轻型小口径高压气动阀的设计【4张图纸】【优秀】
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小口径高压气动阀
高压气动阀
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轻型小口径高压气动阀设计
45页 9800字数+说明书+4张CAD图纸【详情如下】
ZGF00自动高压排液阀总图.dwg
ZGF04阀板.dwg
ZGF08气缸.dwg
说明书.doc
轻型小口径高压气动阀设计说明书.doc
阀体标注图.dwg
目录
前言 3
1 概述 4
1.1 阀门简介 4
1.2 问题的提出 5
1.3 解决方案 6
1.4 阀门的基本性能 8
2 技术指标和结构设计特点 9
2.1主要技术指标 9
2.2 组成、工作原理和设计特点 10
2.3 阀体组成部分 10
2.4 运用介质 11
3 阀门的设计和计算 11
3.1 设计程度 11
3.2阀体的设计和计算 12
3.3 密封面上、环上总作用及计算压比 14
3.4阀杆强度计算 15
3.5 头部强度校核 21
3.6 阀杆稳定性计算 22
3.7闸板厚度计算 23
3.8阀盖强度计算 24
3.9 填料箱计算 26
4 气动装置的设计计算 28
4.1确定阀门材料 28
4.2 活塞推力和拉力计算 28
4.3 用O型密封圈密封时的摩擦力计算 29
4.4 壁厚计算 30
4.5 缸筒变形和活塞杆直径计算 31
4.6 活塞杆强度计算和缸底厚度计算 32
4.7 缸体螺纹连接计算 33
5 材料的选择 35
6 结论 38
7 谢辞 39
8 参考文献 40
前言
轻型小口径高压气动阀是在高压油气井采气井口截断，高压油气井试油试气及压裂快速排液等场所广泛的使用。由于它可以实现远程控制，因而可大大提高高压生产和施工场所的安全性。在设计中综合了以往高压阀的结构特点，并增加了气动装置，以满足远程控制的目的，在内容中，简单介绍了高压气动阀的技术指标和结构特点，并详细设计和计算阀门和气动装置，以满足了高压使用的性能。
此高压气动阀的另一大特点是在减小其体积，减轻其质量上下了很大工夫，使此高压气动阀的搬运性、安装性和安全性都得到了大大的提高，从而为油田的提供了很大的方便。
关键词： 阀门 、 高压 、小口径、 气动、 设计
对大部分阀门来说，密封性能是首要问题，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失，甚至造成人身死亡，对于高中压气动阀门和安全阀，阀门的安全可靠性也是非常重要的，强度不够或动作不可靠，将会造成本体或系统的破坏，而导致人身伤亡。因此，阀门的流通性能（流阻系数、流量系数）已经得到越来越多人的注意，成为阀门设计者必须重视的问题。
阀门的机构虽然千差万别，但基本上都是有驱动装置（自动阀类无）、运动机构、关闭件（或调节元件）、密封件、紧固件和壳体组成。由于其主要零件与流体直接接触，因此在阀门设计时不仅要考虑机械强度、刚度、制造工艺与磨损等问题，还要考虑流体的物理化学作用和流体动力、热力作用产生的问题。
目前，高压闸阀按不同方式可分为很多种，如电动闸阀、液控自动闸阀、API磅级闸阀、水封闸阀、保温闸阀、电动铬钼闸阀、美标闸阀、高温高压闸阀、两项流闸阀、高温灰渣闸阀、带吹扫孔闸阀、衬氟闸阀、正齿轮双闸板高压闸阀等。原理也就各不相同，有的是利用堵漏式强制性被动密封，有的是自紧式随机性主动密封。
- 内容简介：
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目录前言 31 概述 41.1 阀门简介 41.2 问题的提出 51.3 解决方案 61.4 阀门的基本性能 82 技术指标和结构设计特点 92.1主要技术指标 92.2 组成、工作原理和设计特点 102.3 阀体组成部分 102.4 运用介质 113 阀门的设计和计算 113.1 设计程度 113.2阀体的设计和计算 123.3 密封面上、环上总作用及计算压比 143.4阀杆强度计算 153.5 头部强度校核 213.6 阀杆稳定性计算 223.7闸板厚度计算 233.8阀盖强度计算 243.9 填料箱计算 264 气动装置的设计计算 284.1确定阀门材料 284.2 活塞推力和拉力计算 284.3 用O型密封圈密封时的摩擦力计算 294.4 壁厚计算 304.5 缸筒变形和活塞杆直径计算 314.6 活塞杆强度计算和缸底厚度计算 324.7 缸体螺纹连接计算 335 材料的选择 356 结论 387 谢辞 398 参考文献 40 前言 轻型小口径高压气动阀是在高压油气井采气井口截断，高压油气井试油试气及压裂快速排液等场所广泛的使用。由于它可以实现远程控制，因而可大大提高高压生产和施工场所的安全性。在设计中综合了以往高压阀的结构特点，并增加了气动装置，以满足远程控制的目的，在内容中，简单介绍了高压气动阀的技术指标和结构特点，并详细设计和计算阀门和气动装置，以满足了高压使用的性能。 此高压气动阀的另一大特点是在减小其体积，减轻其质量上下了很大工夫，使此高压气动阀的搬运性、安装性和安全性都得到了大大的提高，从而为油田的提供了很大的方便。 关键词： 阀门 、 高压 、小口径、 气动、 设计1.概述1.1阀门简介 阀门在国民经济各个部门中都有着广泛的应用，在石油、天然气、煤炭和矿石的开采、提炼加工和管道输出系统中，在化工产品、医药、水电、核电等生产系统中，阀门都起着举足轻重的作用。此外，在国防生产系统中和航天等技术领域里也使用各种性能的阀门。因此，阀门是我国实现四个现代化不可缺少的重要机械产品，它与生产建设、国防建设和人民生活都有着密切的联系。阀门是流体输送系统中的控制部件，具有导流、截流，调节防止倒流、分流或溢流卸压等功能 。阀门安装在各种管路系统中用于控制流体的压力，流向和流量，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，阀们的种类和品种规格非常多，据不完全统计，我国的阀门产品种类已经达到三千多个型号，近三万个规格，随着新的工艺流程和控制要求的的出现，随着现代阀门的技术参数和技术性能的高水平发展需要，随着生产过程日益自动化发展的需要，将会不断提出对阀门新品种的发展需求。