毕业设计（论文）-制冷系统中的节温器设计.doc

制冷系统中的节温器设计摘要：节温器是控制冷却液流路的开关阀，当冷却液温度很低时，节温器阻止冷却液通过散热器，当冷却液温度很高时，节温器使冷却液通过散热器冷却。而本课题则是把节温器应用在制冷系统中，用节温器控制制冷系统中温度的改变，通过本课题的研究把节温器应用在更广泛的领域。文中主要介绍了节温器的原理，节温器基本参数的确定，阀体结构形式的选择与设计，对阀体主要零件进行了设计计算，然后进行必要的强度校核，最后对感温体进行选择设计。对本课题设计主要改变在于感温材料的选取，根据设计要求本次课题选取石蜡和石墨混合材料作为感温材料。 关键词 ： 节温器 制冷系统 阀门 控制全套图纸加扣 3012250582Thermostat cooling system designAbstract：Thermostat control the flow path of the cooling-off valve, when the coolant temperature is low, the thermostat prevents coolant through the radiator when the coolant temperature is high, the thermostat allows the coolant through the radiator cooling. And this project is to put the thermostat in the cooling system, with a thermostat control to change the temperature of the refrigeration system, through the study of this subject to the thermostat in wider areas.This paper introduces the principle of the thermostat, the thermostat determine the basic parameters, the choice of the form of body structure and design were the main parts of the body design calculations, then make the necessary strength check, the last of the temperature sensing element choose the design. The main changes to the design of this project is to select a temperature materials, wax and graphite composite material is selected according to the design requirements of this topic as a temperature sensitive material.Key words: Thermostat Cooling System Valve Control 目录前言11节温器原理21.1节温器的作用21.2目前节温器在冷却系中的布置方式21.3节温器的构造类型21.4节温器的功能31.5节温器的工作原理32节温器基本技术参数的确定52.1阀体设计基本参数52.2公称压力PN52.3公称尺寸DN52.4工作温度62.5阀体设计数据63阀体结构形式与设计73.1阀体形式的选择与设计73.2阀体链接形式的选择与设计73.3阀体材料的选择73.4上阀盖形式与设计83.5填料型式94阀体厚壁的设计计算104.1阀体中法兰连接的计算114.2螺栓连接的阀体和阀盖组件114.2.2螺纹连接阀体组件125密封原理及密封理论计算125.1密封原理125.2密封理论计算125.3密封比压的计算146螺栓强度的计算166.1常温时螺栓总载荷计算166.2初加温时螺栓的总计算载荷176.3高温时螺栓的总计算载荷196.4螺栓强度校核206.4.1常温时螺栓的拉应力206.4.2初温时螺栓拉应力（MPa）206.4.3高温时螺栓拉应力（MPa）207弹簧的计算设计227.1设计弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧227.1.1有效圈数237.1.2弹簧刚度P1237.1.3螺旋角247.1.4弹簧展开长度247.1.6节距t247.1.7间距24 