时：h=0.952mm,或s=9.068mm。3.1.3凸轮的轮廓该平面的凸轮机构是以双斜面与圆柱面接触原理工作，当凸轮结构的一边是直线型斜面，而在另一侧就不一定是一个平行于右侧的斜面，因此要计算出在s不同值时，A点（也是）和D点（也是点）的坐标方位，以右侧为直线，求左侧轮廓方位。当s=0，如图所示状况，即=0，当圆柱半径r=9，=A点 D点 （34） 在图示状况下（本项目中l=48mm） （35）当s=值时 （36） A球心形心滚动瞬心=R(球阀半径)球阀滚动角斜导轨斜角滚柱与导轨接触点A、D与CD连线的夹角，随导轨位移而变化S导轨沿Y轴方向移动量（向下为正）S=-Y球阀形心水平移动量导轨在X轴向增量滚动半径 A点坐标B点坐标C点坐标D点坐标LA与D之间垂距（沿斜面）图21阀启闭运动轨迹计算简图 （37） （38）在本项设计中，平面凸轮最高升高4mm,由式（33）和（38）得：=4mm h=2mm s=19.029mm L=29mmh=1mm s=9.514mm L=29.769mmh=0 s=0 L=29.737mm由L值可见，平面凸轮下窄上宽，角度变化范围约在：tan=，=（斜度在左侧变小）当凸轮右侧面是歪斜面时，左侧应为一曲面，由于曲面变化小，在构造设计中可用一个相似斜平面，角度稍微小于右侧面角来展现。3.2阀下支承外形3.2.1滚筒和倒角半径 根据阀门的开闭采用滚动开闭轴承结构的原理，适应这一要求，实现无滑动滚动。图3-2显示了下支撑结构的形状，其显示了外圆R（即阀直径）的支撑，并且当滚动时接触件的倒角r应远离阀门用于支撑R圆柱形区域。图32 阀下支撑点外形当倒角半径为，轴承内孔直径为，经倒角半径为起点b与阀形心连线与y轴夹角近似为： （39）在本设计中：=40mm，=9mm，R=100mm，因而：3.2.2倒角中心点位置点a位置应为（） （310）倒角中心点b位置： (311)在本项设计中： 3.3.3滚动空间要求以O点为瞬心，OC为半径能作无滑动的滚动，此时OC点长度和OC与X轴夹角关系为： （312）当阀转动角后，C点在X轴上投影为：= （313）根据大小来确定尺寸配合间隙。在本项设计中：，=mm 。在滚动中要求右边增大半径0.192mm，而左边滚动中出现空隙，此时= mm,空隙为0.206mm,考虑左、右状况，理论上还有空隙0.014mm,因此选择优先配合，支承轴承孔。第4章 结构设计和计算4.1阀杆机构受力状况4.1.1阀受力状况阀受力状况可以简化为图41所示状态，图中： （41）式中：D=PN=125mm P=PN=4Mpa (42)式中：a、b与L见图41中尺寸。图41 阀受力状况简图因此： 阀密封压力所需压紧力轴向总推力，参考式（42）可得： （43） （44）本设计中：，,d=125mm合力和当流体正向流动时，由于，因此= （45）当流体反向流动时，要维持封闭面值，因此阀上受倒阀杆作用力引起支反合力：=+=+ （46）在本设计中：=24947+6269=31216N =24115.5+6060=30175.5N在后面分析中应用与，在强度计算时将考虑和。4.1.2阀杆支承反力与支承结构型式选择方案1：前支承导向型（即无后支承）图42是方案1的力系平衡图，由图可得： ，而=，因而 图42前支承导向受力图因此： 区间 区间 （47） （48）因此： 方案2：前后支承导向型图43是方案2受力状况图，由图可知：图43 前后支承导向受力图 （49）因此，当=N =N比较两个结构方案，方案2受力状况较好，在结构设计上又允许设计后支承，因此选用方案2（只考虑时，）， 4.1.3摩擦阻力扭矩阀杆支承摩擦阻力扭矩= (410)式中：= 导轨槽螺旋角，=53.5 f摩擦系数，f=0.150.25（润滑不良），取f=0.2 阀杆直径，=40mm因此：=（38917.3+13970.3）0.2=125872.5 N密封摩阻扭矩= （411）式中：= Z山形密封件数，h密封件长度，在具体结构中： Zh=26+103.4=46mm 第一层件数 