为了实现对流体的控制，阀门一般具备以下性能：1）具有良好的抗腐蚀能力2）具有良好的密封性3）防暴防火、可靠耐用4）强度性能5）调节性能6）动作性能7）流通性能对大部分阀门来说，密封性能是首要问题，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失，甚至造成人身死亡，对于高中压气动阀门和安全阀，阀门的安全可靠性也是非常重要的，强度不够或动作不可靠，将会造成本体或系统的破坏，而导致人身伤亡。因此，阀门的流通性能（流阻系数、流量系数）已经得到越来越多人的注意，成为阀门设计者必须重视的问题。阀门的机构虽然千差万别，但基本上都是有驱动装置（自动阀类无）、运动机构、关闭件（或调节元件）、密封件、紧固件和壳体组成。由于其主要零件与流体直接接触，因此在阀门设计时不仅要考虑机械强度、刚度、制造工艺与磨损等问题，还要考虑流体的物理化学作用和流体动力、热力作用产生的问题。目前，高压闸阀按不同方式可分为很多种，如电动闸阀、液控自动闸阀、API磅级闸阀、水封闸阀、保温闸阀、电动铬钼闸阀、美标闸阀、高温高压闸阀、两项流闸阀、高温灰渣闸阀、带吹扫孔闸阀、衬氟闸阀、正齿轮双闸板高压闸阀等。原理也就各不相同，有的是利用堵漏式强制性被动密封，有的是自紧式随机性主动密封。1.2 问题的提出国内现有的手动高压阀多为80年代末引进的技术，由于在施工中，需要人近距离反复启动闸门，十分危险，劳动强度大，由于操作过程中介质外泻，击伤工作人员事故常有发生。另外，由于高压阀使用的环境恶劣，被控介质所含颗粒酸性成分高，加上压力变化幅度大，野外露天使用，给阀门的研制带来许多难度，所以，解决此问题，将会在今后的施工生产中产生良好的经济效益。现行生产、使用的气动闸阀,在工况运行中要克服各种摩擦阻力,尤其是密封面间的静摩擦力,需要施加很大的阀杆轴向力才能达到阀门启动。另外，气动闸阀噪声较大。密封效果是阀门制造的关键要素，密封问题历来是机械行业很难解决的问题。高压截止阀产品曾先后进行过二次大的改进；一次因外漏问题将原上阀体可拆性结构改为焊死的一次性使用结构；另一次为了降低产品价格、缩小体积、减轻重量，采用了非标准的缩u比，即：由标准缩口比大于或等于70 缩小为6O 。但从调查的使用情况看仍存在较严重的漏失、启闭扭矩大、流阻大等问题，直接影响生产。设计应提高气动机构关键密封部位的加工精度,防止微量泄漏。另外,要彻底解决分闸阀锈蚀的问题,应将阀座及锥阀更换为抗氧化性能优良的材质。对气动机构来说,冬季低温时,操动机构箱内必须加温,防止微泄漏后积水结冰将锥阀冻住,造成断路器拒分故障。此外储气罐及管路放水阀部位也必须加温,防止将放水阀冻裂,无法保持压力,从而延长抢修时间。目前国内的高压气动闸阀普遍存在的问题还有就是重量大，体积大，给搬运、安装和维修带来一定的难度。本设计研究的是轻型小口径高压气动阀。重在缩小闸阀体积，减轻闸阀质量，但功能与原理不变，只是在结构方面做一些改动，但是还要满足设计需求，如强度功能等。1.3解决方案针对天然气的生产和需要，在高压油气井采气井口截断，高压油气井试油试气及压裂快速排液等类似的环境下工作的需要，需设计高压气动阀，由于它可以实现远程控制，因而大大提高了高压生产和施工场所的安全性，目前，国内有部分厂家生产高压气动阀，但是规格单一，通经均为DN65，最高压力多为70MPa国内主要稠油开发油田(辽河、胜利 河南、江苏、新疆)使用的阀门，少数从美国引进，绝大多数是国内消化同类进口产品而开发的高压截止阀新产品，现有压力为320 MPa、口径为 50、 65、 8O、 100四种规格产品，每年约有上千台用于各油田。本设计的气动阀，通径为DN20，最高工作压力为105MPa的高压气动阀，它的特点是a. 消除了存在于液压机构的”慢分问题” 绝大部分气动机构分闸采用气动,合闸采用弹簧,分、合闸动力传递的介质不同,所以不会发生工作缸活塞连同断路器的缓慢分闸动作,即慢分问题。b. 避免了微渗漏后的表面脏污，微渗漏是国产开关的老问题,它并不影响产品的性能和使用,但会造成液压机构外表面脏污,影响文明生产。而气动机构的渗漏,不会在机构外表面产生脏污,不会污染环境,由于气体来源于大气,补充时也相当经济。所以气动机构零部件的加工精度要求不很高而气动闸阀本来具有许多优越性,它除有一般闸阀流阻小、流向不受限制等优点外,还有启闭迅速、气动安全、双缸气动保证开启等特点。c.安装,调节简单,操作维护简单.阀体制造也各不相同，有的是砂模制造，有熔模制造，但一般采用熔模制造，因为熔模制造比砂模制造具有更高的透气性，更快更均匀的冷却条件，所以组织更为致密，由于钢液从顶部浇入，有时从冒口直接浇入，浇冒口的位置靠近热节区，为铸件提供了极为有利的顺序凝固条件，热节区得到迅速有利的补缩，所以铸件合格率很高且质量较好。但是本设计用的阀体为锻造.锻造阀体一般都用于小口径阀门,特别是用于公称通径小于或等于DN50高温高压阀门.锻造阀体的优点是质量能保证、组织致密,表面质量好.其缺点是由于流通道采用机械加工(钻空)制成,在孔与孔的过渡区会产生锐角过渡面,造成流阻大,且易产生紊流,介质对阀体侵蚀大;锻件截面与铸件截面相比较不均匀性更大，因此在壁厚处所产生的热应力很大,特别是在高温场合,常会在流道的锐角处发生开裂,并且锻造阀体利用率较低.但丛经济的角度来看,锻造适合与小口径的阀门.1.4 阀门的基本性能阀门的各项基本性能是衡量阀门设计水平和加工质量的主要指标。阀门的基本性能指标如下：1.4.1 强度性能是指阀门承受介质压力的能力。阀门是承受压力的机械产品，因而必须有足够的强度和刚度。以保证长期使用而不发生破裂或产生变形。1.4.2 密封性能是指阀门的密封不见阻止介质泄漏的能力，它是阀门最重要的性能指标。阀门的密封部件有两处起闭件与阀座密封面间的接触，填料与阀杆和添料的配合处，其中前一处的泄漏叫内漏，也就是通常说的关不严。它将影响阀门截断介质的能力。后一处的泄漏叫外漏，即介质从阀内泄漏到到阀外。它影响文明生产造成物料损失，污染环境，严重时还会造成事故，对于像天然气这种易燃、易爆，有毒或者有放射性的介质，外漏更不允许的，因而阀门必须具有良好可靠的密封性能。1.4.3 流阻性能 介质流过阀门后会产生压力损失，也就是阀门对介质的流动有一定的阻力，介质为克服阀门的阻力就必须要消耗一定的能量。从节约能源上考虑，设计和制造时，要尽可能降低阀门对流体介质的阻力。1.4.4 动作性能1.4.4.1启闭力和启闭扭矩指阀门开启或关闭所必须施加的作用力或力矩。关闭阀门时，需要使启闭件与阀座两密封件形成一定的密封比压。同时还要克服阀杆与填料之间及其它摩擦部件的摩擦力。因而必须施加一定的关闭力和关闭力矩。