XYY01-149@轻型小口径高压气动阀设计
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机械毕业设计全套
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XYY01-149@轻型小口径高压气动阀设计,机械毕业设计全套
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1 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 nts 2 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 nts 3 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 nts 4 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 ： nts 5 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nts 6 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nts 7 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nts 8 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 32 0 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nts 9 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 nts 10 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。 nts 11 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： DN20 2.最高工作压力 ： 105MPa 3.气控 压力： 0.8MPa 4.连接形式：螺纹连接 5.材料：阀体、阀板、 气 缸等材料为 35CrMo 6.控制装置 :活塞式汽缸 7.阀门型号 :Z613H 1050Q nts 12 2.2 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。 nts 13 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； nts 14 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； nts 15 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： NB0DS K 12 C 式中：0K 阀体外径与内径之比 . 按下列式中计算 : 0k 3 P 式中： -材料的许用应力取bbn 与 ssn 两者中较小值。 b和s分别为常温下材料 35CrMo的强度极限和屈服极限（ MPa） bn和sn分别为以b为强度指标的安全系数和以s为强度指标的安全系数。 取 bn= 4.25 sn= 2.3 查手册可查得材料为 35CrMo的抗拉强度 和屈服极限强度 b= 980 MPa s= 835 MPa nts 16 则有： bbn = 980425 = 230.588 ssn = 8352.3 = 363.04 因 bbn ssn 则取 bbn = 230.588 为 已知 P = 105 MPa DN = 20 mm 0k 3 P = 2 3 0 . 5 8 82 3 0 . 5 8 8 3 1 0 5=1.87 NB0DS K 12 C 查手册可得： C=2 NB0DS K 12 C 20 1 . 8 7 1 22 =10 0.87+2 =10.7 实际阀体的壁厚取 11BS 结论： BSBS为合格 3.3 密封面上、环上总作用力及计算比压计算 nts 17 密封面上的总作用力 M Z M J M FQ Q Q密封面外介质作用力 24M J M N MQ D b P设计中密封面内径 MND=42 密封面宽度为 Mb= 12 压力为 P=105MPa 24M J M N MQ D b P= 24 2 1 2 1 0 54 =381133.2 密封面上的密封 力 : M F M N M M M FQ D b b q 查阀门设计计算手册 P4-P10可查得： 9NP 12mb 14 0 . 6 NmmPqb 4 0 . 6 912=6.24 密封面上密封力 nts 18 M F M N M M M FQ D b b q 4 2 1 2 1 2 6 . 2 4 =15988.4 密封面上总作用力为 M Z M J M FQ Q Q=381133.2+15988.4 =397121.6(N) 密封面计算压比： MZ M N M MQq D b b 3 9 7 1 2 1 . 6 4 2 1 2 1 2 =154.99 查手 册得： q =300 所以则有： q q 结论：MFq q q 为合格 3.4 阀杆强度核算计算 关闭时阀杆总轴向力 12F Z M J M F P TQ K Q K Q Q Q 开启时阀杆总轴向力 34F Z M J M F P TQ K Q K Q Q Q 式中： nts 19 MJQ 密封面处介质作用力（ N） MFQ 密封面上密封力（ N） PQ 阀杆径向截面上介质作用力（ N） TQ 阀杆与增料摩擦力 (N) 1K4K为系数 . 查手册 : 阀杆最大轴向力FZQFZQ取FZQ及FZQ中较大值 . 