毕业设计论文-闸阀的设计.pdf

摘要 I 摘摘 要要 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 分流或卸压等功能 用于流体控制的阀门 从最简 单的截止闸阀到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到 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 0 013MPa 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 涡轮 电磁动 电磁 液动 电 液动等 可以在压力 温度或其他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 构使启闭件做升降 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 闸阀是指关闭件 闸板 沿通路中心线的垂直方向移动的阀门 闸阀在管路中只能 作全开或全关切断用 不能作调节和节流 闸阀是使用范围很广的一种阀门 一般口径 DN 50mm 的切断装置都选用它 有时口径很小的切断装置也选用闸阀 本设计是以楔式弹性单闸板闸阀为设计对象 主要介绍了闸阀的结构特点和手动气 动转换装置的特点 以及其工作原理 阀门设计包括很多内容 包括通用部件的设计和 专用部件的设计 又包括强度 尺寸等众多计算过程 其中 设计阀门的关键在于阀门 密封设计 其中阀杆的强度计算 以及稳定性计算也是重点 阀门设计整个过程包括这样几个步骤 按设计参数确定结构 进行方案论证 工作 原理受力分析 强度计算 稳定性校核 材料选择 测绘总装备图和手动机构装配图和 气缸及阀门的全部零件图 用 Auto CAD 绘制 闸板密封面的受力分析 闸杆稳定性校 核及阀门强度计算是重难点 其中包括这样几个重点步骤 首先对工作环境进行确定 选择合适的方案 对设计的零件进行受力分析 然后根据国家标准和推荐尺寸来确定实 际尺寸 最后对强度进行校核 绘制阀门工程图 关键词关键词 手动 气动转换 密封面 楔式闸阀 弹性闸 南京工业大学学士学位论文 II Abstract Valves is the control unit of the fluid piping system It is used to change the channel sections and put to medium flow with diversion off adjust the throttle only the back split or pressure relief function For fluid control valves cut off valve from the simplest to the Commission for Discipline Inspection of complex automation systems used in a variety of valves and its many varieties and specifications the valve nominal diameter gauge valve from tiny to large diameter to 10m industrial piping valves The valve can be used to control the water steam oil gas slurry a variety of corrosive media liquid metals and radioactive fluid and other types of fluid flow Working pressure of the valve from 0 013MPa to 1000MPa Working temperature from 269 to 1430 ultra low temperatures Valve control can be a variety of transmission methods such as manual electric hydraulic pneumatic turbine electromagnetic moving electromagnetic hydraulic electro hydraulic etc In pressure temperature or other forms of sensor signals under the effect of a predetermined action required or is not a simple sensing signal and open or close the valve mechanism relies on the drive or automatic opening and closing member to make movements slip swing or rotary motion Thus changing the size of the flow passage area to achieve its