阀门在启闭过程中，所需要的启闭力和启闭力矩是变化的，其最大值是在关闭的最终瞬时或开启的最初瞬时。设计和制造阀门时应力求降低其关闭力和关闭力矩。1.4.4.2 启闭速度启闭速度是用阀门完成一次开启或关闭动作所需要的时间来表示，一般对阀门的启闭速度无严格要求，但有些工况对启闭速度有特殊要求。1.4.4.3 动作灵敏度和可靠性指阀门多介质参数变化做出相应反应的敏感程度。对于特定功能的阀门来说，其动作灵敏度和可靠性是十分重要的性能指标。1.4.4.4 使用寿命它表示阀门的耐用程度。是阀门的重要性能指标，并且有很大的经济意义。通常的能保证密封要求的启闭次数来表示，也可以用时间来表示。2. 技术指标和结构设计特点2.1 主要技术指标 1.公称通径：DN202.最高工作压力：105MPa3.气控压力：0.8MPa4.连接形式：螺纹连接 5.材料：阀体、阀板、气缸等材料为35CrMo6.控制装置:活塞式汽缸7.阀门型号:Z613H1050Q2.2 组成高压气动阀阀门上端设计采用活塞式气压控制器,下端采用非楔式单闸板阀的结构而组成,主要功能是启闭介质流的通道,与楔式闸阀相比, 无楔紧力与密封有关的力在启闭运动方向的分力为0，所以启闭该阀灵活省力。2.3 工作原理在启闭气压泵源的条件下，通过改变活塞汽缸上气流的大小和方向，便可以改变介质的流动方向，从而可使汽缸活塞上下运动，实现闸阀的开闭。2.4 设计特点天然气具有易燃，易爆特性且地下开采出来的天然气大量为高压和含硫化氢的有毒气体，所以根据该阀门的使用环境，除了要求具有较好的抗腐蚀能力及严格密封性能外，而且还要求具有防爆、防火、可靠耐用等特点，所以，在高压气动阀设计中，主要围绕以上的指标进行。2.5 阀体组件部分阀体组件的设计将参考国内外单闸阀的工作原理，通过金属阀板和金属阀座平面之间的贴合，借助封脂并在介质的作用下，实现浮动密封，密封腔内任何时候都要承受气压力，阀盖与阀体采用螺栓连接。在阀体、阀板、阀座、阀杆、汽缸等主要零件的材料和工艺处理上，将均按照石油部有关规定进行设计。2.6 适用介质天然气、人工煤气、液化石油、压裂液及其它无腐蚀性的气体。3.阀门的设计与计算3.1 设计程序阀门作为管道系统中的一个重要组成部分，应保证安全可靠的执行管道系统对阀门提出的使用要求。因此，阀门设计必须满足工作介质的压力温度及制造、安装等方面对阀门提出的主要要求。阀门设计明确给定技术数据，即“设计任务书”在此基础上方可正确完成设计。机械产品，包括阀门产品的设计程序，目前世界各国基本上采用典型的“三段设计法”，即设计程序被划分为：初步设计、技术设计、工作图设计三个阶段。3.1.1 初步设计初步设计是为研究，确定产品最佳方案而进行的工作。初步设计又称为“方案设计”和编制技术阶段任务等。初步设计阶段的工作内容为： 编制“技术任务书”； 绘制产品方案略图和草图；3.1.2 技术设计技术设计是根据已批准的初步设计进一步设计，计算产品及其组成部分的结构，并绘制产品总图及主要部件装配图。技术设计的工作内容是： 绘制产品总图及主要零部件； 完成设计计算书3.1.3 工作图设计工作图设计是根据技术绘制全部工作图样编制必须的技术文件，工作图阶段的工作内容为： 编写设计文献目录和图样目录； 编写明细表； 绘制零件图、部件图和总装配图；3.2 阀体的设计与计算阀体是阀门中最重要的零件之一，阀体的重量通常占整个阀门的总重量的70%左右。阀体的主要功能有： 作为工作介质的流动通道； 承受工作介质压力、温度、冲蚀和腐蚀； 在阀体内部构成一个空间，设置阀座，以容纳启闭件、阀杆等零件； 在阀体端部设置连接结构，满足阀门与管道系统安装使用要求； 承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中因湿度变化、振动、水击等影响所产生的附加载荷； 作为阀门总装配的基础。3.2.1 阀体壁厚计算 对于钢制高压阀门的阀体壁厚，一般按照下列公式计算：C式中：阀体外径与内径之比.按下列式中计算:式中：-材料的许用应力取 与 两者中较小值。和 分别为常温下材料35CrMo的强度极限和屈服极限（MPa）和分别为以为强度指标的安全系数和以为强度指标的安全系数。取 = 4.25 = 2.3查手册可查得材料为35CrMo的抗拉强度 和屈服极限强度 = 980 MPa = 835 MPa则有： = = 230.588 = = 363.04因 则取 = 230.588 为已知 P = 105 MPa DN = 20 mm = =1.87C查手册可得：C=2 C=100.87+2=10.7实际阀体的壁厚取 结论：为合格3.3 密封面上、环上总作用力及计算比压计算密封面上的总作用力密封面外介质作用力 设计中密封面内径 =42 密封面宽度为 = 12压力为P=105MPa = =381133.2密封面上的密封力:查阀门设计计算手册P4-P10可查得： =6.24密封面上密封力 =15988.4密封面上总作用力为 =381133.2+15988.4 =397121.6(N)密封面计算压比： =154.99查手册得：=300所以则有：q结论：q 为合格3.4 阀杆强度核算计算关闭时阀杆总轴向力 开启时阀杆总轴向力 式中：密封面处介质作用力（N）密封面上密封力（N）阀杆径向截面上介质作用力（N） 阀杆与增料摩擦力(N) 为系数. 查手册:阀杆最大轴向力取 及 中较大值.查阀门设计计算手册表431可查得: =0.15 =0 =0.25 =0 上述已计算的有: =381133.2(N) =397121.6(N)阀杆径向截面上介质作用力: 式中: 阀杆直径(mm) P压力 ( MPa)且 =36 mm P =105 MPa =106822.8(N)阀杆与增料摩擦力 系数. 查表阀门设计手册412查得:按 查有-填料深度 填料密度 且 =30 =6则有: =5查得: =1.60则: =36288 （N）则关闭阀杆总轴向力 = 200334.96 N开启时阀杆总轴向力: =24694.32 N和 进行比较有 则阀杆最大轴向力取 则有=200334.96(N)轴向应力 按退刀槽处查表计算式中:关闭时阀杆总轴向力开启时阀杆总轴向力 阀杆最小截面积且 = 200334.96 N =24694.32 N则有 =32 MPa =39 MPa扭应力公式中：关闭时阀杆摩擦力矩阀杆最小断面系数而 式中：半径。查表413得=0.346查表414得：=4.5则有 =154.03 MPa合成应力=36.95查手册，查材料35GrMo许用拉应力许用压应力许用扭应力许用合应力则有： 结论：1. 