查阀门设计计算手册表 4 31可查得 : 1K=0.15 2K=0 3K=0.25 4K=0 上述已计算的有 : MJQ=381133.2(N) MFQ=397121.6(N) 阀杆径向截面上介质作用力 : 2 .4PFQ d P式中 : Fd 阀杆直径 (mm) nts 20 P 压力 ( MPa) 且 Fd=36 mm P =105 MPa 2 .4PFQ d P23 6 1 0 54 =106822.8(N) 阀杆与增料 摩擦力 .T F TQ d b P 系数 . 查表阀门设计手册 4 12查得 : 按TThb 查有 Th -填料深度 Tb 填料密度 且 Th=30 Tb=6 则有 : TThb =5 查得 : =1.60 则 : .T F TQ d b P1 . 6 0 3 6 6 1 0 5 =36288 （ N） nts 21 则关闭阀杆总轴向力 12F Z M J M F P TQ K Q K Q Q Q 0 . 1 5 3 8 1 1 3 3 . 2 0 1 0 6 8 7 6 . 9 8 3 6 2 8 8 = 200334.96 N 开启时阀杆总轴向力 : 34F Z M J M F P TQ K Q K Q Q Q 0 . 2 5 3 8 1 1 3 3 . 2 0 1 0 6 8 7 6 . 9 8 3 6 2 8 8 =24694.32 N FZQ和FZQ进行比较有 FZQ FZQ则阀杆最大轴向力取FZQ则有 FZQ=FZQ=200334.96(N) 轴向应力 FZL SQ F FZLSQ F SF按退刀槽处TF查表计算 式中 : FZQ 关闭时阀杆总轴向力 FZQ 开启时阀杆总轴向力 SF 阀杆最小截面积 nts 22 且 FZQ= 200334.96 N FZQ=24694.32 N 则有 FZYSQ F =32 MPa FZLSQ F =39 MPa 扭应力 FLNSM W 公式中： FLM 关闭时阀杆摩擦力矩 SW 阀杆最小断面系数 而 FZFL FMM Q R式中： FMR 半径。查表 4 13得 FMR=0.346 SW 查表 4 14得： SW=4.5 则有 nts 23 FLNSM W FZ FMSQRW 0 . 3 4 6 2 0 0 3 3 4 . 9 64 . 5=154.03 MPa 合 成 应力 2 2 24Y L N 或 23 2 1 0 4 . 9 4 8 5 3 0 . 4 7 =36.95 查手册，查材料 35GrMo 许用拉应力 295L 许用压应力 3 1 5 M P aY 许用扭应力 1 9 0 M P aN 许用合应力 3 6 5 M P a 则有： L LY Ynts 24 N N 结论 ： 1.L L、Y Y、 N N、 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 2F Z TQQ bh 式中 ： TQ 阀杆与填料摩擦力 FZQ 开启上阀杆总轴向力 b 设计尺寸 h 设计尺寸 TQ=36288 FZQ=24694.32 N h =12 mm b =30 mm 则剪应力 2F Z TQQ bh nts 25 3 6 2 8 8 2 4 6 9 4 . 3 2 2 3 0 1 2 =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 FLi 式中： 阀杆的柔度 FL 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 i 阀杆的螺纹半径。对于圆形截面4Fdi 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 FLi nts 26 4FFL d 0 .7 2 7 2 364=211.56 因 2则按下式计算 阀杆的稳定： Y 22zn 式中： Z 阀杆材料的弹性系数 柔性度 n 系数。查得 n =2.5 则阀杆的稳定性有 Y 22zn 2521 .8 9 1 02 .5 2 1 1 .5 6 =16.67 则为合格。 3.7 闸板厚度核算 3.7.1 计算厚度 nts 27 2 0 2B WKPS 式中： K 系数。可查手册 ，查得 K=0.75 P 压力（ MPa） P=105 MPa W 许用弯应力 查得 W =120MPa C 查手册得 C=2 则有 2 0 2B WKPS 0 . 7 5 1 0 52 0 2120 =18.2 又因设计 BS=20 则有 BS BS结论： 1.BS BS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 4 n FZL B n BPD QS C D S C nts 28 式中： P 压力（ MPa） P=105 MPa nD 计算内径 nD=70.578 BS 实际厚度 BS=13 C 腐蚀余量 C=2 FZQ 关闭时阀杆总轴向力 且 P=105 MPa nD=70.578 BS=13 C=2 FZQ=24694.32（ N） 则有拉应力 4 n FZL B n BPD QS C D S C 1 0 5 7 0 . 5 7 8 2 4 6 9 4 . 3 54 1 3 2 1 0 5 7 0 . 5 7 8 1 3 2 =168.72 剪应力 4 r F ZL B r BP d QS C P d S C 式中： P 压力（ MPa） P=105 MPa nts 29 FZQ 关闭时阀杆总轴向力 BS 厚度 BS=13 C 腐蚀余量 C=2 则有： 4 r F ZL B r BP d QS C P d S C 1 0 5 1 1 7 . 2 5 5 2 0 0 3 3 4 . 9 64 1 3 2 1 0 5 1 1 7 . 2 5 5 1 3 2 =281.27 结论： 1. L L、 L L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 TTM J M FQ Q Q 最小预紧力 TYJQQ 密封面上总作用力MZQ取 Q 或 Q 中的较大值 密封面处 总 作用力 24T T TM J M N MQ D b P nts 30 25 0 1 4 1 0 54 =337784.04 （ N） T T T TM F M N M M M ZQ D b b q 是密封面上密封中的公式 。 