7.1.8最小工作载荷时的高度H1247.1.9最大工作载荷时的高度 257.1.10材料直径d257.2对工作的弹簧的稳定性计算268支架的计算279感温体的设计与计算289.1感温材料的选取289.2最高设定压力阀芯的开口量X299.3感温体最大位移量y的计算309.4节温器阀口流速估算319.5感温体响应时间的计算3110托架的计算设计3210.1节温器的托架3210.1.1 断面处的合成应力3210.1.2断面的合成应力MPa3410.1.3断面的弯曲应力MPa35参考文献36致 谢37 前言为了提高发动机的热效率，改善燃料经济性，降低发动机的磨损，减轻发动机的排气污染以及满足现代汽车取暖的需要，发动机冷却系内一般都装有节温器。近些年来，世界各国都逐步采用节温器。节温器是控制冷却液流路的开关阀，当冷却液温度很低时，节温器阻止冷却液通过散热器，当冷却液温度很高时，节温器使冷却液通过散热器冷却。现阶段，发动机冷却系统正向高效低功耗方向发展。发动机冷却系统效率（以下简称为冷却系统效率）的提高主要从新材料的应用、零部件的新结构设计和逻辑驱动方式方面进行。在冷却系统中有三大部件处于活跃地位，即冷却风扇、节温器、水泵。它们可依据各种复杂的工况来调节自身的工作参数，如冷却风扇、水泵可以改变转速、节温器可以调节开度来满足各工况下冷却需求。国内生产的车用电控系统中，虽然冷却风扇已更换成了电动部件，使用电控式水泵的车辆也存在，工业领域中对于电控节温器运用还比较少。为了使冷却系统的电控化向前迈进，进而对冷却系统实现完全电控化，利用ECU和各种车载传感器结合电子节温器建立了崭新的冷却水温控制方式，对汽油机冷却系统进一步发展具有十分重要的意义。将汽车发动机冷却系统传统的节温器改进为电子节温器并采用模糊控制方式进行控制，在控制过程中。控制器根据传感器直接检测出的冷却温度，经分析处理，实时控制电子节温器的开度，具有响应速度快，控制准确的优点，能保证发动机工作在最适宜的温度下，能提高汽车动力性和经济性，减小汽车的排放污染，实现节约能源和保护环境。现代汽车技术的不断发展,对发动机提出的要求越来越高。如近年来在发动机冷却系中，普遍地采用了压力式冷却系，密封压力不断提高，用乙烯-乙二醇防冻防锈剂代替水做冷却液；很多汽车采用暖风和空调等，这些都对冷却系统提出了更高的要求，也就要求节温器能更精确地控制冷却液的温度，并有足够长的使用寿命。第 1 页 共 37 页1节温器原理1.1节温器的作用节温器是控制冷却液流路的开关阀, 当冷却液温度很低时, 节温器阻止冷却液通过散热器, 当冷却液温度很高时, 节温器使冷却液通过散热器冷却。节温器根据冷却液温度高低, 打开或者关闭通向散热器的水路。在发动机冷启动时, 应尽快提高发动机冷却液的温度( 正常工作时约为85 ) 。如果没有节温器, 冷却液就流向了散热器。这样不仅很难暖机, 而且车厢内的热水暖风也不能起作用。除此之外, 进气管和节流阀体也需要热水加热,如果冷却液温度长时间不能升高, 对发动机本身也不利。所以在发动机冷却系中, 必须布置节温器。当冷却液温度低时, 节温器关闭流向散热器的水路, 使冷却液通过旁通管, 在发动机内部循环, 迅速升温。1.2目前节温器在冷却系中的布置方式1) 出口水温控制方式:出口水温控制方式的特点是把节温器布置在气缸盖出水管路中。这种方式结构简单，容易排除气泡。但出水口面积不稳定，节温器工作时易产生振荡现象。2) 进口水温控制方式:进口水温控制方式的特点是把节温器布置在缸体进水管路中。这种方式的优点比较多，可以大幅降低节温器的振荡，而且控制比较精细，适用于寒冷地区的车辆，特别适用。1.3节温器的构造类型节温器按温度感应元件分, 有三类:1、双金属片式2、皱纹管式3、蜡式我国现在使用的节温器有皱纹管式和蜡式两种, 双金属片式由于灵敏度较差、材料贵重等缺点, 很少采用。目前国外几乎都使用蜡式节温器。它是利用石蜡在相变时, 体积急剧变化的特性工作的,与其他两种节温器比较, 它具有以下优点:1 、节温器温度特性不受系统压力变化的影响;2 、强度高;3、制造容易, 成本低;4、使用寿命长；第 2 页 共 37 页1.4节温器的功能水冷发动机的节温器, 对于发动机能否稳定地保持在一定温度范围内工作, 起着至关重要的作用。节温器由主阀、旁通阀、回位弹簧和石蜡所组成。主阀与旁通阀连成一体, 由石蜡及回位弹簧控制。有的节温器在主阀旁边设有一个小摇阀, 以便于排放空气。当发动机冷机时,即发动机缸体里冷却水温度低于节温器的开启温度时, 节温器的主阀与旁通阀在弹簧力的作用下关闭主通道而打开旁通道。