、 、 、 合格。2.工作压力随工作温度而改变的比值比相应温度下材料许用应力改变的比值为大，故不进行高温核算。3.5 头部强度校核剪应力 式中：阀杆与填料摩擦力开启上阀杆总轴向力设计尺寸设计尺寸=36288=24694.32 N=12 =30 则剪应力 =16.10 MPa又因 =105 MPa 有： 结论：1. 合格。2.工作压力随工作温度而改变的比值相应温度下材料的许用应力改变的比值大，故不进行高温核算。3.6 阀杆的稳定性计算阀杆的柔度（细长比）的计算式式中：阀杆的柔度阀杆的计算长度（阀杆螺母至阀杆端部或阀杆凸偏至下端阀杆阀的长度阀杆的螺纹半径。对于圆形截面与阀杆两端支承状况有关的长度系数查表得： =0.7则阀杆的柔度=211.56因 则按下式计算阀杆的稳定： 式中：阀杆材料的弹性系数柔性度系数。查得=2.5则阀杆的稳定性有 =16.67则为合格。3.7 闸板厚度核算3.7.1 计算厚度式中： 系数。可查手册，查得K=0.75P压力（MPa） P=105 MPa许用弯应力 查得 =120MPaC查手册得 C=2则有 =18.2又因设计 =20则有 结论：1. 为合格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而制定的，故不进行高温核算。3.8 阀盖强度验算计算拉应力式中：压力（MPa） P=105 MPa计算内径 =70.578实际厚度 =13C腐蚀余量 C=2关闭时阀杆总轴向力且 P=105 MPa =70.578=13 C=2=24694.32（N）则有拉应力 =168.72剪应力式中：P压力（MPa） P=105 MPa关闭时阀杆总轴向力厚度 =13C腐蚀余量 C=2 则有： =281.27结论：1. 、 为合格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而制定的，故不进行高温核算。3.9 填料箱计算操作下总作用力 最小预紧力密封面上总作用力 取或中的较大值密封面处总作用力 =337784.04 （N） 是密封面上密封中的公式。式中： =39.28则 =110567.99则 =448448.03必须预紧力 =350197.91 N对 和 比较，则有 则操作下总作用力比最小预紧力大。密封面上总作用力：=448448.03（N）密封面计算比压： =182.07 密封面许用比压： 查得 =835 剪应力为其中： 有： 查手册得： =1.6则 =185781.22 （N） =136.89 因 =190 所以 结论：1. 为合格2. 合格4. 气动装置的设计计算4.1 确定阀门材料选用材料为，锻造阀体。4.2 活塞的推力和拉力计算推力： 拉力： 式中： 活塞的推力 （N） 活塞的拉力 （N） 活塞杆直径 （mm） 活塞直径 （mm） 气源压力 考虑摩擦阻力影响引入的系数取=0.8推力 =6302 (N )拉力 =7063.7(N )汽缸行程为60 全程195 4.3 用O型密封圈密封时的摩擦力油缸内总的摩擦力 =4.15 ( )4.4 壁厚计算缸筒壁厚当 3.2时则有： 式中： 强度系数（当为无缝钢管时 =1） C计入壁厚公差及腐蚀的附加壁厚又因: 缸体材料的抗拉强度 安全系数 =5 =980 =196 (N)则有： =2.5缸筒壁厚按计算公式算出后，一般还要根据具体情况适当加厚，这里查表 11123取10。4.5 缸筒变形计算承受内压的薄壁缸筒,其内径的伸长量可有下式求得: 式中： 缸筒内径的伸长量 () 缸筒内径 () 缸筒外径 () 缸筒内油压力 材料的弹性模数 泊松系数 则有: =0.86 4.6 活塞杆直径计算无速度比计算： =36 4.7 活塞杆强度计算活塞杆在稳定工作情况下，如果仅受轴向拉力或压力载荷时，便可以近似地采用直杆承受拉、压载荷的简单强度公式进行计算。活塞杆应力 式中； 活塞杆所承受的轴向载荷 活塞杆直径 许用应力 变形则有： 7.2 4.8 缸底厚度计算 式中： 缸底壁厚 油缸内径 缸内最大油压 缸底材料许用应力则有： 20.45 ()取 =25 4.9 缸体螺纹连接计算缸体与端部都用螺纹连接上螺纹处的计算如下：螺纹处的拉应力 螺纹处的剪应力 合成应力 许用应力 式中： 油缸最大阻力（N） 油缸内径 螺纹直径 螺纹内径 拧紧螺纹的系数 K=1.5 螺纹连接的摩擦系数 =0.12 缸体材料的屈服极限 安全系数 取 =2.5则有拉应力为 =0.41 剪应力为 =1.990 ()合成应力为 =3.497 则合格。许用应力为: =334 ( )5材料选择5.1 阀体、阀板等材料选用35GrMo(具体见装配图)35GrMo特性高温下具有高的持久温度和蠕变强度,低温韧性好,工作温度可高达500摄氏度,低温可至-110摄氏度,淬透性良好,无过热倾向,淬火变形小,冷变形是塑性尚可,切削性能中等.但有第一类回火脆性,焊接性不好,如果须焊接用时,焊前预热至150-400摄氏度,焊后处理消除应力.一般在调质处理后使用,也可在高温中频表淬或淬火及低温回火后使用.用于制造承受冲击、弯曲高载荷的各种机器中的重要零件.5.2 密封材料 密封要求其具有较好的耐油、耐水、耐磨、耐热等性能,同时要求基本有足够的强度和良好的弹性,还要求能耐酸、碱或其他化学药品的性能,常用的基本聚合物有:氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、异丁橡胶等.石油工业各类泵阀的密封材料又以丁腈橡胶用的最为普遍.现对丁腈橡胶和聚氨酯橡胶两种材料进行分析。5.2.1 聚氨酯橡胶聚氨酯橡胶,可以看作是一种介于一般橡胶和塑料之间的材料.其最大的特点是硬度高而富有弹性,耐磨性也卓越(比天然橡胶高达九倍,是铁的6-7倍),此外,还具有良好的机械强度,耐油性和耐臭氧性,体温特性也很出色,并且, 聚氨酯橡胶的静摩擦系数和动摩擦系数接近,而且有较小的值.是液压缸理想的密封橡胶材料. 聚氨酯橡胶的耐热性不高,动态生热大,所以它只适用于80-90摄氏度为正常,长期工作温度低速运动的液压缸的密封.5.2.2 丁腈橡胶丁腈橡胶是制造耐油制品的主要胶种,其特点是耐油性非常好,其耐油性取决与其中丙稀腈的含量.随着丙稀腈含量的增加,耐油性,抗拉强度,耐磨性等也随着提高,气透性,耐寒性则随之下降.丁腈橡胶可在100摄氏度下连续使用,而在热用中可使用到120摄氏度,它的耐热性比聚稀酸脂橡胶,硅橡胶要差些其耐酸性,耐碱性也比较好.