式中： MT TMnpq b 1 .4 1 0 514=39.28 则 T T T TM F M N M M M ZQ D b b q 5 0 1 4 1 4 3 9 . 2 8 =110567.99 则 TTM J M FQ Q Q 3 3 7 7 8 4 . 0 4 1 1 0 5 6 7 . 9 9 =448448.03 必须预紧力 T T T TY J M N M M Y JQ D b b q K P 5 0 1 4 1 4 1 4 2 . 1 8 1 =350197.91 N 对 TYJQ和 Q 比较，则有 TYJQ Q nts 31 则操作下总作用力比最小预紧力大 。 密封面上总作用力 ： MZQ=Q =448448.03（ N） 密封面计算比压 ： MZT T TM N M MQq D b b 4 4 8 4 4 8 .0 45 0 1 4 1 4 =182.07 MPa 密封面许用比压 ： 0.8sq 查得 s=835 MPa 剪应力为 YTm pNQ Dh 其中 ： 224Y T W n TQ D D q有 ： TQP查手册得 ： =1.6 则 224Y T W n TQ D D q 225 2 3 6 1 . 6 1 0 54 =185781.22 （ N） YTNQ Dh nts 32 1 8 5 7 8 1 . 2 2 3 6 1 2 =136.89 MPa 因 =190 MPa 所以 结论： 1.YJq q q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 35GrMo ，锻造阀体。 4.2 活塞的推力和拉力计算 推力： 24TSF D P 拉力： 224LSF D d P式中： TF 活塞的推力 （ N） LF 活塞的拉力 （ N） d 活塞杆直径 （ mm） D 活塞直径 （ mm） nts 33 SP 气源压力 考虑摩擦阻力影响引入的系数取 =0.8 推力 24TSF D P 21 1 2 0 . 8 0 . 84 =6302 (N ) 拉力 224LSF D d P 221 1 2 3 6 0 . 84 =7063.7(N ) 汽缸行程为 60 mm 全程 195 mm 4.3 用 O型密封圈密封时的摩擦力 油缸内总的摩擦力 0.03pP密0.03 105 =4.15 (MPa ) 4.4 壁厚计算 缸筒壁厚当 D 100 1010 3.2时 则有： .2 . 3 PD CP 式中： 强度系数（当为无缝钢管时 =1） nts 34 C 计入壁厚公差及腐蚀的附加壁厚 又因 : bn b 缸体材料的抗拉强度 n 安全系数 n =5 b=980 MPa bn 9805=196 (N) 则有： .2 . 3 PD CP 0 . 8 1 0 0 22 . 3 1 9 6 0 . 8 1 =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 11 123取 10mm 。 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 : nts 35 22 1221 1 2 1PDD D DZ D D 式中： D 缸筒内径的伸长量 (mm ) D 缸筒内径 (mm ) 1D 缸筒外径 (mm ) P 缸筒内油压力 Z 材料的弹性模数 泊松系数 则有 : 22 1221 1 2 1PDD D DZ D D 2280 . 8 1 0 0 1 2 0 . 3 1 0 0 1 0 . 3 1 2 02 . 1 1 0 =0.86 mm 4.6 活塞杆直径计算 无速度比计算 ： 1135dD=36 mm 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。 nts 36 活塞杆应力 24Pd 式中； P 活塞杆所承受的轴向载荷 d 活塞杆直径 许用应力 24Pd 变形则有 ： d 4pmm 4 0.8196 7.2 mm 4.8 缸底厚度计算 0 .4 3 3 PD 式中： 缸底壁厚 D 油缸内径 P 缸内最大油压 缸底材料许用应力 nts 37 则有： 0 .4 3 3 PD 0 . 80 . 4 3 3 1 0 0196 20.45 (mm ) 取 =25 mm 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 2214KPdD 螺纹处的剪应力 103310 .2K K P ddD 合成应力 223n 许用应力 Sn 式中： P 油缸最大阻力（ N） D 油缸内径 nts 38 0d 螺纹直径 1d 螺纹内径 K 拧紧螺纹的系数 K=1.5 1K 螺纹连接的摩擦系数 1K=0.12 S 缸体材料的屈服极限 n 安全系数 取 n =2.5 则有拉应力为 2214KPdD 2221 . 5 0 . 8 1 0 041 1 2 1 0 04 =0.41 MPa 剪应力为 103310 .2K K P ddD 2330 . 1 2 1 . 5 1 0 0 1 1 440 . 2 1 1 2 1 0 0 =1.990 (MPa ) 合成 应力为 223n nts 39 220 . 4 7 3 1 . 9 9 =3.497 则合格 。 许用应力为 : Sn 8352.5=334 (MPa ) 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nts 40 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nts 41 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
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