这时发动机缸体里的冷水只从旁通阀流出, 并经旁通管流到水泵, 再由水泵送入发动机缸体里, 由此进行小循环, 当发动机缸体里冷却水温度升高到节温器的开启温度时, 节温器的主阀开始打开少许, 与它连接在一起的旁通阀也关闭少许。这时发动机缸体里的冷却水便分成两路, 一路仍走老路, 由旁通阀经旁通管流到水泵, 再由水泵泵入发动机缸体里, 进行部分小循环另一路经节温器的主阀门流向散热器, 散热器里的冷却水再由水泵泵入发动机缸体里, 进行部分的大循环。当发动机缸体里的冷却水温度升高到节温器完全打开的温度时, 节温器的主阀完全打开, 同时旁通阀关闭, 发动机缸体里的冷却水全部流经散热器进行大循环, 过去的节温器开启温度为7073 , 完全开启温度为8085 , 现在的节温器开启温度为98085 , 完全开启温度为9095 。为什么现在节温器的开启温度和完全开启温度都提高了呢这是因为现在的散热器盖普遍采用压力为88196K 的压力盖。采用压力盖是为了提高冷却水的沸点。当散热器盖的压力为109.8 K时, 冷却水的沸点可提高到124，这样就扩大了冷却水温度与外界气温的温差, 从而提高了散热器的散热效率, 试验证明其散热效率可增加33 , 因而提高了发动机的性能, 并降低了油耗。1.5节温器的工作原理主要使用的节温器为蜡式节温器，当冷却温度低于规定值时，节温器感温体内的精致石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭发动机与散热器之间的通道，冷却液经水泵返回发动机，进行发动机内小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始融化逐渐变为液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力，推杆对阀门有向下的反推力使阀门开启。这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水泵流回发动机，进行大循环。图1.1 节温器原理图节温器大多数布置在汽缸盖出水管路中，这样的优点是结构简单，容易排除冷却系统中的气泡；缺点是节温器在工作时经常开闭，产生振荡现象。当发动机开始冷车运转时，水箱的上水室进水管处如还有冷却水流出，则说明节温器的主阀门不能关闭；当发动机冷却水温度超过70时，水箱的上水室进水管处无冷却水流出，则说明节温器主阀门不能正常开启，这时就需要进行修理。节温器的检查可在车上进行，方法如下：发动机起动后的检查：打开散热器加水口盖，若散热器内冷却水平静，则表明节温器工作正常，否则，则表示节温器工作失常。这是因为，在水温低于70时，节温器膨胀筒处于收缩状态，主阀门关闭；当水温高于80时，膨胀筒膨胀，主阀门渐渐打开，散热器内循环水开始流动。当水温表指示70以下时，散热器进水管处若有水流动，水温温热，则表示节温器主阀门关闭不严，使冷却水过早大循环。水温升高后的检查：发动机工作初期，水温上升很快；当水温表指示80后，升温速度减慢，则表明节温器工作正常。反之，若水温一直升高很快，当内压达到一定程度时，沸水突然溢出，则表明主阀门有卡滞，突然打开。在水温表指示70-80时，打开散热器盖和散热器放水开关，用手感其水温，若均烫手说明节温器工作正常；若散热器加水口处水温低，且散热器上水室进水管处无水流出或流水甚微，说明节温器主阀门无法打开。有卡滞或关闭不严的节温器应拆下清洗或修复，不可将就使用。 第 37 页 共 37页2节温器基本技术参数的确定2.1阀体设计基本参数为保证阀门长期可靠的使用，设计者必须考虑用户提出的各种技术要求，作为设计的一句，其中最基本的参数有:阀门的用途；介质的工作压力和工作温度；使用介质及其特性（特别是腐蚀性、易爆易燃）；公称尺寸DN；结构长度及其采用标准；与管路连接方式，尺寸及标准；阀门的驱动方式；需不需要抗硫；火灾型式实验证书；抗静电结构；注脂要求；加长阀杆要求。根据以上基本要求，便可确定阀门的种类，公称压力PN或压力等级CL。公称尺寸DN或NPS。主要连接尺寸和驱动方式等，同时选定阀门的结构，主要零件的材料，为了进一步做好设计，还应了解：介质的粘度；阀门的流通能力要求；流量特性；阀门的关闭和开启时间；动力源情况（电动的电源电压。交流或直流；气动的气源压力；液动的液压源压力）；阀门安装位置及其环境条件（如防爆，防潮等要求）；外形尺寸的限制；重量的限制；对震动的要求。另外，在设计之前和设计过程中应认真作好调查研究工作，；了解制造厂的工艺条件，工人技术水平，使设计出的阀门在符合要求的前提下，既满足用户要求，又使产品的设计成本和制造成本最低。