control function Valve is closed parts ram along the channel centerline vertical movement of the valve Valve in the pipeline can only be fully open or fully closed off with can not be adjusted and the throttle Valve is to use a wide range of a valve generally diameter DN 50mm cutting devices are used which sometimes a small diameter cutting device also use valve The design is flexible wedge gate valve for the design of single objects Mainly introduced the structure characteristics of Gate Manpower Pneumatic the conversion device characteristic and operating principle The valve is designed including many content Include component design being applied or used universally and special use part design And a lot of calculation process such as including the intensity the dimension Among them design that the valve key depends on valve hermetic sealing designs that Among them the valve stem intensity secretly schemes against The stability is calculated being also difficult point The valve is designed including such step Design parameters determined by the structure conduct demonstration program working principle stress analysis strength calculation stability check material selection mapping diagrams and the General Armament manual mechanism and cylinder and valve assembly drawings for all the parts diagram with Auto CAD drawing Including such several priority step First be in progress to the work environment thinking Abstract III Choose the right scheme be in progress to the part designing that by force analysis Then come the standard and recommendation according to the country to ascertain the actual dimension Last the intensity is proofread draw valve engineering drawing Keywords the hand pneumatic change seal dyadic valve of wedge elasticity brake board 南京工业大学学士学位论文 IV 目目 录录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪 论 1 1 1 选题意义 1 1 2 国内外阀门的发展 2 1 2 1 国外阀门的发展 2 1 2 2 国内阀门的发展 2 第二章 气动 手动楔式闸阀的工作原理及其结构特点 4 2 1 工作原理 4 2 2 结构设计特点 5 第三章 阀门的设计与计算 7 3 1 阀体的设计与计算 7 3 1 1 阀体的功能 7 3 1 2 阀体的选材 7 3 1 3 阀体的结构形式和制造方法 8 3 1 4 确定阀体的结构长度和连接尺寸 8 3 1 5 结构设计与计算 9 3 1 6 阀体壁厚的设计与计算 11 3 1 7 中法兰的设计与计算 11 3 2 闸板的设计与计算 15 3 2 1 闸板密封面宽度和内径的选取 15 3 2 2 闸板与阀体档宽及相应公差的计算 15 3 2 3 闸板主要结构尺寸的确定 16 3 2 4 闸板密封面比压计算 17 3 2 5 闸板强度的校核 17 3 3 阀杆的设计与计算 18 3 3 1 阀杆总轴向力 