丁腈橡胶是不饱和的极性橡胶故不溶于非极性的矿物或动植物油中,有优异的耐油性,但不能用在磷酸脂系统压油及含有极压添加剂的齿轮油中,如果在燃料油和低苯胺点的矿物油中使用,应选择丙稀腈含量高的丁腈橡胶.在低温下使用时,应选用丙稀腈含量低的丁腈橡胶,所以,耐矿物油的密封材料国内外仍以丁腈橡胶为主.它普遍的用在O形圈油封,唇型密封件及防漏垫片等.对以上两种橡胶的比较,所以选用丁腈橡胶作为密封材料。5.3 喷焊材料由于工作在特殊的情况下，因而在加工阀板等零件时表面需要做特殊的处理，它们的失效形式主要是表面磨损和表面腐蚀，这是由于零件的表面性能欠佳造成的。目前已经有很多方法，其中喷焊就是很好的一种。喷焊是热喷除的一种，它是把喷除材料家热到熔融状态，然后把工件表层加热到熔融状态，使喷除材料与工件表尺呈微冶金状态，因此有较高的结合强度；喷除材料不受限制，选用不同的材料，涂层有着不同的硬度。使用范围较广，同时喷焊设备简单投资少，占地面积小，操作维护方便，因而受到了广泛的应用。用热喷除技术对普通材料进行处理，可按需要改变其表面的化学成分和组织结构，达到强化表面某些性能的目的。例如，使其具有耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、抗疲劳性能在修理和制造领域都有十分广泛的用途。成倍的提高零件的使用寿命，经济意义十分重大。热喷焊有四种：氧乙炔焰、电弧、等离子和爆炸热喷除。等离子和爆炸热喷除一般成本费用很高，很难被人们接受。目前我国机械系统广泛应用的是合金粉末氧乙炔焰喷焊，喷焊层结构和性能可以根据工况要求设计，可以使用硬度较大的耐磨材料施喷，工艺简单易掌握，工具简单、灵活，可进行现场维修。喷焊材料系指以铁、镍、钴、铬为基，加以强脱氧元素硼和硅后成为熔点低，能自行脱氧造渣的一类低熔点合金。喷焊层与基体材料的结合是冶金结合。结合强度一般都在392N/平方米，能满足多种条件下的使用要求，喷焊层的组织致密，无法储油，在粘着磨损的条件下并不比普通的铜更耐磨。综合以上的优点和查资料设计手册，将应用在闸板等零件上喷铬材料，以满足刚度的要求。结论 阀门是石油、化工、电站等流体输送系统中的控制部件，具有导流、截止、调节、节流、防止逆流、分流或者溢流卸压等功能。 用于流体控制的阀门，从最简单的截断装置到极为复杂的自控系统，其品种和规格繁多。阀门的公称通径从十分微小的仪表阀，到公称通径达10米、重几十吨的工业管路用阀。本设计的小口径高压气动阀门原理与一般的阀门设计原理相同，设计步骤严格按照正规的程序进行，公式以及标准值均查阅了有关书籍。做到准确无误的计算，在原来阀门的基础上减轻其重量和体积，但功能与原理不变。本次设计之前，我对阀门并没有过多的了解，对整个产品的设计也是一头雾水，可是通过此次设计后，从查资料了解阀门的分类、基本原理、主要功能到结构设计、设计计算，画装配图、实体图、写计算说明书，每一步都学到了不少知识，也在毕业之前把以前学的知识有了一个系统的梳理，将理论与实践相结合起来，更为今后工作打下了基础。虽然设计中还有不少不足之处，但是也是自己努力的结果。总之，对于这样的机会我很珍惜，虽然期间遇到很多困难，可是导师给了我不少帮助，让我一点点完成设计。 谢辞本论文是在吴肇锋老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究方案的确定与完成，直到论文撰写都凝聚着导师的心血与汗水。导师严谨的治学态度，渊博的学识和正直的品德，不断探索的精神，一丝不苟和兢兢业业的工作作风，使我深受教益，并将受益终身。对导师在学业上的教诲，生活上亲人般的关系和在工作中的帮助与支持表示衷心的感谢。还要特别感谢给我很大帮助的姜工。同时感谢各位老师在白忙之中审阅我的论文。最后，限于时间和个人水平，文章中必有不少不妥之处，恳请诸位老师批评指正。参考文献1张春林编 采油技术手册 石油化学工业出版社2沈洪编 机械工程手册 机械工业出版社3研究编写组编 机械设计手册（全套） 化学工业出版社4J.L莱昂斯主编 阀门技术手册 机械工业出版社5赵继宝等编 机制基础 齐鲁音像出版社6洪勉等编 阀门设计计算手册 中国标准出版社7杨源泉主编 阀门设计手册 机械工业出版社8成大先主编 机械工程设计手册（全套）化学工业出版社9邓嵘主编 PRO/E2000 机械工业出版社10金大鹰主编 机械制图 机械工业出版社11朱张校主编 工程材料 清华大学出版社 45轻型小口径高压气动阀设计目录前言 31 概述 41.1 阀门简介 41.2 问题的提出 51.3 解决方案 61.4 阀门的基本性能 82 技术指标和结构设计特点 92.1主要技术指标 92.2 组成、工作原理和设计特点 102.3 阀体组成部分 102.4 运用介质 113 阀门的设计和计算 113.1 设计程度 113.2阀体的设计和计算 123.3 密封面上、环上总作用及计算压比 143.4阀杆强度计算 153.5 头部强度校核 213.6 阀杆稳定性计算 223.7闸板厚度计算 233.8阀盖强度计算 243.9 填料箱计算 264 气动装置的设计计算 284.1确定阀门材料 284.2 活塞推力和拉力计算 284.3 用O型密封圈密封时的摩擦力计算 294.4 壁厚计算 304.5 缸筒变形和活塞杆直径计算 314.6 活塞杆强度计算和缸底厚度计算 324.7 缸体螺纹连接计算 335 材料的选择 356 结论 387 谢辞 398 参考文献 40 前言 轻型小口径高压气动阀是在高压油气井采气井口截断，高压油气井试油试气及压裂快速排液等场所广泛的使用。由于它可以实现远程控制，因而可大大提高高压生产和施工场所的安全性。在设计中综合了以往高压阀的结构特点，并增加了气动装置，以满足远程控制的目的，在内容中，简单介绍了高压气动阀的技术指标和结构特点，并详细设计和计算阀门和气动装置，以满足了高压使用的性能。 此高压气动阀的另一大特点是在减小其体积，减轻其质量上下了很大工夫，使此高压气动阀的搬运性、安装性和安全性都得到了大大的提高，从而为油田的提供了很大的方便。 关键词： 阀门 、 高压 、小口径、 气动、 设计1.概述1.1阀门简介 阀门在国民经济各个部门中都有着广泛的应用，在石油、天然气、煤炭和矿石的开采、提炼加工和管道输出系统中，在化工产品、医药、水电、核电等生产系统中，阀门都起着举足轻重的作用。此外，在国防生产系统中和航天等技术领域里也使用各种性能的阀门。