2.2公称压力PN公称压力PN主要根据介质的工作压力和工作温度以及承压件和控压件的材料来确定，一般地说，在任何情况下，都可以按阀门的实际工作压力来计算，当然，也要把影响材料强度的介质温度考虑在内。但是不可忽略的是，介质参数对于各种管路变动范围是很大的。很显然，如果按照上述方法设计阀门，即对于作用在任何管路内介质的每一种工作压力和工作温度的阀门，都要进行计算，然后设计和制造，这就要大量地增加阀门的类型和规格，使阀门的生产过程发杂化，增加成本。所以这样做虽然从力学上看是合理的，但从经济上看是不必要的。经过生成实践的不断总结，我们把实际工作中常用的所有工作压力在标准温度下划分成几个组或几个压力级，实际上在工业中的哥哥装置上的工作压力也是有等级的，在进一步将材料和介质温度考虑在内，制定出每个级别的最大和最小的工作压力范围。随着借助温度的不断升高，工作压力相应降低，这是应为材料的强度（尤其是屈服强度）也随温度的升高而降低。这样，设计阀门时，就可以不按作用在管路内介质的工作压力，而是按通常实际采用的标准温度下的压力来进行设计，即按着公称压力PN来设计。2.3公称尺寸DN公称尺寸的确定与管路尺寸有关，管路的直径和壁厚是根据已知的流量和压力决定的，就是说管路所必须的有效截面（或内径）和壁厚是由计算结果确定的，阀门的公称尺寸与管理的实际内径通常是一样的，但有时候也可能不用。例如管路设计者根据计算，需要内径为102mm，厚度为3mm的钢管，外径为108mm，按钢管标准，正好有此种规格的钢管，在这种情况下，管路应该划归最接近的公称尺寸，即DN为100mm。显然它的公称尺寸小于实际管理内径。而阀门是按标准的公称尺寸设计制造的，在另外一种情况下，某一管路仍然采用外径为108mm的钢管，但是由于压力较高，管子的壁厚应为6mm，因此，管路的内径为96mm，此时所采用的阀门，其公称尺寸仍为DN100mm，也就是说阀门的公称尺寸大于管子的直径。但是，在某些特殊情况下，为使阀门的公称尺寸和管路内径一致，亦可把阀门的实际通道尺寸取成管路的内径，而公称尺寸不变。阀门的有关标准给出了实际通道内径尺寸，就是基于这个道理。2.4工作温度在输送热介质管路中安装的阀门，其零件温度通常比介质温度要低一些，这与大气中的散热有关，阀门零件的工作温度与在产品中的位置和它距离介质流远近有关。象阀体和阀盖的各点具有不用的温度一样。在高温区域内有不大的温度变化，也会影响材料的强度，特别是屈服强度，在没有绝热的情况下，阀门许多零件的温度与介质温度有明显的区别。阀门零件的工作温度与许多因素有关，如阀门的结构。公称尺寸的大小、阀门周围的条件，有无热绝缘以及阀内温度变化情况等。因此，很难得出一致的精确数字。在有热绝缘保护的阀门中，阀体和阀盖的温度接近于介质温度（约低0.5%-0.33%）。如公称尺寸DN200mm，阀座通道直径为d=150mm、工作压力p=10.0MPa、介质工作温度为的蒸汽闸阀，由关闭到开启的温度变化曲线。2.5阀体设计数据1. 阀体壁厚=6.0mm2. 采用橡胶垫片，选取垫片的宽度6mm,厚度4mm3. 螺栓预紧力,垫片的平均直径20mm4. 弹簧有效圈数n=9.3，取n=105. 石蜡热膨胀系数3阀体结构形式与设计3.1阀体形式的选择与设计节温器其实就是一个调节阀，通过改变节流件与发作之间的节流面积，改变调节阀的阻力特性，进而改变整个工艺系统的阻力特性，从而达到改变调节流量和压力的目的。根据节流件动作形式的不同，调节阀阀体形式分为直动式阀体和旋转式阀体，根据此次设计要求我们选择直动式阀体中的三通闸阀。3.2阀体链接形式的选择与设计把调节阀安装在管道里的三种常用的方法是旋入式管螺纹、螺栓紧固带垫片法兰和焊接连接端。旋入式管螺纹连接端常用于小型调节阀，具有比法兰连接端更好的经济性通常指定的螺纹是阀体上的椎管内螺纹NPT（美国国家管道螺纹）。螺栓紧固带垫片法兰连接形式是所有钢和合金钢阀体的标准连接方式。阀门很容易从管道上拆下，用于较广泛的工作压力范围。法兰连接端可以用于-273-+515的温度范围的所有口径的调节阀。焊接连接形式在所有压力和温度下都是严密防漏的，而且初始成本低廉。采用焊连接的阀门拆卸比较困难，并且明显的局限于可焊接的材料。综上考虑，采用螺栓紧固带垫片法兰的标准连接形式，但在要求严密防漏场合，可选焊连接形式。3.3阀体材料的选择阀体材料的选择一般高于管道材料，或者根据以下几点选择：1） 流体的压力和温度对材料的影响，2） 流体腐蚀性对材料的影响，3） 流体的空化现象与流体对材料的影响，4） 生产成本的影响，5） 从结构上考虑，材料组配是否有问题。