18 3 3 2 阀杆的直径估算 19 3 3 4 阀杆的强度校核 19 目 录 V 3 3 5 阀杆的稳定性校核 21 3 3 6 阀杆主要尺寸的确定 22 3 4 阀盖及填料装置的设计与计算 23 3 4 1 阀盖的设计与计算 23 3 4 2 填料压盖的设计与计算 24 3 4 3 上密封座尺寸 28 3 5 气缸的设计与计算 29 3 5 1 气缸的直径粗估算与选取 29 3 5 2 气缸的校核 29 3 6 其他主要零件的设计与校核 30 3 6 1 滚动轴承的选取 30 3 6 2 手轮直径的确定 31 3 6 3 阀杆螺母的校核 31 3 6 4 上活塞与 T 型槽接头连接螺栓的校核 32 第四章 结论与展望 33 结论 33 展望 34 致谢 35 参考文献 36 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 选题意义选题意义 气动闸阀从八十年代进入我国 在不到二十年的时间里 其使用范围从普通领域扩 展到了更为广阔的各行各业 从矿山电厂的选煤 排矸 排渣 发展到了城市的污水处 理 从一般的工业管道发展到了食品 卫生 医药等专业管道系统 超薄型的刀闸阀以 其体积小 流阻小 重量轻 易安装 易拆卸等优点彻底解决了普通闸阀 平板闸阀 球阀 截止阀 调节阀 蝶阀等类阀门的流阻大 重量大 安装难 占地面积大等的疑 难问题 1 随着机电一体化的趋势 以及微电子技术和计算机技术的发展 这些电动阀门在使 用中出现越来越多的问题 比如控制精度不高 现场调试不方便 故障诊断方法不完善 等 这就使得原有的电动阀门越来越无法适应现代工业发展的需要 必将被淘汰 因此 对电动阀门这一重要的工业用机械产品进行有效的改造 提高其智能化程度 使其控制 过程计算机化 通讯功能数字化 故障诊断处理智能化 检测远程化 都有着非常重要 的意义 2 气动阀门的设计需要综合考虑阀门 执行器 气动元件以及阀门功能等多种因素 目前设计水平和制造水平与一流执行器阀门制造商还是有一定的差距 需要虚心学习 不断提高 3 国内外在提高阀门使用性能和使用寿命等方面进行了大量的研究工作包括阀门的可 靠性分析 可靠性设计 可靠性试验和提高阀门可靠性的各种方法 许多学者针对阀门 进行了深入的研究研究内容主要部分为两大部分 一部分是关于具体型号阀门失效模式 的研究 另一部分是从理论的角度对一些故障机制和可靠性方法进行研究 目前在阀门 可靠性研究领域密封问题 振动噪声问题和可靠性试验问题是人们关注的焦点也是难 点 同时阀门作为典型的机械产品种类相当多 目前尚未有统一的规范来指导阀门的可 靠性研究 因此 阀门可靠性技术研究的总结和展望对今后系统地进行阀门可靠性研究 有重要的理论现现实意义 4 南京工业大学学士学位论文 2 1 2 国内外阀门的发展国内外阀门的发展 1 2 1 国外阀门的发展国外阀门的发展 国外阀门研究机构对阀门的设计与基础理论 新材料 新工艺 产品性能 可靠性 和标准化的研究十分重视 国外阀门的科研特点如下 1 试验研究与新产品开发密切结 合 2 内部研究课题与引进国外技术密切 3 重视高新技术在阀门上的应用研究 4 重 视高参数和特殊工况用阀门的试验研究 5 重视阀门基础理论的研究工作 6 重视现场 试验与改进工作 5 在 50 年代以前 国外的一些国家就已经形成了独立阀门专业及其行业体系 有了阀 门行业组织或者阀门专业学术组织 像美国 英国 东欧 西欧等都有了阀门行业协 会 日本也有阀门工业会和阀门研究会 前苏联则有阀门设计研究院 这些阀门行业和 专业组织 都是为了提高生产技术和对外竞争的需要而建立起来的 国际阀门贸易市场在最近几年中十分活跃 竞争也相当激烈 实力较强的国家则是 德国和美国 其中德国是世界最大的阀门出口国 6 随着高压技术的广泛使用 超高压系统中的超高压阀门性能直接影响整个系统工作的 可靠性 安全性 工作效率和使用寿命 所以对阀门的材料选择和结构提出了更高的要 求 美国 HIP 公司的超高压针阀 工作压力为 690MPa 的采用奥氏体 316 不锈钢 工作 压力 1034MPa 的采用马氏体型沉淀硬化不锈钢 17 4PH 7 1 2 2 国内阀门的发展国内阀门的发展 阀门是随着流体管路的产生而产生的 人类使用阀门已经有近 4000 年的历史了 中 国古代从盐井中吸卤水制盐时 就曾在竹制管路中使用过木塞阀 公元前 1800 年 古埃 及人为了防止尼罗河泛滥而修建大规模水利时 也曾采用过类似的木制旋塞来控制水流 的分配 这些都是阀门的雏形 工业用阀门的大量应用 是从瓦特发明蒸汽机以后才开 始的 二十世纪初出现了铸铁 铸钢 锻钢 不锈钢 铬钼钢 黄铜 球墨铸铁等各种 材质的阀门 应用于各个行业 各种工矿 国内最早引进国外阀门生产技术的公司不 多 后引进国外生产技术 使得国内阀门生产技术突破 质量提高 寿命加长 8 随着工 业用陶瓷技术的开发成功 也出现了陶瓷材料阀门 陶瓷材料在低冲角下具有高的抗冲 蚀性能 9 目前中国四大阀门未来发展前景及趋势 1 工程节能阀门走向系列 2 水 力控制阀一阀多用 3 智能电动调节阀瞄准摇控 4 阀门迈向通用化 10 第一章 绪 论 3 2009 年 1 12 月 全国累计生产阀门 4 583 935 72 吨 比 2008 年增长了 3 74 2010 年 1 12 月 