中间层件数摩擦系数，对于尼龙=0.15因此：=1.2404640.150.595=49502.5N阀下支承点摩阻扭矩 （412）式中：下支承点轴径，=40mm，摩阻系数，=0.15因此： N导轨槽产生扭矩与摩阻扭矩= （413）因此：=125872.5+49502.5+72346.5=247721.5N4.1.4阀杆承受的轴向力导轨槽承受轴向力（反作用阀杆上）在螺旋槽部分 （414a）式中：，导槽平均直径，导槽外径，=70mm,，导槽内径，=41mm, 导槽螺旋升角，=53.5（左旋）导槽与导轮磨损角，当，=5.71，在式（314）中，当开启时取“-”，关闭时取“+”在直槽部分 （414b）式中：除导槽以外的轴向合力，详见式（419）。 =/2阀杆梯形螺纹摩擦半径，关闭用“+”，开启时用“-”，当采用Tr386L7H梯形螺纹，螺纹旋转角=，当螺纹摩擦数据时，=，梯形螺纹平均直径。由式（414b）可得在本设计中：开启时 =2.68 mm；=0.0190关闭时 =4.60 mm；=0.0330 由式（414）计算结果列于表41中。表4-1 导轨槽承受轴向力工作状况导向中轴向力区域开启斜槽247720.552.55.655.3 8092.8直槽055.513434.9255.3关闭斜槽247721.553.55.755.55313.6直槽055.527127.8895.2图4-4 导轨槽承受力图液压推力 （415）式中：p=PN=4.0Mpa因此：阀杆前后支承摩擦阻力 由式（49）和（410）知，支承摩擦阻力为：直线移动中 关闭时 开启时 （416）螺旋移动中 式（416）计算结果列于表42中。表42 阀杆前后支承轴向摩擦阻力（N）工作状况前支承后支承摩擦系数f螺旋角摩擦阻力直线移动关闭48696.9617480.960.2013235.6 开启38917.3313970.30.2010577.50螺旋运动38917.313970.30.253.58462阀杆密封摩擦力由式（411）知直线运动时 螺旋运动时 （417）因此：=1.2404640.15=4159.9N=NE.阀杆头部斜面与阀柱销间摩擦阻力 关闭 其他状况 （418）式中： 斜面倾角，=6 摩擦系数，=0.15因此再阀门关闭时：=其他状况： 阀杆轴向合力开启 旋开 旋关 （419）关闭 式中：开启 关闭 由式（419）计算并考虑（414）结果列于表43工作状况导轨槽阀杆前后支承阀杆密封杆头斜面液压力轴向合力开启255.310577.54159.93721.5-502413434.913690.2旋开8094.884623344.53721.5-502418598.8旋关5313.684623344.53721.5502425865.6关闭895.213235.64159.94708.3502427127.8280234.2操作扭矩和手轮选择4.2.1操纵扭矩Mc根据结构设计，阀杆上选用GTr386L7H左旋梯形螺纹,根据表4-3已知轴向，可得：开启 关闭 （420）式中：止推轴承内径 =70mm 止推轴承摩擦系数 =0.003由于 ，当选用GTr386L7H梯形螺纹 因而： 推荐阀最大操纵力矩，当DN=125mm，PN=4.0Mpa时，Mc750，而计算值=131.64N.M。4.2.2径D选择 D=2Mc/Fc (421)式中：Fc圆周力，通常Fc700N一般推荐Mc=5075, Fc=200300N；Mc=105140，D=350mm,Fc=300400N,建议选取D300mm当D=300mm Fc当D=350mm Fc4.3零件设计与计算4.3.1具有螺旋导轨槽衬套的主要结构尺寸角选择按照摆动从动件运用压力角，考虑到滑动磨损数据，其磨损角，由于的方向与角坐标方向差90，因而=90-55-45，考虑到摩擦角影响，选择=53.5。作用于导轨槽的正压力NsNsNs= (422)式中：接触长度 = 滚子半径 =11mm当实际=10mm用GCr15轴承钢渗氮淬火许用应力=2300Mpa时Ns= （423）式中：Z导轨槽数，本结构Z=2 螺旋导轨槽的平均直径，mm，本结构=55.5mm。 