高温材料的选择，金属在高温下长期承受载荷，会发生蠕变现象，同时氧化及晶间腐蚀作用将加强，所以选用高温材料时，必须烤炉材料的热强性及高温耐腐蚀性。另外，在高温下，钢受到氧气的腐蚀，一般会造成脱碳现象，引起脆化，钢中加入铬、镍、钼等金属元素后，他与碳元素结合，可提高钢的抗氧化腐蚀性。低温材料的选择。选择阀体的低温材料时，要充分考虑材料的低温冲击值，还要考虑材料在低温下出现韧性下降的脆性问题，奥氏体不锈钢的低温机械性能比较稳定，所以采用304不锈钢或316不锈钢。耐腐蚀性的选择。档调节阀的压差很大时，即所流处压力降到介质入口温度下的饱和蒸汽压以下时，将产生汽蚀现象。汽蚀现象会对阀体产生破坏作用。3.4上阀盖形式与设计上阀盖是阀体一端承受压力的部件，同样承受与阀体相同的温度和腐蚀性影响，由于阀体相同的材料制成。采用螺栓连接法兰式上阀盖。它包含填料函，填料通常被填料压盖紧压，而填料压盖被压板通过螺栓压紧。上阀盖提供负荷力以防止上阀盖与阀体之间以及阀座与阀体之间的泄露。上阀盖也为套筒提供对中配合，以保证阀杆与填料之间的配合。上阀盖的上部提供与执行机构 连接的结构，使阀配套先进多弹簧薄膜气动执行机构。图3.1 上阀盖在高温或低温工况下，使用伸长型上阀盖，如图所示，把填料移至离极限过程温度足够远的地方，这样填料温度仍然保持在推荐范围内，防止填料损坏而导致的泄露。图3.2 高温时的上阀盖当过程流体是有毒的、挥发性的、放射性的或及其昂贵时，采用波纹管密封上阀盖。该结构避免阀杆和填料与过程流体接触。3.5填料型式填料不仅要有良好的密封性，而且还要有较小的摩擦系数。填料的选择与工艺流体性质、温度、压力有关，还应注意使用方法。图3.3 阀体高温填料图3.4 阀体常温填料常温采用聚四氟乙烯V型填料如上图所示。V型聚四氟乙烯填料几乎适用于所有的化学药品，酸、碱等流体和禁止使用油类的场合。但填料函外表现结晶物质和含有固体颗粒的流体，不可用该填料，因为可能造成填料的划伤，影响密封效果，聚四氟乙烯填料有以下优点：1）本身能够减少摩擦力，2）V型填料在填料函里通过弹簧加载能自我调整，3）不需要填料润滑，4）对于大部分化学介质有阻尼作用，除了熔融碱性金属，5）推荐温度极限为-40-+232，6）填料底垫下的压缩弹簧有自压作用。4阀体厚壁的设计计算设计采用三通调节阀，两端和上方相通，中间加入感温材料，由感温材料体积变化来决定阀门的通路。阀门属于压力管道元件，阀体和阀盖承受管道内介质压力，因此，阀门设计必须满足相关的标准要求，而后用强度理论的计算方法去校验。阀体壁厚的计算方法与它的形状有关，不同类型的阀体，形状亦有所不同，一个阀体的计算要根据它的形状和尺寸，一部分一部分的单独进行，但实际上并不需要这样计算，因为分开计算比较复杂，并且在一个阀体中，通常并不去几个不同的壁厚。另外需要注意的是：阀体壁厚的计算除了考虑强度之外，还应考虑刚度，否则会出现因受力变形而破坏的现象。本次设计因为压力很小，所以就不用进行刚度校核。对于低压阀门，一般采用薄壁阀体。阀体、阀盖、感温体是节温器的承压件和控压件，直接承受介质压力，所选用的材料必须在规定的介质温度和压力作用下达到力学性能及良好的冷、热加工工艺性。对于这类阀体，通常都按薄壁或厚壁容器来计算，即当外径与内径之比小于1.2时按薄壁计算，大于1.2时按厚壁计算。首先按照GB/T12233-2005通用阀门法兰连接铁质闸阀标准首先查出最小壁厚，然后按照第一强度理论计算式进行壁厚验算。根据实际情况此次设计属于低压阀门，低压阀门：公称压力小于等于1.6MPa，所以取公称压力为0.8MPa，并且由于工作介质为130-135所以为中温阀门，按与管道的连接法师选用法兰连接阀门。按照第一强度理论脆性材料壁厚计算式： (4-1) 式中DN=30mm,P设计压力P=0.8MPa,考虑附加裕量后阀体壁厚（mm）,材料许用拉应力（MPa）,设计时取30MPa,C考虑铸造偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而取的附加裕量（mm）,根据表81选取附加裕量C=5mm=6.0mm(设计查取的表8-1，来自阀门设计.入门与精通 陆培文 主编)4.1阀体中法兰连接的计算 阀体中法兰是指阀体与阀盖连接的法兰，它适用于各种不同的介质，压力，温度，这样的连接形式在阀门中是十分普遍的，法兰连接由三个零件组成，即法兰，螺栓和垫片，这些零件的物理力学性能对法兰的设计有很大的影响。法兰连接的密封性是用拧紧螺栓连接的螺母来保证的，计算时应确保的条件为：在阀门承受工作压力和工作温度时，按作用力求得的螺栓和法兰的安全系数应不低于规定值。