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井下 圆柱 正弦 减速器 设计 说明书 CAD

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长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 井下圆柱正弦活齿减速器设计 院 （系） 机械工程学院 专 业 班 级 装备10901班 学 生 姓 名 曾运运 指 导 教 师 黄天成 辅 导 教 师 黄天成 开题报告日期 2013年4月 III题目来源液压式平板闸阀设计学 生： 彭杨 机械工程学院指导教师： 张先勇 机械工程学院1 题目来源该题目来自于生产社会实际2 研究目的和意义闸阀是指关闭件，即闸板的运动方向与流体运动方向垂直的阀门，在管路中主要作为切断介质用，闸阀只能全开或全闭，不能调节和节流。它可以适用低温低压，也可以适用于高温高压，并可根据阀门的不同材质用于各种不同的介质。闸阀主要应用于石油、天然气的开采提炼加工和管道输送系统中，化工产品、医药和食品生产系统中，水电、火电和核电的电力生产系统中，城市和工业企业的给排水、供热和供气系统中，农田灌溉系统中，冶金生产系统中，国防生产系统和航天等新技术领域中等。因此，它是我国实现四个现代化不可缺少的重要机械产品，与生产建设、国防建设和人民生活都有着密切的联系。闸阀作为流体输送系统中的控制部件，与其它类型阀门相比，主要优点有：流体阻力小，密封面受介质的冲刷和侵蚀小；开闭较省力；介质流向不受限制，不扰流、不降低压力；形体简单，结构长度短，制造工艺性好，适用范围广。由于闸阀具有许多优点，因此适用范围很广。通常DN50mm的管路作为切断介质的装置都选用闸阀。闸阀亦有一些缺点，主要是：密封面之间易引起冲蚀和擦伤，维修比较困难；外形尺寸较大，开启需要一定的空间，开闭时间长；结构较复杂。本次毕业设计，是运用所学知识和利用参考文献，设计一种“液压式平板闸阀”。通过这次设计过程，来锻炼自己运用所学知识的能力，将理论联系实际，在实际应用当中进一步巩固和开拓知识面，同时通过查找资料，锻炼自学能力，为将来的进一步学习和工作打下基础。3 阅读的主要参考文献及资料名称1 机械设计手册编委会. 机械设计手册K. 3版. 北京：机械工业出版社，2004.第1页（共16页）液压式平板闸阀设计2 宋虎堂等. 阀门选用手册K. 北京：化学工业出版社，2007.3 陆培文. 阀门设计计算手册K. 2版. 北京：中国标准出版社，2009.4 黄日新. 工业专用阀门手册K. 北京：机械工业出版社，1997.5 杨源泉. 阀门设计手册K. 北京：机械工业出版社，1992.6 J.L.莱昂斯. 阀门技术手册K. 袁玉求，张洪文，吴树济等译. 北京：机械工业出版社，1991.7 叶春年，殷道成. 单闸板平板闸阀的研究与设计J. 阀门，2005（02）：46.8 孙荣权，于冬，刘勇. 复合密封式平板闸阀的参数化设计J. 阀门，2002（04）：2223.9 李艳，魏云平. 基于流体动力学的平板闸阀有限元分析J. 煤矿机械，2008，29（06）：7981.10 席本强. 基于有限元分析的液压闸阀改型设计J. 科技信息，2007（24）：208210.11 韩兵奇.平板闸阀的结构改进J. 阀门，2004（04）：43.12 刘峰. 双闸板平板闸阀的设计J. 阀门，2004（02）：78.13 叶春年，林瑞义. API 6D平板闸阀的设计J. 阀门，2007（04）：1416.14 陈银忠，陈雪堂，李皓，陈小红. 平板闸阀密封结构的改进J. 阀门，2005（3）：3738.15 李真，王文元. 双密封液动平板闸阀J. 阀门，2002（03）：1415.16 陈大江. 液动平板闸阀的设计与探讨J. 阀门，2008（04）：1314.17 程建军，刘光凡，郭跃武，唐小川. 阀门结构改进J. 阀门，1999（01）：3132.18 苏庆华，许金海，刘峰. 闸阀密封结构改进J. 