k受力不均匀系数，k=0.70.8，取k=0.7因此如果选用40Cr淬火，HRC=60（HB=653），=2.8HB(Mpa)=1828Mpa，由公式得：Ns=，因此，选用40Cr制造。螺旋导轨槽高度（或长度）h式中：螺旋导轨槽螺旋部分高 直线长度（即阀杆头斜面长），（详见后面） 因此，4.3.2阀销轴接触强度由式（418）知： （425）（选用40Cr）,当斜面宽，销轴半径R=9时，由式（422）得，而由式（422）推得最大接触应力，此时为：，高于7%， 而用GCr15时=2300Mpa略高于0.07%,故用GCr15。4.3.3阀下支承的接触强度下支承的衬套1Cr18Ni9Ti，阀（即球体）材料WCB，其最大接触应力5为（按第11接触类型）。 （426）式中：球形半径曲率 =9mm 球形的外半径 =19.938 衬套轴向曲率半径 = （直线即圆柱形） 衬套内半径 =20.031 式中由椭圆方程系数A/B值查表来确定 （427）由式（427）得：，由5表4.41得，=0.4267，当E=2.1，代入式（426）得： 因为已构造设计出衬套和球体，原料也选定，其生产后硬度差不多200HB，500M计算出远大于值，由于处于最大值频较低（小于10次/分钟），由于工作程序中滚动领域窄，所以滑动摩擦和耗损很慢，建议按原方案施用，如果试用中出现过大磨损或压痕，可以采用以下方案来进一步改善。（1）衬套1Cr18Ni19Ti进行淬火，提高表面硬度达55HRC，对用材料WCB制造球体下支承表面进行表层镀硬铬，硬度达60HRC以上，提高接触许用应力2500Mpa。（2）更改衬套和球体下支承处的材料和结构，使。4.3.4阀杆主要结构尺寸及其强度和刚度计算主要结构尺寸选择（1）阀杆直径。根据GB12234，当DN=125，PN=4.0Mpa，阀杆最小直径，考虑到阀杆主结构部分形状复杂，增大断面积为，故选用=40mm。（2）梯形螺纹。参考手轮尺寸及阀杆螺母设计，选取Tr386LH-7H。（3）杆头结构尺寸。根据JB1743，当DN=125mm，阀杆头直径=40mm，扁头厚度b=30mm(按JB1744)阀杆销孔强度校核（图44） （428）式中：销径，=14mm抗扭断面系数 许用应力，；，=260N/因此：阀杆头部斜面结构尺寸头部总长 （429）式中：螺旋槽部分高（详见前面），=58.9mm 斜面高度（长度），t斜面高度，t=3mm, =6，小于等于斜面自琐最大角46 因而： 头部厚度 b=30mm阀杆头部弯扭组合强度（旋转开启或旋转关闭阶段）由图42知弯曲拉应力： （430）式中：抗弯断面系数，=（近似简化） 斜面宽度，c=40mm(见图42)因此：选用38CrMoALA，=360 (431)式中：抗弯断面系数，=，查表=0.22选用38CrMoALA，=170由第三强度理论得： （432）由式（330）和（331）得：阀杆头部刚度和抗弯强度计算（在关闭状况下）（1）截面模数于惯性矩由于阀杆头部截面形状如图45，它是在圆截面基础上，切去上、下两个扇形面，沿杆长这两个扇形面形状并不对称。该截面模数：图45 阀杆头部截面形状 （433）式中：，（见图45）而： （434）惯性矩： （435）式中：整圆惯性矩，= （436） 虚线弧段区惯性矩，弧段对自身重心惯性矩 (437)式中：A虚线弧段区面积 （438） 根据横截面模量和惯性矩主要选择斜率的截面结构，计算前两点并用不变矩形计算的茎头段进行补充，并根据类型（4-32）和（4-38），当h = 30时，r = 20可用：扁头对称于杆中心位置时（斜面终止点）扁头始端位置，只缺一边扇形（即斜面起始点）。，由式（437）直接计算得：如果按矩形近似计算：表44 阀杆头部截面力学性能截面截面（对称于杆轴线）19995.5961333.04截面（斜面起始点）36480.142164.74近似矩形59512.53967.5力学性能由表44知，可以用矩形近似计算，在本节中用截面的和W进行计算更接近实际状况。