用螺栓或螺纹连接的阀体和阀盖组件，是不直接承受管道负荷的组件，由于管道系统的温度变化，压力波动等原因产生的机械力都要作用到阀门上，设计中要充分考虑这些因素。4.2螺栓连接的阀体和阀盖组件螺栓连接的螺纹应符合GB/T 1932003的规定，螺纹的公差与配合应符合GB/T 1972003的规定，连接螺栓的总横截面积应符合式：6K(PN) (4-2)式中 K阀门系数，查取K值表，K=0.1,公称压力PN=1.0MPa ，由垫片或其他密封件有效周边限定的面积，=,其中，垫片的空心环形最大直径26mm,空心垫片的最小直径16mm。解=329.7mm2,螺栓总抗拉应力有效面积=,计算中也可按照，推荐表螺栓面积表进行对比换算。在阀门设计.入门与精通书中，表810单个螺栓的有效横截面积，=76.2mm2 ,计算有效面积时，可以采用=，解出x值，则为所求的有效面积，解得30.48mm2 。则 =6.49 Sa螺栓在38时的许用拉应力（MPa）,根据GB/T 1932003，设计时选取118MPa65.26=65.26118=7700.68 4.2.2螺纹连接阀体组件 是承受管道机械负荷的，由于管道系统的温度变化，压力波动等原因产生机械力都要作用到阀门上，设计中要充分考虑这些因素。螺纹的剪切面积应符合式: (4-3)取=,其中As是剪切面积30.48 =6.49 5密封原理及密封理论计算5.1密封原理当阀门启闭的密封面与阀座的密封面紧密的结合在一起，并形成使管道内的介质不能通过的密封状态时，闭路阀才能保证管道的进口与出口隔断。闭路阀内最常采用的是由刚性金属密封面所组成的平面密封结构，这种结构属于定期密封式的活动连接结构。5.2密封理论计算保证阀门密封性的因素很多，所有这些因素是不可能精确地进行计算的，通常，设计人员根据产品的用途来确定启闭件的结构和密封面尺寸，当计算启闭件时，必须确定密封面单位面积上的压力，这个压力称为比压，一般只能根据实验来确定。确保连接件的密封性，确定压紧垫片所需的力。确定螺栓的尺寸和数量，确定法兰尺寸。法兰连接的压紧力不能保持固定不变，由于垫片和螺栓上的应力松弛，其拉力随着时间在变化，不论在法兰连接拧紧后不久的最初工作阶段，就是在受热后，垫片上的应力都产生松弛。用无石棉垫片的法兰连接，其压紧力经过24h后即减少了30，对此，通常是用重复拧紧的办法来消除压紧力的降低。本次设计在乙二醇介质工况下工作，工作温度范围130135，小于300，故在计算中只按照常温工况验算。对于垫片所需压紧力按下列数据进行计算：采用橡胶垫片，选取垫片的宽度6mm,厚度4mm，为保证连接的密封性，垫片安装好以后需符合下式 (5-1) 式中L依据中径算出周长，圆垫片L=3.14=84.87，b垫片6mm,取1.0是为了保证密封的必须比压，此比压数值决定了垫片的材料，宽度和厚度 (5-2)其中预紧比压（MPa）,对于无石棉垫片，=20MPa b垫片宽6mm, 垫片厚度3mm, C变形系数， C=1+0.1，其中D为垫片的平均直径取27（mm）,对于变形很大的橡胶垫片，垫片的宽度和厚度以及尺寸的影响可以忽略。解C=1.0406。解 将值代入41中，解=84.8765.491.0406=2909.12N =对于软橡胶，=20MPa橡胶压缩高度应限制在2040范围内，以防过度压缩使得使用性能变坏。工作密封性（受介质作用时），垫片的反作用力（N）按 (5-3)其中工作条件下的密封比压, (5-4)密封系数，无石棉垫片m=4.5,p工作压力0.5=MPa, 垫片的宽度初选为2mm, 另外根据表85工作条件下垫片必须比压，推荐值可求垫片材料：橡胶 P3.0MPa1.61.8P=1.6+1.80.5=2.5 MPa5.3密封比压的计算在不密封方向产生时，垫片反作用力减小（对橡胶垫片比压下的力计算） (5-5)在工作条件下，为了保持的必须值，要求压紧力（N）等于 (5-6)式中待求L按中径工作下的垫片周长20mm,(*外径32，内径22*)b垫片宽度6mm工作条件下的必须比压2.25MPa,法兰刚度系数，橡胶=0.95，介质压力作用力，其中 是介质压力作用面积（）,P是设计压力0.8MPa,是阀杆螺纹上的力估算取为为18N。此力只是介质静压力作用下力的大小，并没有计算弹簧预紧力和感温体中感温材料融化后对推杆的推力作用。实际上，计算阀杆螺纹上的力远远大于作用在阀杆上的力在法兰封面为光滑式的垫片连接中，垫片在介质压力作用下可能被冲出，但垫片材料的强度和沿垫片两面作用的法兰与垫片之间的摩擦力能阻止这种冲出现象。