我国阀门产量累计为 5 390 394 75 吨 2011 年 1 12 月 我国阀门的产量为 5 958 729 61 吨 2012 年 1 4 月我国阀门产量达 2 041 987 98 吨 在我国目前的阀门市场上 除低压阀门达到国际市场能接受的水平外 高压阀门仍 然需要依靠进口 11 从产品情况来看 我国阀门行业目前已经能生产十几大类产品 如闸 阀 截止阀 球阀 蝶阀 安全阀 止回阀 节流阀 旋塞阀 减压阀 隔膜阀 疏水 阀 紧急切断阀等 最高使用温度达到 570 最低为 196 最高压力为 600MPa 最 大通径达到 5350 毫米 12 阀门产品市场的强劲需求 国有经济持续稳定发展 固定资产投资逐步扩大 尤其 是几项世纪工程 西气东输 西电东送 南水北调 等项目的开工需要大量的阀门产品 配套 另外 我国正面临着工业化时代的到来 石化行业 电力部门 冶金部门 化工 行业和城市建设等使用阀门大户将增强对阀门产品的需求 13 西气东输为代表的油气输送 管线的建设和快速发展 我国高压管线阀门的设计制造技术有了重要突破 特别是成功 研制开发了用于主管线口径为 NPS40 和 NPS48 压力为 Class600 和 Class900 的高压大口 径全焊接球阀 打破了国外阀门企业对于该领域的垄断 14 电动和气动两种驱动形式的闸阀 是现在使用最为广泛的闸阀类型 电动闸阀和气 动闸阀随着阀门技术的不断进步 向着高技术 高规格 抗腐蚀 寿命长的方向发展 两者工作性能的提高 使其在行业中占的比重越来越大 得到更多的市场发展空间 15 南京工业大学学士学位论文 4 第二章第二章 气动气动 手动楔式闸阀的手动楔式闸阀的工作原理及其结构特点工作原理及其结构特点 2 1 工作原理工作原理 本设计以 05 0 7MPa 净化压缩空气工作压力 推动活塞 带动闸板座垂直于流体的 位移实现开启关闭阀门的目的 双层气缸和缓冲机构的工作原理 按闸板工作的四个阶段分述如下 图 2 1 双层气缸和缓冲机构的工作原理图 工作状况 1 工作状况 2 开阀初始阶段工作力 2P 开阀终了阶段工作力 P 工作状况 1 工作状况 2 开阀初始阶段工作力 2P 开阀终了阶段工作力 P 1 气动闸阀开启前阶段 上层气缸的活塞 以下称为上活塞 和下层气缸的活塞 第二章 气动 手动楔式闸阀的工作原理及其结构特点 5 以下称为下活塞 同时受力 阀杆在上 下活塞的推动下 以单活塞近二倍的提升 力 克服闸板密封面和阀体密封面之间的最大静摩擦力 带动闸板上升 压缩空气由上 气缸的下气室 经由设置在隔板的特定通道 通过连通管 到达下气缸的下气室 推动 上下活塞同时工作 下气缸上气室中的气体 经由设置在各班内的另一特定通道 畅通 无阻的排出气缸体外 2 气动闸阀开启的后阶段 在上活塞的推动下 闸板离开全开位置 开始下降 3 气动闸阀关闭的前阶段 在上活塞的推动下 闸板离开全开位置 开始下降 4 气动闸阀关闭的后阶段 当上活塞碰到下活塞的凸台 并带动下活塞一起下降 时 由于气缸上气室的进气通道和下气缸下气室的排气通道设有阻碍 同时 还保护了 密封面 免受猛烈冲击儿破坏 2 2 结构设计特点结构设计特点 1 气动 手动转换机构 装气动执行器气缸缸盖上部的气动 手动转换机构 在闸阀开启的关闭过程的任何位 置上 都可十分方便的转动操作手柄 直接地进行由气动至手动或手动至气动的操作方 式的转换 转换操作手柄采用定位销自锁设计 手柄定位后 可靠镇定 由电磁阀及其控制电路或供风系统发生故障时 不需其他辅助工具 即可迅速转换 成手动操作状态 保证线路正常运行 避免事故发生 在新建工程的自控制系统未完成 之前 本系列闸阀可以可靠地作为手动闸阀使用 动作时灵活轻快 2 关闭时间可调通过调整 通过调整 安装在隔板上的缓冲机构 还可以在一定范围内调整闸板关闭的时间 3 可配用回讯器 本阀可以配用电的或气的回讯器 用以发送阀门开关状态信息 其中防爆行程开关 有国产和进口两种 因此 使用本阀可以实现远距离控制 集中控制和自动控制 4 耐腐蚀的气缸 闸阀的气缸选用无缝钢管制造 内表面镀铬 并经抛光处理 具有摩擦力小 不易 腐蚀 硬度高 寿命长等优点 5 O 形密封圈 气缸中的密封圈采用耐油橡胶 O 形密封圈 密封性能可靠 维修时更换方便 该阀主要由阀体 阀盖 闸板 阀杆 密封圈 双层气缸及其活塞 活塞杆 隔板 南京工业大学学士学位论文 6 连同缓冲机构 手动机构 气动 手动转换装置和阀盖填料箱装置等部件组成 结构示意 图见下图 图 2 1 气动 手动楔式闸阀结构示意图 第三章 阀门的设计与计算 7 第三章第三章 阀门的设计阀门的设计与计算与计算 3 1 阀体的设计与计算阀体的设计与计算 阀体是阀门的重要结构要素 是连接管道的重要部件 阀体的设计时比较重要的一 个部分 主要计算部分包括 阀体的壁厚 阀座密封面等 详细计算见下文 3 1 1 阀体的功能阀体的功能 阀体是阀门的重要部件之一 阀体的重量是整个阀门重量的 70 左右 对于双气缸 气动楔式闸阀中阀体的重量会比通常小些 阀体的主要功能 作为工作介质的流体通道 承受工作介质的压力 温度 冲蚀和腐蚀 在阀体内部构成一个空间 设置阀座以及容纳启闭件 阀杆等零件 在阀体端部设置法兰连接结构 满足阀门与管道系统的安装要求 承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中 