阀门，2011（03）：4245.19 Hatfield,W.H and J.P.Sass. Development of A Cryogenic Gate Valve with Robust Sealing. API Conference Preceedings，200820 Pittman,J.L and P.B.OConnor. A Minimun Thickness Gate Valve with Integrated Ion Optics for Mass Spectrometry. J Am Soc Mass Spectrom，2005：16，441445.21 Sevastyanikhin,G.I and S.A.Makhmutov. Main Directions and Dvelopmental Prospects of Gate Valve Designs. Khimicheskoe I Neftyanoe Mashinostroenie，1992：4，36.22 Parks,Sean C and Lawrence J.H.Schulze. The Effect of Valve Wheel Size,Operation 第2页（共16页）国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向Position and In-line Pressures on Required Torque for Gate Valves. Process Safety Progress，1998：17.23 Paul Cousens,Chas Jandu and Antony Francis. Fitness for Purpose Assessment of 8” Diameter Wagi Gate Valves for Operation at An Uprated Pressure. Proceedings of IPC，2008.24 K Punitharani,N Murugan and S M Sivagami. Finite Element Analysis of Residual Stresses and Distortion in Hard Faced Gate Valve. Journal of Scientific&Industrial Research，2010：69，129134.25 Y.Sayad-Yaghoubi,J.Rucinski and O.Sanjurjo. High Temperature Gate Valve: Operation and Maintenance. Practical Failure Analysis，2003：3(2).4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1闸阀种类及结构特点闸阀种类，按密封面配置可分为楔式闸板式闸阀和平行闸板式闸阀，楔式闸板式闸阀又可分为：单闸板式、双闸板式和弹性闸板式；平行闸板式闸阀可分为单闸板式和双闸板式。按阀杆的螺纹位置划分，可分为明杆闸阀和暗杆闸阀两种。按驱动方式划分，可分为手动、气动、电动、液动和电液联动。4.1.1 常见闸阀种类（1）平板闸阀的优点是阻力小，不缩口的其流阻与短直管的流阻相仿。带导流孔的平板闸阀安装在管路上还可直接用清管器进行清管。由于闸板是在两闸座面上来回滑动，因此平板闸阀也适用于带悬浮颗粒的介质。平板闸阀的缺点是当介质压力低时，金属密封面的密封力不足以达到满意的密封。相反，当介质压力高时，如果密封面不用系统介质或外来介质润滑，经常启闭，就可能使密封面磨损。而且闸板在切断高速和高密度介质流时，会产生剧烈振动。平板闸阀适用于以下场合：石油、天然气输送管线；成品油的输送管线和贮存设备；石油、天然气的开采井口装置，也就是采油树用阀；带有悬浮颗粒介质的管道；城市煤气输送管线；自来水工程。（2）楔式单闸板闸阀结构较弹性闸板阀简单，在较高温度下，密封性能不如弹性闸板阀或双闸板阀好，适用于易结焦的高温介质。第3页（共16页）液压式平板闸阀设计（3）弹性闸板闸阀是楔式单闸板阀的特殊形式。与楔式闸阀比较，在高温时，密封性能好，且闸板在受热后不易被卡住；适用于蒸气、高温油品及油气等介质，并适用于开关频繁的部位。不宜用于易结焦的介质。（4）双闸板式闸阀密封性较楔式闸阀好，如密封面的倾斜角度和阀座配合不十分准确时，任具有较好的密封性。