为了防止垫片冲出应保持不平衡式： 式中，-垫片上的比压（MPa），=2.25MPa与D相比较，可忽略左项内的b值，简化上式 (5-7)f摩擦系数，各种垫片与金属相摩擦时其摩擦系数值：橡胶f=0.6取f=0.6,得 其中为垫片在未压缩前的厚度经计算约为4.5。在一般情况下，对于平垫片取比值=1/51/10范围内，能保证垫片正常工作而不被冲出，对于厚的橡胶垫片，极易发生冲出现象，因此一般规定若使用这种垫片，应采用凹凸式或基槽式法兰密封面，针对于此修改设计变量为1mm。故前面数据相应修正：必须密封比压=3.82 MPa。6螺栓强度的计算6.1常温时螺栓总载荷计算对于整体圆形法兰，在计算法兰前，必须确定螺栓的总计算载荷常温时：取与两者中较大值无介质压力时，整体圆形法兰盘所必须的预紧力（N）式中待求的预紧力垫片的平均直径20mm有效宽度， 2.56mm,则取2.5mm查表88石棉橡胶板 垫片系数=2.75预紧比压=26.0MPa弹性模数 (6-1)有介质压力时，密封力(N)为 (6-2)式中：垫片上必须的密封力(N)， 垫片系数，选取3.5， P设计压力（N）,一般取公称压力=P=0.8MPa螺栓的工作载荷为 (6-3)式中 -螺栓的工作载荷（N）,待求量关闭时，阀杆的总轴向力（N）此时计算时推杆和感温体连接在一起，作为刚体整体考虑，研究工作介质乙二醇作用给感温体上的力,测量反求，并选取=16mm垫片处介质静压力（N），按下式计算则 =200.96+314=514.96N螺栓的外载荷系数X约为0.20.3，（对于很重要的螺栓连接，应通过实验和参考有关资料进行计算确定X值）选取X=0.25 计算后选取两者中较大值4236.488N为总计算载荷6.2初加温时螺栓的总计算载荷初加温时是指介质温度刚刚上升到所要求的温度初加温时： (6-4) 式中初加温时螺栓温度变形力(N) (6-5) 其中初加温时，法兰与螺栓间的温度差（），按照设计数据进行比例计算，300/20=130/X,故计算X=8.7，则选取=8.7L螺栓的长度（mm）,对于钻孔螺栓长度取2h+h法兰的厚度（mm），取h=6mm垫片厚度（mm），取1mm则 L=2h+=+1=13mm螺栓总截面积，=30.48垫片面积（），按照式螺栓材料的膨胀系数，根据螺栓温度（130），查实用阀门设计手册第二版表38，其值为11.90mm/螺栓材料的弹性模量（MPa）,取1.9MPa垫片材料的弹性模量（MPa），取3103MPa根据螺栓温度而法兰温度取介质温度的3/4，即=0.75t=0.75130=97.5=97.5-8.7=88.8则 6.3高温时螺栓的总计算载荷 稳定状态下135，温差相对减少，高温时螺栓的总计算载荷为 (6-6)式中Ft11高温时螺栓温度变形力(N) (6-7)其中高温时，法兰与螺栓间的温度差（），按照设计数据进行比例计算，300/12=135/X,故计算X=5.4，则选取=5.4螺栓材料的膨胀系数，根据螺栓温度（130），查实用阀门设计手册第二版表38，其值为11.90mm/螺栓温度,而法兰温度取介质温度的90，即=0.9t=0.9135=121.5 =121.5-5.4=116.1其余数据固定不变，参照初加温数据算则 上述计算中和的算法是经过简化的，它没有考虑阀门在高温时的实际工作压力比公称压力要小的多，而且认为垫片受热膨胀不起重要作用，并且不计螺栓与法兰的线膨胀。计算后数据变化不大，证明材料工作使用性能良好。6.4螺栓强度校核 根据螺栓的总计算载荷必须验算螺栓的强度6.4.1常温时螺栓的拉应力 (6-8)式中螺栓材料的许用拉应力（MPa），查实用阀门设计手册第2版表39，查取118MPa=6790.44N, AL是螺栓总截面积630.48则 6.4.2初温时螺栓拉应力（MPa） (6-9)式中螺栓材料的许用拉应力（MPa），查实用阀门设计手册第2版表39，查取118MPa6.4.3高温时螺栓拉应力（MPa） (6-10)式中螺栓材料的许用拉应力（MPa），查实用阀门设计手册第2版表39，查取118MPa7弹簧的计算设计7.1设计弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧在安全阀、减压阀和调节阀上，通常都选用圆柱螺旋压缩弹簧作为调节元件；在固定球球阀阀座套筒的底部有时选用碟形弹簧，现就圆柱压缩弹的计算方法设计如下。对于圆柱螺旋弹簧的设计计算起来比较繁琐，为了快速简捷地确定弹簧的尺寸和参数，设计时可以根据弹簧的工作条件，直接根据圆柱螺旋压缩弹簧计算表，从其中查出与设计相近的弹簧。在本次设计过程中，采用了按照节温器弹簧工作条件选出部分的设计参数，然后根据公式进行计算剩余弹簧参数。