因温度变化 震动 流体冲击等影响产 生的附加载荷 安装过程中作为阀门总装配的基础 3 1 2 阀体的选材阀体的选材 制造阀门的材料必须根据下列因素来选择 1 工作介质的压力 温度和特性 2 该零件的手里情况和在结构中应起的作用 3 有较好的工艺性 包括铸造 加工 热处理 焊接工艺性 4 成本和国家资源情况 可供制造阀门零件用的材料牌号很多 包括各种不同的钢材 有色金属及其合金 各种非金属材料等 但是为了减少供应储备上的困难 我们已经进行了材料选用方面的 标准化工作 便于既满足与设计要求 又方便生产 目前 我国有关部门正在对新材料 进行大量的实验研究工作 如新的钢种 工程塑料和新的密封面堆焊材料等 这些材料 南京工业大学学士学位论文 8 的出现无疑亦给阀门制造业创新提供了条件 本次设计中适用于压力 P 2 5MPa 介质温度 T 200 的低压阀门 常用牌号有 HT20 40 HT25 47 HT30 54 等 其机械性能按照 GB T 12226 2005 通用阀门 灰铸铁 件技术条件 的规定 但是由于经济发展 使用铸铁的成本和使用铸钢的成本不相上下 了 使用 IG 25 的钢材能够获得更好的机械性能 本设计中决定使用 IG25 其机械性能 等查 阀门设计 P321 页 GB979 67 3 1 3 阀体的结构形式和制造方法阀体的结构形式和制造方法 由闸阀的公称压力 PN 2 5MPa 公称通径 DN 300mm 通常情况阀体在结构允许的 条件下使用圆形中腔 圆形中腔较之其他形状的中腔受力较好 阀体与阀盖按要求选择 法兰连接 阀体采用整体铸造的制造形式 流道采用全通形式 3 1 4 确定阀体的结构长度和连接尺寸确定阀体的结构长度和连接尺寸 GB T 12221 2005 金属阀门 结构长度 表 7 法兰连接闸阀结构长度 参考公称设 计参数确定公称压力 PN 2 5MPa 公称通径 DN 300mm 的楔式闸阀结构长度为 500mm 阀体与管道采用法兰连接 根据阀门的公称压力与公称通径查 GB 9113 4 88 选取凸 面整体钢制法兰 材料为 Q345R 标准号 GB713 其结构及尺寸查 P36 37 图 8 2 1 表 8 2 1 1 得 图 3 1 1 整体法兰 第三章 阀门的设计与计算 9 表 3 1 1 整体法兰 3 1 5 结构设计与计算结构设计与计算 1 阀座密封面的设计与计算 1 阀座密封面内径和宽度的选取 阀座密封面内径 对于堆焊的密封面 由于堆焊工艺的要求 一般取比内径大 4 5mm 对于非堆焊的密封面 去与阀座内径相等 本设计属于堆焊 故取阀座密封面 内径D 300 5 305mm 阀座密封面的宽度一般取公称通经的 1 20 1 50 并且随着公称通经的增大 密封面宽度与 工程通径之比逐渐减小 除了采用如钴铬钨硬质合金等较好的材料密封面宽度取较小之 外 一般阀座密封面宽度最好不小于 5mm 故取阀座密封面宽度 10mm 由 JB 5211 2008 T 阀门零部件 闸阀阀座 确定的阀座结构如下 图 3 1 2 阀座 其中 8 D 300 1 0 D1 336 D2 303 D3 305 C 3 H 24 0 075 0 040 2 密封面形式的选取 按照介质静压力与介质密封力的不同关系 闸板与阀座之间的密封有三种形式 自 动密封 单面强制密封 双面强制密封 本设计采用单面强制密封 这种形式的密封在介质进口端闸板与阀座密封面之间是 南京工业大学学士学位论文 10 不密封的 这里或者根本没有比压力 或者只有比密封比压小的比压力 在介质出口一 边闸板与阀座密封面之间的密封性由阀杆轴向力来强制地加以保证 当没有介质时 密 封面上的额比压力不得小于密封比压 这是在介质静压力小于密封力时所必须采取的强 制密封的一种 也是通常采用的一种 3 单面强制密封的受力分析和密封面比压的计算 作用在阀门上的出口端阀座密封面的比压要比进口端大 其值按下列公式计算 密封面上介质静压力 2 4 MJMNm QDbP 3 1 2 305 10 2 5 4 194 828KN 其中 D 密封面内径 b 阀座密封面宽度 P 计算压力 密封面上介质静压力 介质密封力 MFMNMMMF QDbbq 3 2 305 1010 6 59 376KN 其中 密封比压 由 阀门设计 P170 表 8 1 查得 3 53 52 5 6 1010 10 MF M PN qMPa b 3 3 密封面上的总作用力 MZMJMF QQQ 3 4 194 82859 476 254 204KN 密封面上的比压计算 MZ MMNM Q q bDb 3 5 254 204 10305 10 25 688MPa 密封面材料使用 2Cr13 由 阀门设计 P171 查得需用比压 q 45MPa 所以 第三章 阀门的设计与计算 11 MF qqq 故阀体密封比压校验合格 3 1 6 阀体壁厚的设计与计算阀体壁厚的设计与计算 阀体壁厚的计算方法与它的形状有关 不同类型的阀体的形状亦有所不同 一个阀 体又往往由几种形状所组成 即使是同一形状 尺寸亦不一样 例如抵押闸阀的阀体 通道两端是圆形 而中腔确是椭圆形 中压和高压闸阀的阀体虽然通道两端与中腔都是 圆形 但圆的内径又不一样 按理说 一个阀体的计算要根据它的形状和尺寸一部分一 部分地单独进行 但实际应用上并不需要这样做 