因此，阀门是我国实现四个现代化不可缺少的重要机械产品，它与生产建设、国防建设和人民生活都有着密切的联系。阀门是流体输送系统中的控制部件，具有导流、截流，调节防止倒流、分流或溢流卸压等功能 。阀门安装在各种管路系统中用于控制流体的压力，流向和流量，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，阀们的种类和品种规格非常多，据不完全统计，我国的阀门产品种类已经达到三千多个型号，近三万个规格，随着新的工艺流程和控制要求的的出现，随着现代阀门的技术参数和技术性能的高水平发展需要，随着生产过程日益自动化发展的需要，将会不断提出对阀门新品种的发展需求。为了实现对流体的控制，阀门一般具备以下性能：1）具有良好的抗腐蚀能力2）具有良好的密封性3）防暴防火、可靠耐用4）强度性能5）调节性能6）动作性能7）流通性能对大部分阀门来说，密封性能是首要问题，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失，甚至造成人身死亡，对于高中压气动阀门和安全阀，阀门的安全可靠性也是非常重要的，强度不够或动作不可靠，将会造成本体或系统的破坏，而导致人身伤亡。因此，阀门的流通性能（流阻系数、流量系数）已经得到越来越多人的注意，成为阀门设计者必须重视的问题。阀门的机构虽然千差万别，但基本上都是有驱动装置（自动阀类无）、运动机构、关闭件（或调节元件）、密封件、紧固件和壳体组成。由于其主要零件与流体直接接触，因此在阀门设计时不仅要考虑机械强度、刚度、制造工艺与磨损等问题，还要考虑流体的物理化学作用和流体动力、热力作用产生的问题。目前，高压闸阀按不同方式可分为很多种，如电动闸阀、液控自动闸阀、API磅级闸阀、水封闸阀、保温闸阀、电动铬钼闸阀、美标闸阀、高温高压闸阀、两项流闸阀、高温灰渣闸阀、带吹扫孔闸阀、衬氟闸阀、正齿轮双闸板高压闸阀等。原理也就各不相同，有的是利用堵漏式强制性被动密封，有的是自紧式随机性主动密封。1.2 问题的提出国内现有的手动高压阀多为80年代末引进的技术，由于在施工中，需要人近距离反复启动闸门，十分危险，劳动强度大，由于操作过程中介质外泻，击伤工作人员事故常有发生。另外，由于高压阀使用的环境恶劣，被控介质所含颗粒酸性成分高，加上压力变化幅度大，野外露天使用，给阀门的研制带来许多难度，所以，解决此问题，将会在今后的施工生产中产生良好的经济效益。现行生产、使用的气动闸阀,在工况运行中要克服各种摩擦阻力,尤其是密封面间的静摩擦力,需要施加很大的阀杆轴向力才能达到阀门启动。另外，气动闸阀噪声较大。密封效果是阀门制造的关键要素，密封问题历来是机械行业很难解决的问题。高压截止阀产品曾先后进行过二次大的改进；一次因外漏问题将原上阀体可拆性结构改为焊死的一次性使用结构；另一次为了降低产品价格、缩小体积、减轻重量，采用了非标准的缩u比，即：由标准缩口比大于或等于70 缩小为6O 。但从调查的使用情况看仍存在较严重的漏失、启闭扭矩大、流阻大等问题，直接影响生产。设计应提高气动机构关键密封部位的加工精度,防止微量泄漏。另外,要彻底解决分闸阀锈蚀的问题,应将阀座及锥阀更换为抗氧化性能优良的材质。对气动机构来说,冬季低温时,操动机构箱内必须加温,防止微泄漏后积水结冰将锥阀冻住,造成断路器拒分故障。此外储气罐及管路放水阀部位也必须加温,防止将放水阀冻裂,无法保持压力,从而延长抢修时间。目前国内的高压气动闸阀普遍存在的问题还有就是重量大，体积大，给搬运、安装和维修带来一定的难度。本设计研究的是轻型小口径高压气动阀。重在缩小闸阀体积，减轻闸阀质量，但功能与原理不变，只是在结构方面做一些改动，但是还要满足设计需求，如强度功能等。1.3解决方案针对天然气的生产和需要，在高压油气井采气井口截断，高压油气井试油试气及压裂快速排液等类似的环境下工作的需要，需设计高压气动阀，由于它可以实现远程控制，因而大大提高了高压生产和施工场所的安全性，目前，国内有部分厂家生产高压气动阀，但是规格单一，通经均为DN65，最高压力多为70MPa国内主要稠油开发油田(辽河、胜利 河南、江苏、新疆)使用的阀门，少数从美国引进，绝大多数是国内消化同类进口产品而开发的高压截止阀新产品，现有压力为320 MPa、口径为 50、 65、 8O、 100四种规格产品，每年约有上千台用于各油田。本设计的气动阀，通径为DN20，最高工作压力为105MPa的高压气动阀，它的特点是a. 消除了存在于液压机构的”慢分问题” 绝大部分气动机构分闸采用气动,合闸采用弹簧,分、合闸动力传递的介质不同,所以不会发生工作缸活塞连同断路器的缓慢分闸动作,即慢分问题。b. 避免了微渗漏后的表面脏污，微渗漏是国产开关的老问题,它并不影响产品的性能和使用,但会造成液压机构外表面脏污,影响文明生产。而气动机构的渗漏,不会在机构外表面产生脏污,不会污染环境,由于气体来源于大气,补充时也相当经济。所以气动机构零部件的加工精度要求不很高而气动闸阀本来具有许多优越性,它除有一般闸阀流阻小、流向不受限制等优点外,还有启闭迅速、气动安全、双缸气动保证开启等特点。c.安装,调节简单,操作维护简单.阀体制造也各不相同，有的是砂模制造，有熔模制造，但一般采用熔模制造，因为熔模制造比砂模制造具有更高的透气性，更快更均匀的冷却条件，所以组织更为致密，由于钢液从顶部浇入，有时从冒口直接浇入，浇冒口的位置靠近热节区，为铸件提供了极为有利的顺序凝固条件，热节区得到迅速有利的补缩，所以铸件合格率很高且质量较好。但是本设计用的阀体为锻造.锻造阀体一般都用于小口径阀门,特别是用于公称通径小于或等于DN50高温高压阀门.锻造阀体的优点是质量能保证、组织致密,表面质量好.其缺点是由于流通道采用机械加工(钻空)制成,在孔与孔的过渡区会产生锐角过渡面,造成流阻大,且易产生紊流,介质对阀体侵蚀大;锻件截面与铸件截面相比较不均匀性更大，因此在壁厚处所产生的热应力很大,特别是在高温场合,常会在流道的锐角处发生开裂,并且锻造阀体利用率较低.但丛经济的角度来看,锻造适合与小口径的阀门.1.4 阀门的基本性能阀门的各项基本性能是衡量阀门设计水平和加工质量的主要指标。阀门的基本性能指标如下：1.4.1 强度性能是指阀门承受介质压力的能力。阀门是承受压力的机械产品，因而必须有足够的强度和刚度。以保证长期使用而不发生破裂或产生变形。1.4.2 密封性能是指阀门的密封不见阻止介质泄漏的能力，它是阀门最重要的性能指标。阀门的密封部件有两处起闭件与阀座密封面间的接触，填料与阀杆和添料的配合处，其中前一处的泄漏叫内漏，也就是通常说的关不严。