根据节温器工作的实际情况，弹簧首先有一个预紧压缩过程，而在感温体石蜡融化膨胀的过程中，变化过程相对缓慢些，较之其他的机械工作情况。推杆反力挤压弹簧，并带动感温体向力的方向运动，阀门就此处于开通状态。冷却液体流向散热器为发动机进行散热。在分析这个过程中，弹簧始终处于压缩过程中，故弹簧在设计选型过程中，选择压缩类弹簧。据GB/T 1239.61992标准选择弹簧的许用应力。因为在整个工作过程中，只有在节温器控制温度的初期可能会存在节温器间断性的打开或关闭，不过此过程相对持续时间不会太长，且工作次数也远远小于1000次这个频率。所以，在选择弹簧类弹簧。材料为油淬火回火钢丝 0.55b ,对于类圆柱螺旋弹簧，故只须进行静强度计算。式中 弹簧材料的屈服极限许用安全系数，与疲劳强度验算取相同值，当弹簧的设计计算和材料试验精度较高时，=1.3-1.7,当精度较低时，取=1.8-2.2。针对本次设计实际情况，按低精度进行验算校核。现在从头来进行圆柱螺旋弹簧尺寸方面的求解和设计。得出数据后，最后进行校核计算。在弹簧设计这部分，考虑到实际问题有其自身特点，分析中采用了反求测量设计手段。根据拿到的比较普遍的乘用车的节温器外形，初步测得其弹簧直径4mm左右。所以，在设计时，我们选取弹簧工作直径d=4mm。测量弹簧的周向尺寸24mm，令D=24mm,定义常数C=D/d,容易知道C=24/4=6。根据阀门设计。入门与精通一书表835中关于及G的计算公式，可以查到对于适用范围：变载荷次数少于1000次的弹簧，其G切变模量为79000N/ mm2 , 工作极限应力1.12,取,对于压簧，许用切应力=0.5。最大工作载荷，由前面设计数据知道，=1263.61N根据阀门设计。入门与精通中表837，可查取d=4mm时，弹簧的许用应力=1036MPa ,单圈刚度=154N/mm 。下面我们详细计算各个参数。7.1.1有效圈数 (7-1)式中G弹簧的切变模量79000 N /mm2 , D弹簧最大周向尺寸24mm, 弹簧单圈所受最大力，其中=4236.488N, =19.60N/mm, 是弹簧刚度N/mm C前面定义计算出的常数6故取10圈。7.1.2弹簧刚度P1 (7-2) 其中G弹簧切变模量79000 N/ mm2 ,D弹簧最大周向尺寸24mm,n =7圈C前面定义计算出的常数67.1.3螺旋角对于压缩弹簧推荐59，设计选取87.1.4弹簧展开长度 (7-3)7.1.5压并高度 7.1.6节距t (7-4) 式中自由高度30mm则 7.1.7间距 (7-5)7.1.8最小工作载荷时的高度H1 (7-6)其中 预压缩形变量 (7-7) 式中Pd单圈刚度Pd =154N/mm 。 弹簧单圈所受最大力1263.61N 7.1.9最大工作载荷时的高度 (7-8)其中X弹簧形变量 (7-9)7.1.10材料直径d对于所选择的弹簧的直径可以进行粗略的估算 式中F按照节温器所提供的工作介质压力，由前面设计的大小216.14N来进行计算。C系数，C=6，K系数 (7-10) 1036MPa 此时计算出的是弹簧至少所需要的直径最小值。不过对于本次设计的节温器设计选取的4mm的工作弹簧已经足够。现在进行静强度校核： (7-11) 弹簧材料的屈服极限，根据实用阀门设计手册查得HT200材料的屈服极限是1765MPa 剪切应930 MPa 7.2对工作的弹簧的稳定性计算对于高径比b较大的压缩弹簧，当轴向载荷达到一定时就会产生侧向弯曲而失去稳定性。为了保证使用稳定性，高径比b=H0 /D应满足下列要求两端固定：b5.3如受结构限制，不能改变系数的，可设置导杆或导套。其间隙差可查阀门设计。入门与精通表853，在此不在细提。为保证弹簧特性，弹簧的高径比应大于0.4,其值介于0.4和5.3之间，所以稳定性符合要求。对于节温器弹簧就不做共振验算，因为工作开启频率相对小，不会产生共振噪音或机械损坏问题。8支架的计算 支架和阀盖在公称尺寸较小的阀门上往往是一体的。如截止阀和公称尺寸DN125mm的闸阀，公称尺寸较大的阀门的支架和阀盖就是分开的两个零件了。支架的受力情况比较复杂，可以把它当作超稳的固定支架，在其中间部分受到阀杆轴向力的作用来进行计算。阀盖厚度的计算方法与它的形状有关。进行强度计算时，通常应校验断面的拉应力和断面的剪应力断面的拉应力MPa， (8-1)式中压紧面的内径24mm，-C=0.3mm, 阀门关闭时阀杆的总轴向力122.3N 30MPa断面的剪应力MPa， (8-2) 式中填料函外径16mm ，由前面设计数据知=8541.61N材料许用剪应力MPa，HT200材料剪应力取15 MPa， 因为阀盖上的法兰尺寸与阀体中法兰尺寸相同，当阀体中法兰强度验