因为分开计算比较复杂 并且一个阀 体中通常亦不取几个不同的壁厚 另外需要注意的是 阀体壁厚的计算除了考虑强度之 外 还应考虑其刚度 否则同样会出现因受力变形而报废的现象 本设计采用的是 WCB 级的铸钢 属于塑性材料因此按照塑性材料计算其壁厚 根据 阀门计算 P117 得壁厚计算公式 2 3 N B L pD SC P 3 6 2 5 380 5 2 5 80 362 5 9 79mm 其中 DN 中腔直径 P 设计压力一般去公称压力 PN 材料 ZG25 的许用拉应力 C 考虑铸造偏差 工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕 量 查 阀门设计 P119 表 7 5 得 C 5mm 根据 实用阀门设计手册 P1442 表 9 18 查得法兰和对焊连接钢 制闸阀的壳体最小 壁厚为 15 9mm 所以最后取15 9 B Smm 3 1 7 中法兰的设计与计算中法兰的设计与计算 1 中腔尺寸 DN 确定 闸阀阀体中法兰是指阀体与阀盖连接的法兰 这样的连接形式在阀门上是十分普遍 的 中法兰的设计必须保证在工作温度和工作压力下有足够的强度与密封性 对在高温 南京工业大学学士学位论文 12 下工作的阀门 应按常温 初加温和高温三种工况分别盐酸 当介质温度 300 时 只 按照常温工况计算 中腔尺寸的确定可参考楔式闸阀阀体 闸板轨道和轨道槽的形式 根据 实用阀门设计手册 P1281 图 7 8 得该形式的示意图及尺寸如下 图 3 1 3 楔式闸阀阀体 闸板轨道和轨道槽的形式 其中 0 8 0 L3 5 7 0 10 8 L355 0 8 0 l337 0 10 8 l335 0 10 8 l335 0 3 1015 b140 5b16 根据以上数据 确定中腔直径360DNmm 2 中法兰垫片尺寸和材料的选择 由 实用阀门设计手册 P1224 选择垫片 二 材料为 X5200 尺寸由 阀门设计 P124 确定如下 垫片系数2 DP m 内径 d 360 外径 D 430 厚度 t 3 比压10 YJ qMPa 3 中法兰结构尺寸的确定 同时参考中法兰垫片尺寸和标准法兰尺寸得中法兰结构同图 1 1 尺寸如下 表 3 1 2 中法兰 第三章 阀门的设计与计算 13 4 螺栓的总计算载荷 当工作温度小雨等于 200 是 直接计算并校核 1 工作时 操作时总作用力 DJDFDTFZ QQQQQ 式中 垫片处的介质压力 2 4 DJDP QDP 2 3752 5 4 276 117KN 垫片密封力 2 DFDPNDP QD B MP 2360 2 2 2 2 5 24 881KN 垫片弹簧力 DTDJ QQ 0 2 276 11755 223KN 所以 276 117 24 881 115 261 356 221KNQ 2 最小预紧力 YJ QQ 而 YJDPNYJDP QD B q K 360 2 2 10 1 24 881KN 式中 密封面预紧比压 碘片形状系数 按圆形取 1 所以 24 881QKN 螺栓计算载荷 356 221 L Qmax QQKN 5 螺栓的强度校核 螺栓的材料选为 35 号钢 根据 使用阀门设计手册 P617 查得 135 L MPa 单 个螺栓底直径面积为 3 816cm2 所以 3 4 356 221 10 77 791 135 12 3 816 10 L LL Q MPaMPa nS 所以 选择 35 号钢的螺栓是符合设计需求的 南京工业大学学士学位论文 14 6 中法兰的强度计算 图 3 1 4 中法兰尺寸 由 实用阀门设计手册 P1059 查得中法兰强度校验公式如下 断面拉应力满足强度 要求 断面弯曲应力 111 W Ql W 3 7 式中 356 221 L QQMPa 1 1 2 16 m lDD 2 1 23 1 6 1 436 260 154 6 m WD h m 所以 1 356 221 26 0 15460 141 W MPa 由 阀门设计手册 P264 查得 IG25 的 99 96 W MPa 所以 1 WW 断面弯曲应力 222 0 4 W QlW 3 8 式中 356 221 L QQMPa 21 435 mn llDD 22 1 6 22 mnmn W DDDD 2 3 1 436360436360 6 22 0 301m 所以 2 256 221 26 0 30122 132 W MPa 由 阀门设计手册 P264 查得 IG25 的 99 96 W MPa 第三章 阀门的设计与计算 15 所以 1 WW 综上 中法兰的设计符合强度要求 3 2 闸板的设计与计算闸板的设计与计算 3 2 1 闸板密封面宽度和内径的选闸板密封面宽度和内径的选取取 闸板密封面宽度 应取得较阀座密封面宽度 大 这基于以下几个方面考虑 阀门在经过一段时间的使用后 闸板与阀座密封面之间有磨损 关闭阀门时 往往容易过于用力 这两点必然导致闸板的下窜 对于明杆闸阀 阀体导轨与闸板之间径向间隙对闸板与阀座密封面之间接触面积有 一定影响 间隙量越大 实际接触面积就越有可能较理论接触面积为小 考虑到以上三点 为了保证闸阀密封面能够与整个阀座密封面接触 就必须去 较 大 一般取 0 5 1 0 大口径 高压力取较小值 故取 18mm 闸板密封面平均直径应取得与阀座密封面平均直径相等 