它将影响阀门截断介质的能力。后一处的泄漏叫外漏，即介质从阀内泄漏到到阀外。它影响文明生产造成物料损失，污染环境，严重时还会造成事故，对于像天然气这种易燃、易爆，有毒或者有放射性的介质，外漏更不允许的，因而阀门必须具有良好可靠的密封性能。1.4.3 流阻性能 介质流过阀门后会产生压力损失，也就是阀门对介质的流动有一定的阻力，介质为克服阀门的阻力就必须要消耗一定的能量。从节约能源上考虑，设计和制造时，要尽可能降低阀门对流体介质的阻力。1.4.4 动作性能1.4.4.1启闭力和启闭扭矩指阀门开启或关闭所必须施加的作用力或力矩。关闭阀门时，需要使启闭件与阀座两密封件形成一定的密封比压。同时还要克服阀杆与填料之间及其它摩擦部件的摩擦力。因而必须施加一定的关闭力和关闭力矩。阀门在启闭过程中，所需要的启闭力和启闭力矩是变化的，其最大值是在关闭的最终瞬时或开启的最初瞬时。设计和制造阀门时应力求降低其关闭力和关闭力矩。1.4.4.2 启闭速度启闭速度是用阀门完成一次开启或关闭动作所需要的时间来表示，一般对阀门的启闭速度无严格要求，但有些工况对启闭速度有特殊要求。1.4.4.3 动作灵敏度和可靠性指阀门多介质参数变化做出相应反应的敏感程度。对于特定功能的阀门来说，其动作灵敏度和可靠性是十分重要的性能指标。1.4.4.4 使用寿命它表示阀门的耐用程度。是阀门的重要性能指标，并且有很大的经济意义。通常的能保证密封要求的启闭次数来表示，也可以用时间来表示。2. 技术指标和结构设计特点2.1 主要技术指标 1.公称通径：DN202.最高工作压力：105MPa3.气控压力：0.8MPa4.连接形式：螺纹连接 5.材料：阀体、阀板、气缸等材料为35CrMo6.控制装置:活塞式汽缸7.阀门型号:Z613H1050Q2.2 组成高压气动阀阀门上端设计采用活塞式气压控制器,下端采用非楔式单闸板阀的结构而组成,主要功能是启闭介质流的通道,与楔式闸阀相比, 无楔紧力与密封有关的力在启闭运动方向的分力为0，所以启闭该阀灵活省力。2.3 工作原理在启闭气压泵源的条件下，通过改变活塞汽缸上气流的大小和方向，便可以改变介质的流动方向，从而可使汽缸活塞上下运动，实现闸阀的开闭。2.4 设计特点天然气具有易燃，易爆特性且地下开采出来的天然气大量为高压和含硫化氢的有毒气体，所以根据该阀门的使用环境，除了要求具有较好的抗腐蚀能力及严格密封性能外，而且还要求具有防爆、防火、可靠耐用等特点，所以，在高压气动阀设计中，主要围绕以上的指标进行。2.5 阀体组件部分阀体组件的设计将参考国内外单闸阀的工作原理，通过金属阀板和金属阀座平面之间的贴合，借助封脂并在介质的作用下，实现浮动密封，密封腔内任何时候都要承受气压力，阀盖与阀体采用螺栓连接。在阀体、阀板、阀座、阀杆、汽缸等主要零件的材料和工艺处理上，将均按照石油部有关规定进行设计。2.6 适用介质天然气、人工煤气、液化石油、压裂液及其它无腐蚀性的气体。3.阀门的设计与计算3.1 设计程序阀门作为管道系统中的一个重要组成部分，应保证安全可靠的执行管道系统对阀门提出的使用要求。因此，阀门设计必须满足工作介质的压力温度及制造、安装等方面对阀门提出的主要要求。阀门设计明确给定技术数据，即“设计任务书”在此基础上方可正确完成设计。机械产品，包括阀门产品的设计程序，目前世界各国基本上采用典型的“三段设计法”，即设计程序被划分为：初步设计、技术设计、工作图设计三个阶段。3.1.1 初步设计初步设计是为研究，确定产品最佳方案而进行的工作。初步设计又称为“方案设计”和编制技术阶段任务等。初步设计阶段的工作内容为： 编制“技术任务书”； 绘制产品方案略图和草图；3.1.2 技术设计技术设计是根据已批准的初步设计进一步设计，计算产品及其组成部分的结构，并绘制产品总图及主要部件装配图。技术设计的工作内容是： 绘制产品总图及主要零部件； 完成设计计算书3.1.3 工作图设计工作图设计是根据技术绘制全部工作图样编制必须的技术文件，工作图阶段的工作内容为： 编写设计文献目录和图样目录； 编写明细表； 绘制零件图、部件图和总装配图；3.2 阀体的设计与计算阀体是阀门中最重要的零件之一，阀体的重量通常占整个阀门的总重量的70%左右。阀体的主要功能有： 作为工作介质的流动通道； 承受工作介质压力、温度、冲蚀和腐蚀； 在阀体内部构成一个空间，设置阀座，以容纳启闭件、阀杆等零件； 在阀体端部设置连接结构，满足阀门与管道系统安装使用要求； 承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中因湿度变化、振动、水击等影响所产生的附加载荷； 作为阀门总装配的基础。3.2.1 阀体壁厚计算 对于钢制高压阀门的阀体壁厚，一般按照下列公式计算：C式中：阀体外径与内径之比.按下列式中计算:式中：-材料的许用应力取 与 两者中较小值。和 分别为常温下材料35CrMo的强度极限和屈服极限（MPa）和分别为以为强度指标的安全系数和以为强度指标的安全系数。取 = 4.25 = 2.3查手册可查得材料为35CrMo的抗拉强度 和屈服极限强度 = 980 MPa = 835 MPa则有： = = 230.588 = = 363.04因 则取 = 230.588 为已知 P = 105 MPa DN = 20 mm = =1.87C查手册可得：C=2 C=100.87+2=10.7实际阀体的壁厚取 结论：为合格3.3 密封面上、环上总作用力及计算比压计算密封面上的总作用力密封面外介质作用力 设计中密封面内径 =42 密封面宽度为 = 12压力为P=105MPa = =381133.2密封面上的密封力:查阀门设计计算手册P4-P10可查得： =6.24密封面上密封力 =15988.4密封面上总作用力为 =381133.2+15988.4 =397121.6(N)密封面计算压比： =154.99查手册得：=300所以则有：q结论：q 为合格3.4 阀杆强度核算计算关闭时阀杆总轴向力 开启时阀杆总轴向力 式中：密封面处介质作用力（N）密封面上密封力（N）阀杆径向截面上介质作用力（N） 阀杆与增料摩擦力(N) 为系数. 查手册:阀杆最大轴向力取 及 中较大值.查阀门设计计算手册表431可查得: =0.15 =0 =0.25 =0 上述已计算的有: =381133.2(N) =397121.6(N)阀杆径向截面上介质作用力: 式中: 阀杆直径(mm) P压力 ( MPa)且 =36 mm P =105 MPa =106822.8(N)阀杆与增料摩擦力 系数. 