闸板密封面磨损后，将球面顶心底部的金属垫换为较厚的即可使用，一般不必堆焊和研磨密封面，这点单闸板、弹性闸板难以做到。零件较其他形式的闸阀多。除适用于蒸气、油品等介质外，还适用于开关频繁的部位及对密封面磨损较大的介质，不宜用于易结焦的介质。（5）平行式闸阀密封性较其他形式闸阀差。适用于温度及压力较低的介质。除在两块闸板上装有固定板的闸板不易脱落外，凡用铅丝固定两块闸板的闸板易脱落，使用不可靠。闸板及阀座的密封面的加工及检修比其他形式的闸阀简单。4.1.2 平板闸阀类型（1）刀形平板闸阀：图1所示为刀形平板闸阀。该阀是用于泥浆和纤维材料介质中。这种阀门它靠可以切割纤维材料的刀刃形闸板来切断这些介质，阀体实际上不存在腔室，闸板在侧面导向槽内升降，并由底部的凸耳紧压在阀座上，如需达到较高的介质密封性时，也可使用O形密封圈阀座。图1 刀形平板闸阀 图2 手动楔式双闸板平板闸阀第4页（共16页）国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向（2）双闸板无导流孔平板闸阀：图2所示的结构为依靠楔面撑开两块闸板，使之与阀座很好的密封，阀座与阀体的连接有两种形式，一种为撑开式，靠胀开的力固接；一种为焊接式，把阀座焊接在阀体上。图3所示的结构为依靠弹簧把两闸板沿水平方向撑开，和固定的阀座保证阀门的密封，阀座用焊接的方法牢固地焊接在阀体上。该阀门带有上密封结构，使开启状态填料不承受介质压力。图3 手动撑开式双闸板平板闸阀 图4 单闸板无导流孔平板闸阀（3）单闸板无导流孔平板闸阀：图4所示为单闸板无导流孔平板闸阀。该阀采用阀座顺流浮动。弹簧预紧自动密封结构，启闭力小，工作压力越高，密封性能越好。闸板与阀座的密封有金属密封和软、硬双重密封两种，金属密封设有自动注入密封脂机构，介质可双向流动。主要零件材料为碳素钢、不锈耐蚀钢、合金钢。连接形式为法兰连接。本阀适用于石油、石油产品、天然气、煤气、化工、环保等输送管线及放空系统和油、气储存设备上作启闭装置。（4）双闸板有导流孔平板闸阀：图5所示为双闸板有导流孔平板闸阀。它依靠固定在阀体上的阀座和两块楔形对楔形的闸板保持密封。在整个启闭过程中闸板始终不脱开阀座密封面，使介质不致掉入阀体下腔内。吹扫管可清除阀体内的脏物。两块楔式闸板依靠其上的三个销钉和挂钩连接在一起。该阀的阀座靠压合牢固地固定在阀第5页（共16页）液压式平板闸阀设计体上。本阀门连接形式为法兰连接。本阀门可适用在石油、天然气管线上，亦可在全开状态下进行清扫管线。图5 手动双闸板带导流孔升降杆平板闸阀图6 有导流孔升降杆平板闸阀（5）单闸板有导流孔平板闸阀：图6和图7所示为单闸板有导流孔平板闸阀。该种平板闸阀的阀座是浮动的。有两种不同的材料，一种是高弹性体的合成橡胶或聚四氟乙烯，另一种是不锈钢。闸板采用不锈钢制成，闸板的下部有一个和公称通径相等的圆孔，当阀门全启时，闸板上的圆孔就与阀座孔相合，这样闸板就密封了阀体的腔室而防止固体颗粒进入。浮动阀座的密封作用亦允许用作双重截断和泄放。如果阀座密封在使用中失效，则可向密封面注入密封脂可进行暂时密封，这样既可以保证阀杆可靠密封，又增加了阀杆的润滑。该阀门密封性能良好，操作方便、灵活、省力，第6页（共16页）国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向流阻系数小，便于清扫管道，使用寿命长。本类阀门适用于石油、石油产品、天然气、煤气、水等介质。图7 带浮动阀座有导流孔升降板单板平板闸阀 图8 有导流孔旋转杆平板闸阀（6）单闸板旋转杆有导流孔平板闸阀：图8所示为单闸板旋转杆有导流孔平板闸阀。阀体与阀盖采用金属与金属密封。阀杆和阀盖设有上密封，使阀门开启后填料不承受介质压力。平行闸板和弹簧预加载阀座，使密封可靠，闸板上有导流孔，使开启后便于清扫管线。本阀适用石油、天然气的井口装置。4.1.3 明杆闸阀和暗杆闸阀（1）明杆闸阀：驱动装置固定在阀杆螺母上驱动装置带动阀杆螺母旋转时，阀杆作上下移动，从而带动闸阀作升降运动而启闭管路。明杆闸阀开启时，阀杆从手轮上方伸出，可以直接显示闸阀的开启程度。阀杆梯形螺纹在阀杆上的上半部，不予介质直接接触，不受介质腐蚀，而且润滑方面。因此，它适用于腐蚀性介质、污浊介质和高温蒸汽介质的闸阀上。阀的启闭程度可以从螺纹直接看出，便于操作也是其优点第7页（共16页）液压式平板闸阀设计之一。