这样便于得出闸板密封面 内径 297mm MNMNMM DDbb 3 2 2 闸板与阀体档宽及相应公差的计算闸板与阀体档宽及相应公差的计算 对于楔式闸阀 其阀座的档宽 Lk 已经标准化 可以由阀门的公称通经 DN 公称压 力 PN 直接查到 由 实用阀门设计手册 P1283 表 7 12 查得 80mm 所谓档宽就是指阀座或闸板两密封面在其中心线上的距离 正确的设计应使闸板密 封面边缘 最低点 与阀座密封面下缘重合 由于阀座与闸板的档宽名义尺寸不等 所以在 全关的位置上 闸板的中心线不会与阀座的中心线重合 而是由一定的距离 1 18 10 cos54mm 2 上述的是理想情况的名义尺寸 即为没有任何偏差的情况下 但实际上闸板与阀座 的加工都会有偏差的存在 使得闸板与阀座装配时的实际关闭位置上 即闸板的实际位 置可能上移或者下移 一次要对阀座和闸板规定适当的公差范围 以保证他们能够良好 的密封 得到最佳的密封性能 达到设计的最小磨损裕量行程 闸板与阀座的密封面磨损后 闸板的关闭位置下移至二者的密封面上缘 最高点 对齐 南京工业大学学士学位论文 16 时 即为极限位置 这是尚能使两者密封面全面积接触 当两者密封面继续磨损下移 则认为两者不能保证密封 认定此阀门损废 密封面的公差确定 闸板密封面的档宽 的确定应使阀门在设计关闭时闸板密封面与阀座密封面下端对 齐 这样便得出 sin80 70 BKMM LLbbmm 3 9 由于阀体档宽上下偏差 0 35 0 13 80 K L 设闸板公差为80 70 x By L 由于闸板按其公差上限的最大档宽于阀座按其公差下限的最小档宽相结合 若闸板 上移 1mm 即0 132 15 0 04xsinx 由于闸板按其公差下限的最大档宽于阀座按其公差上限的最小档宽相结合 若闸板 下移但仍能保证最小磨损形成 即0 28 y2 1sin5 y 0 08 所以 闸板密封面的档宽 0 04 0 08 80 70 B L 3 2 3 3 2 3 闸板主要结构尺寸的确定闸板主要结构尺寸的确定 1 闸板与阀杆头部相配合的 T 型槽尺寸 由 实用阀门设计手册 P1289 图 7 21 和表 7 22 以及已知的公称通径 阀杆直径确 定闸板 T 形槽结构与尺寸如下 图 3 2 1 闸板 T 形槽结构 如图 0 2 1 0 A32 0 2 11 0 A49 H46 0 2 0 8 h22 2 闸板密封面外径 闸板密封面外径为2972 18333mm 第三章 阀门的设计与计算 17 3 闸板其他机构尺寸 由 实用阀门设计手册 P1284 图 7 14 表 7 14 确定闸板其他结构尺寸如下 图 3 2 2 闸板尺寸 其中 0 04 0 08 L80 70 D1 297 b 18 d 218 S 16 h 22 A 80 B 75 D 345 H 176 3 2 4 3 2 4 闸板密封面比压计算闸板密封面比压计算 闸板密封面大于阀座密封面 则当闸阀关闭时 两则接触面积即为受压面积 及阀 座密封面 所以闸板密封面比压于阀座密封面比压相同 25 688 3 2 5 3 2 5 闸板强度的校核闸板强度的校核 闸板的单边厚度 SB 原则上应使闸板厚度能满足强度和刚度的要求 但是闸板并非均 匀厚度的圆板 形状不规则 故难以建立起强度和刚度的精确计算工时 设计时刻根据 下面的强度近似计算式确定 公式为 22 22 33 2 5 109 30 55899 96 44 303 B WW B PB MPaMPa tC 3 10 式中 R 中间薄板根部处半径 218 R109mm 22 B d C 腐蚀裕量 取 3 IG25 的许用应力 阀门设计手册 P264 查得 IG25 的 99 96 W MPa 所以闸板强度满足设计要求 南京工业大学学士学位论文 18 3 3 阀杆的设计与计算阀杆的设计与计算 3 3 13 3 1 阀杆总轴向力阀杆总轴向力 1 关闭时楔式闸阀作用于阀杆上的力 由 实用阀门设计手册 P1028 表 5 87 得关闭时阀杆总轴向力计算公式如下 12 KK FZMJMFPT QQQQQ 3 11 式中 1 2 由 实用阀门设计手册 P681 表 3 31 查得 1 0 29 2 0 77 阀杆径向截面上介质作用力 且 22 382 52 835KN 44 PF QdP 阀杆与填料摩擦力 由 实用阀门设计手册 P1464 查得填料函内径 58mm 填料宽度 10mm 填料材料选为聚四氟乙烯 其结构及尺寸由 阀门设计 P528 查得 单填料 上 中填料 高度为 6mm 填料垫为 6mm 最后根据填料函的结构尺寸以及填料的结构尺寸 确定中填料的 个数为 6 所以 填料空的深度 H 6 6 6 6 2 5 53mm 1 1 1 2 TF Qd hz Pf 3 12 其中 h1 单圈填料与阀杆接触的高度 1 填料圈数 f 填料与阀杆的摩擦系数 约为 0 05 0 1 取 f 0 1 计算得 1 403KN 所以 12FZMJMFPT QK QK QQQ 0 29 194 8280 77 59 3762 835 1 403 106 458KN 2 开启时楔式闸板作用于阀杆的力 由 实用阀门设计手册 P1028 表 5 87 得关闭时阀杆总轴向力计算公式如下 34FZMJMFPT QK QK QQQ 3 13 式中 3 4 由 实用阀门设计手册 P681 表 3 31 