查表阀门设计手册412查得:按 查有-填料深度 填料密度 且 =30 =6则有: =5查得: =1.60则: =36288 （N）则关闭阀杆总轴向力 = 200334.96 N开启时阀杆总轴向力: =24694.32 N和 进行比较有 则阀杆最大轴向力取 则有=200334.96(N)轴向应力 按退刀槽处查表计算式中:关闭时阀杆总轴向力开启时阀杆总轴向力 阀杆最小截面积且 = 200334.96 N =24694.32 N则有 =32 MPa =39 MPa扭应力公式中：关闭时阀杆摩擦力矩阀杆最小断面系数而 式中：半径。查表413得=0.346查表414得：=4.5则有 =154.03 MPa合成应力=36.95查手册，查材料35GrMo许用拉应力许用压应力许用扭应力许用合应力则有： 结论：1. 、 、 、 合格。2.工作压力随工作温度而改变的比值比相应温度下材料许用应力改变的比值为大，故不进行高温核算。3.5 头部强度校核剪应力 式中：阀杆与填料摩擦力开启上阀杆总轴向力设计尺寸设计尺寸=36288=24694.32 N=12 =30 则剪应力 =16.10 MPa又因 =105 MPa 有： 结论：1. 合格。2.工作压力随工作温度而改变的比值相应温度下材料的许用应力改变的比值大，故不进行高温核算。3.6 阀杆的稳定性计算阀杆的柔度（细长比）的计算式式中：阀杆的柔度阀杆的计算长度（阀杆螺母至阀杆端部或阀杆凸偏至下端阀杆阀的长度阀杆的螺纹半径。对于圆形截面与阀杆两端支承状况有关的长度系数查表得： =0.7则阀杆的柔度=211.56因 则按下式计算阀杆的稳定： 式中：阀杆材料的弹性系数柔性度系数。查得=2.5则阀杆的稳定性有 =16.67则为合格。3.7 闸板厚度核算3.7.1 计算厚度式中： 系数。可查手册，查得K=0.75P压力（MPa） P=105 MPa许用弯应力 查得 =120MPaC查手册得 C=2则有 =18.2又因设计 =20则有 结论：1. 为合格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而制定的，故不进行高温核算。3.8 阀盖强度验算计算拉应力式中：压力（MPa） P=105 MPa计算内径 =70.578实际厚度 =13C腐蚀余量 C=2关闭时阀杆总轴向力且 P=105 MPa =70.578=13 C=2=24694.32（N）则有拉应力 =168.72剪应力式中：P压力（MPa） P=105 MPa关闭时阀杆总轴向力厚度 =13C腐蚀余量 C=2 则有： =281.27结论：1. 、 为合格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而制定的，故不进行高温核算。3.9 填料箱计算操作下总作用力 最小预紧力密封面上总作用力 取或中的较大值密封面处总作用力 =337784.04 （N） 是密封面上密封中的公式。式中： =39.28则 =110567.99则 =448448.03必须预紧力 =350197.91 N对 和 比较，则有 则操作下总作用力比最小预紧力大。密封面上总作用力：=448448.03（N）密封面计算比压： =182.07 密封面许用比压： 查得 =835 剪应力为其中： 有： 查手册得： =1.6则 =185781.22 （N） =136.89 因 =190 所以 结论：1. 为合格2. 合格4. 气动装置的设计计算4.1 确定阀门材料选用材料为，锻造阀体。4.2 活塞的推力和拉力计算推力： 拉力： 式中： 活塞的推力 （N） 活塞的拉力 （N） 活塞杆直径 （mm） 活塞直径 （mm） 气源压力 考虑摩擦阻力影响引入的系数取=0.8推力 =6302 (N )拉力 =7063.7(N )汽缸行程为60 全程195 4.3 用O型密封圈密封时的摩擦力油缸内总的摩擦力 =4.15 ( )4.4 壁厚计算缸筒壁厚当 3.2时则有： 式中： 强度系数（当为无缝钢管时 =1） C计入壁厚公差及腐蚀的附加壁厚又因: 缸体材料的抗拉强度 安全系数 =5 =980 =196 (N)则有： =2.5缸筒壁厚按计算公式算出后，一般还要根据具体情况适当加厚，这里查表 11123取10。4.5 缸筒变形计算承受内压的薄壁缸筒,其内径的伸长量可有下式求得: 式中： 缸筒内径的伸长量 () 缸筒内径 () 缸筒外径 () 缸筒内油压力 材料的弹性模数 泊松系数 则有: =0.86 4.6 活塞杆直径计算无速度比计算： =36 4.7 活塞杆强度计算活塞杆在稳定工作情况下，如果仅受轴向拉力或压力载荷时，便可以近似地采用直杆承受拉、压载荷的简单强度公式进行计算。活塞杆应力 式中； 活塞杆所承受的轴向载荷 活塞杆直径 许用应力 变形则有： 7.2 4.8 缸底厚度计算 式中： 缸底壁厚 油缸内径 缸内最大油压 缸底材料许用应力则有： 20.45 ()取 =25 4.9 缸体螺纹连接计算缸体与端部都用螺纹连接上螺纹处的计算如下：螺纹处的拉应力 螺纹处的剪应力 合成应力 许用应力 式中： 油缸最大阻力（N） 油缸内径 螺纹直径 螺纹内径 拧紧螺纹的系数 K=1.5 螺纹连接的摩擦系数 =0.12 缸体材料的屈服极限 安全系数 取 =2.5则有拉应力为 =0.41 剪应力为 =1.990 ()合成应力为 =3.497 则合格。许用应力为: =334 ( )5材料选择5.1 阀体、阀板等材料选用35GrMo(具体见装配图)35GrMo特性高温下具有高的持久温度和蠕变强度,低温韧性好,工作温度可高达500摄氏度,低温可至-110摄氏度,淬透性良好,无过热倾向,淬火变形小,冷变形是塑性尚可,切削性能中等.但有第一类回火脆性,焊接性不好,如果须焊接用时,焊前预热至150-400摄氏度,焊后处理消除应力.一般在调质处理后使用,也可在高温中频表淬或淬火及低温回火后使用.用于制造承受冲击、弯曲高载荷的各种机器中的重要零件.5.2 密封材料 密封要求其具有较好的耐油、耐水、耐磨、耐热等性能,同时要求基本有足够的强度和良好的弹性,还要求能耐酸、碱或其他化学药品的性能,常用的基本聚合物有:氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、异丁橡胶等.
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