（2）抗弯强度阀杆头部受力可近似为悬臂受集中负荷，如图46所示，由式（418）确定，而计算受力矩离应选择在阀门完全关闭状态下力作用点，距斜面起始点约为=20mm（即大于或等于2/3斜面长度位置），由式（430），命c=l得： （439）式中：材料许用应力，阀杆材料38CrMoALA，=260Mpa（3）阀杆头部刚度计算按图35所示受力状态，在阀杆头的挠度和变形角度 （440） （441）对于一般传动轴来说，在轴承出（弧度）4.4切断执行机构 机械切断阀门的结构是：当天然气泄漏一定浓度，控制箱内的检测装置接收信号，驱动控制板，控制板向电机发出一个信号，允许电机启动手柄切断阀门。5 硬件电路设计 5.1气体传感器MQ-5MQ-5是一种MQ设备传感器，其特性是液化石油气，天然气，城市燃气对乙醇的敏锐性较好，烟雾几乎无反应，响应快，特效快，使用期限长，可靠平稳性测试电路。适合于液化石油气和天然气的家庭或工业测试设备。5.2气体传感器MQ-5的参数5.2.1 MQ-5的结构MQ-5气体传感器的构造和形态如图2-2所示，由小型陶瓷管，敏感层，测量电极和加热器构成的。过敏零件固定在塑料或不锈钢腔内，加热器用于气体传感器供应必须的工作要求。密封的气体传感器具有六个针销，其中四个用于信号去除，两个用于供应加热电流。 5.1气体传感器MQ-5 MQ设备气体传感器是半导体气体传感器，敏感零件是高活性金属氧化物半导体，最经常使用的是SnO2。当金属氧化物半导体在空气中被上升到差不多温度时，氧原子被吸附在带负电的半导体外表上。半导体外表上的电子移动到吸附的氧，氧原子变成氧阴离子。同时外表形成正空间电荷层，影响外表阻挡层增加，从而影响电子流动。 在敏感材料中，自由电子必须形成通过金属氧化物和半导体微晶的结的电流。氧吸附势垒也生存于晶界，影响电子的自由流动，传感器电阻是由于这个问题。在工作要求下，当传感器碰到还原气体时，由于与还原气体的氧化还原作用，氧阴离子减小，电位降低。影响传感器的电阻降低。图2-1 MQ-5的等效电路5.2.2 MQ-5的主要规格标准工作条件符号参数名称技术条件备注Ac回路电压15VAC or DCVH加热电压5.0V0.2VAC or DCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mW环境条件Tao使用温度-10-50Tas储存温度-20-70Rh相对湿度小于95%RhO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于2灵敏度特性Rs敏感体电阻10K- 60K(1000ppm 甲烷)探测范围：300-5000ppm液化气，天然气，煤气。(1000ppm/5000ppmCH4)浓度斜率0.6标准工作条件温度：202 Ac:5.0V0.1V 相对湿度65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间不少于24小时 MQ-5型气体传感器用于不同类型，不同浓度的气体具有不同的电阻值。因此当使用这种气体传感器时灵敏度调整非常重要。 传感器应用1000 ppm异丁烷或氢气校准。 当测量精确时应设置报警点以考虑温湿度的影响。表2-1 MQ-5的主要特性5.3 四集成运放LM33 LM339歧管配有四个独立的内部电压比较器，电压比较器的特点是：（1）偏移电压小，典型值为2mV;（2）供电电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V18V;（3）比较信号源的内阻较宽;（4）共模范围大，0-（Ucc-1.5V）Vo;（5）差分输入电压范围大，可以等于电源电压;（6）可以容易地选择输出端电位。 LM339集成块带C-14封装，图1为外形和引脚排列。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界主要的IC厂商，公司实际上推出了自己的四款比较器，如IR2339，ANI339，SF339，其参数基本相同，可互换。 