查得 3 0 41 4 0 62 同关闭时 第三章 阀门的设计与计算 19 所以 34 73 176KN FZMJMFPT QK QK QQQ 0 41 194 8280 62 59 3762 835 1 403 115 261KN 3 3 23 3 2 阀杆的直径估算阀杆的直径估算 由 阀门设计 P197 公式 10 26 的直径估算公式 4 d 1 25 1 35 FN Y Q 3 14 式中 Q 阀杆的最大轴向力 即 Qmax Q QQ115 261 FZFZFZ KN 阀杆材料的许用应力 查 阀门设计 P185 表 9 8 得到 2Cr13 的 245 所以 3 4 115 261 10 1 3533 04mm 245 FN d 但又由 实用阀门设计手册 P1456 表 9 40 查得阀杆的最小直径为 38mm 所以最终 确定阀杆直径38mm F d 3 3 4 3 3 4 阀杆的强度校核阀杆的强度校核 1 阀杆的总扭矩 阀杆的轴向力通常是由驱动装置的扭矩产生的 因此计算阀杆的扭转矩对阀杆的强 度计算 螺母与阀杆的螺纹之间的摩擦力矩的计算都是不可缺少的 由于阀杆的轴向力通过螺母凸肩作用在支架上 此处设有推力轴承 所以轴承与支 架产生的摩擦力矩并不作用在阀杆上 明杆闸阀的阀杆为开降杆 即在启闭过程中只做 直线运动 所以填料没有阻力矩 阀杆的受力分布如下图 图 3 3 1 阀杆的受力分布 因为开启时阀杆的轴向力最大 也就是说开启时阀 杆的总扭矩也最大 所以下面计算只算开启时的总扭 矩 由 实用阀门设计手册 P1027 与 P1028 查得阀杆受 力图及强度验算公式 对于装有推力球轴承的明杆闸阀 阀杆的总扭矩为 南京工业大学学士学位论文 20 FLFZFM MQ R 3 15 式中 螺纹的摩擦半径 由 实用阀门设计手册 P665 查得 2 tan3 19mm 2 FMLL d R 所以开启时阀杆的总扭矩为 115 261 3 19367 683N m FL M 2 阀杆的强度计算 阀杆开启时阀杆的强度计算 开启时阀杆的受载情况如上图所示 上阀杆的危险截面为螺纹退刀槽出 因此此处的横截面最小 因该校核此处拉应 力 扭转应力和合成应力 a 拉应力 MPa 为 115 261 184 713 240MPa 624 FZ LL s Q MPa F 3 16 式中 Fs 阀杆最小截面积 mm2 按有退刀槽处的 计算 由 实用阀门设计手 册 P667 查得为 624 mm2 阀杆材料的许用拉应力 MPa 由 实用阀门设计手册 P607 查得为 240MPa b 扭转应力 MPa 为 240MPa 367 683 81 707 145 4500 FZ NN s M MPaMPa W 3 17 式中 Ws 阀杆最小抗扭截面系数 mm3 有螺纹退刀槽则为退槽处的抗扭界面系 数 WT 4500mm3 由 实用阀门设计手册 P667 查得 阀杆材料的许用扭转应力 MPa 由 实用阀门设计手册 P607 查得为 145MPa c 合成应力 MPa 为 22 4 LN 3 18 22 184 71381 707 201 977MPa230MPa 式中 阀杆材料的许用合成应力 MPa 由 实用阀门设计手册 P607 查得为 第三章 阀门的设计与计算 21 230MPa 综上 阀杆的强度是合格的 下阀杆的强度校核和尚阀杆相同 且下阀杆的最小截面大小和上阀杆最小截面大小 差不多 但是下阀杆没有气缸的摩擦力 因此下阀杆的校核可以省去 且我们认为它是 和尚阀杆一样强度是合格的 3 3 53 3 5 阀杆的稳定性校核阀杆的稳定性校核 1 影响因素 稳定性是指受压杆件发生横向的弯曲破坏 影响阀杆的稳定性的主要因素有 a 材料的机械性能 特别是其抗弯曲性能是影响稳定性的重要因素 具体体现在弹性模数 E 的值 b 杆件截面积及界面形状 阀杆截面积越大 截面形状越有利于抗弯 则其稳定性越好 综合界面积与形状的影 响 反映在计算中的位界面的惯性矩 而结合材料性能 即为杆件的抗弯强度 c 杆件的长度 杆件的长度越大 其受压的稳定性越差 d 杆件的外界约束条件 主要是杆件两端的固定方式和中间支撑状况 两端的自由度越大 则稳定性越差 在计算中反映为长度折算系数 2 上阀杆的稳定性校核 手动关闭式阀杆与开合螺母连接 可以认为是固定连接 下端部与 T 型槽连接属球 星连接 属于有自由度连接 长度系数 取 0 699 阀杆的细长比 即柔度 按下式计算 4 F F l d 3 19 式中 阀杆直径为 38mm 阀杆计算长度 对于升降杆是从上端阀杆螺母螺纹全高中点至阀杆下端面 的距离 843 5mm 长度系数 与支撑形式有关 这里取为 0 699 所以 62 1 南京工业大学学士学位论文 22 由 阀门设计 P154 查得常温时阀杆中细长比的下界 1 40 2 78 2 所以有 12 即 2 2 115 261 101 682MPa 0 785 38 4 FZ Y F Q d 3 20 1 1 644223 6 62 1 199MPa 2 5 Y W W YY W ab n 所以上阀杆满足稳定性条件 式中 阀杆的压应力 1 中细长比压杆的稳定性许用应力 a b 依赖于材料性质的系数 由 阀门设计 P154 查得 a 6442 b 23 6 稳定安全系数 取 2 5 3 下阀杆的稳定性校核 下阀杆是一端活塞通过螺母