图2-4 LM339封装和内部结构LM339相似于不透明计算放大器。每个对比器有两个输入和一个输出。两个输入称为正相输入，用“+”表示，另一个称为反相输入，由“ - ”表示。用于对比两个电压，所有输入加上固定电压的参照电压，另一端加上信号电压实行对比时“+”端子电压高在“ - ”侧，输出管被切断，对应于输出开路。当“ - ”端子电压高于“+”侧时，输出管饱和，相当于输出端子连接到低电位。两个输入之间的电压差大于10 mV，以确保输出可以从一个状态可靠地切换到另一个状态。因此，希望使用LM339进行弱信号检测。LM339的输出相当于不相连极电阻的晶体管。使用时输出端子相连到正电源并需要一个电阻。具备不同的上拉电阻导致输出的高电位。由于当输出晶体管切断时，极电压大概决定于上拉电阻和负载的值。另外比较器的输出端子允许一起使用。LM339主要用于：单比较器电路，迟滞比较器，双限位比较器（窗口比较器），振荡器。在本设计应用中是电压比较电路5.4 电路原理框图及工作原理 图3-1有毒气体检测报警电路示意图 电路的主要功能是完成气体浓度的检测，电路只能使用电压比较器，可以完成危险气体的检测。 MQ-5是一种半导体气体传感器，传感器电阻受外界尺寸的减小，气体的冲击。MQ-5 B侧的传感器输出，R1和传感器的输出电阻构成分压电路，目的是让传感器有一个输出电压，而传感器电阻值随着传感器电阻而变化。 R2的作用是提供电压比较器来比较电压，从而改变传感器以检测危险气体报警浓度值。调整R1和R2可以改变电路的灵敏度。电压比较器的两个输入之间的电压差越大，电路的灵敏度越小。 工作原理是：在待机状态下，传感器总是检测室内易燃气体浓度，室内可燃气体浓度超过设定值时，传感器电压将超过阈值电压，然后通过LM339产生高电压输出到晶体管驱动晶体管工作时，场景中的报警灯D1亮起，然后蜂鸣器发出声音，然后报警。 当室内气体低于报警值时，气体传感器电阻将发生改变，然后LM339不输出电压，电路将在报警工作状态前恢复。5.4.1组件中使用的电路 MQ-5,10K可调电阻，LM339，LED，8050晶体管，蜂鸣器，USB电缆，面包板，4.7K，200欧姆电阻。5.4.2气体传感器的主要性能指标（1）稳定性 稳定性是指传感器在整个工作时间内的稳定性，取决于零漂和间隔漂移。零漂移是在没有目标气体的情况下在整个操作时间内的传感器输出响应的变化。间隔漂移是连续放置在目标气体中的传感器的输出响应的变化，表现为在操作时间期间传感器输出信号的减小。理想情况下，传感器在连续工作条件下每年漂移不到10。（2）灵敏度 灵敏度是指传感器的输出变化和测量的输入变化量的比较，主要取决于传感器的结构和使用的技术。大多数气体传感器使用生物化学，电化学，物理和光学设计。首先要考虑的是选择对目标气体极限（TLV-阈值）或最低爆炸极限（LEL-爆炸极限）百分比的检测具有足够敏感性的敏感技术。（3）选择性 选择性也称为交叉敏感度。可以经过测量由差不多浓度气体的干扰产生的传感器反应来确认。该反应相当于由传感器检测到产生的目标气体的浓度。该特点对于跟踪各种气体运用非常关键，因为交叉灵敏度将减少反复性和靠谱性的测量，理想的传感器应具备有高灵活度和高选取性。（4）耐腐蚀性 耐腐蚀性是指传感器暴露于高面积分数要求气体的能力。当气体泄气时，探头应必须承担10至20次所需的气体面积分数。回到正常工作状态下，传感器漂移和零点校正应尽量小。5.4.3使用危险气体传感器的注意事项（1）无电压过高：如果感应元件或加热器的电压高于指定值，即使传感器没有物理损坏导线和/或加热器可能会损坏，传感器的灵敏度恶化。（2）避免高腐蚀环境：传感器暴露于高浓度的腐蚀性气体中，不仅会导致加热材料和传感器丝的腐蚀或损坏，并将导致敏感材料的性能不可逆转。（3）避免碱，碱金属盐，卤素污染：传感器是碱金属，特别是盐雾污染，并且暴露于卤素如氟也可能导致性能下降。（4）禁止与水接触：溅水或浸入水中会导致敏感特性下降。（5）为了避免敏感元件表面的冷