不足之处是，由于螺纹外漏，容易黏上空气中的尘埃，加速螺纹磨损，故应尽量安装于室内。尽管如此，应用还是较为广泛。（2）暗杆闸阀：驱动装置固定在阀杆上，阀杆螺纹固定在闸板顶部，当驱动装置转动时，阀杆螺纹带动闸板作升降运动。阀杆只能做旋转运动。优点是，开启时阀杆不升高，所需安装空间较小。故它常作为大通道闸阀，或安装空间受限制的场合。由于阀杆不做升降运动，不能像明杆闸阀那样，通过阀杆伸出长度来显示开启程度，因此，应装设开度指示器。暗杆闸阀由于阀杆螺纹部分和阀杆螺母均在阀腔内部与介质接触，因而易受介质腐蚀，阀杆螺纹等难于润滑。4.1.4 阀门驱动方式（1）手动：借助手轮、手柄、杠杆或链轮等，由人力来操作。当需传递较大力矩时，可装有圆柱直齿轮、圆锥直齿轮、蜗轮蜗杆等减速装置。图9 圆柱直齿轮传动的闸阀（2）电动：用电动机、电磁或其他电气装置操作。电动阀门适应性强，不受环境温度影响，输出转矩范围广，控制方便，可实现超小型化，具有机械自锁性，安装、维护检修方便。缺点是结构复杂，机械效率低，一般只有25%到60%，易受电源电压、频率变化影响。第8页（共16页）国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向图10 电动闸阀（3）液动：借助液体（水、油等液体介质）来操纵阀门。液动装置结构简单、紧凑，体积小，输出力大，能无级变速，能远距离自动控制。缺点是液压元件和管道易渗漏，维修不便。 图11 液压平行式双闸板闸阀 图12 气动带手动楔式单闸板闸阀第9页（共16页）液压式平板闸阀设计（4）气动：借助空气来操作。气动装置结构简单，能获得较高的开关速度。缺点是不适于大口径高压力阀门，开关速度不均匀。4.2阀门行业现状及发展趋势4.2.1 国外阀门行业现状随着国外大型成套技术的发展，出现了一系列新型成套设备与单机。与阀门有关的新型成套设备发展的特点是大型化、高参数化、高性能自动化和成套化，与这些成套设备的控制方式相适应。近20年来，国外阀门的控制方式也有很大发展。除一般手动、机动、电动、气动、液动传动之外，电液连动、气液连动、自动控制的阀门品种不断增多，并有进一步发展的趋势。 比如炼油设备阀门。最大炼油厂3640万吨年(加勒比海的维尔京群岛)，3000万吨年(委内瑞拉)。目前2000万吨年以上的炼油厂有近30个；最大单元炼油减压装置的处理能力达到2400万吨/年，催化裂化装置达到824万吨年，加氢裂化装置达到320万吨年。装置大型化，迫使阀门也越来越大，控制方式也开始向自动化方向发展。 近年来，长输管线发展很快，因此，长输管线用阀门近几年需求大增。与这些成套设备配套的阀门中最大平板闸阀直径达到1620mm、2000mm；最大蝶阀通径9750mm；最大球阀通径3050mm，不算驱动装置阀门的重量达到184吨；最大水用闸阀通径2750mm，压力达到9MPa。 随着各类成套设备、工艺流程和性能的改善，国外阀门的系列品种还在不断增加，近年来出现了不少新品种阀门。如：紧急切断阀、快速开关阀、防火阀、防静电阀、减温减压阀、蝶型止回阀、泄压阀、真空夹套阀、水冷或气冷阀、安全闸阀、安全截止阀等多种新式阀门，其中通用阀门中球阀、蝶阀和平板闸阀是20年来发展最快的阀门品种。4.2.2 国内阀门行业现状从总体上看，我国阀门技术有了很大的进步，目前已能设计、生产、检测十几大类、3000 多个型号、40000 多个规格的阀门产品。第10页（共16页）国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向“十五”期间，我国阀门行业研制了 24 通旋转阀、固休物料气力输送用阀（旋转加料器、输送换向阀、滑板阀）、新一代高性能单双向密封的三偏心复合圈金属密封蝶阀、高温蝶阀、软硬密封高真空电磁阀和手动耐压阀、GK 型管线球阀、镶嵌耐磨陶瓷密封圈的闸阀、球阀、调节阀。此外还开发生产了高温高压 Y 型波纹管截止阀、低温波纹管氯气阀、亚临界和超临界高温高压截止阀、生物抗菌隔膜阀等。有些企业生产的产品还填补了国内空白，获得了国家专利。这些产品的研发标志着我国阀门技术整体水平有了很大的提高。然而国内阀门技术总体水平与世界发达国家相比还有一定的差距。大部分国内企业只能生产技术含量低、附加值少的低端产品，新产品开发也只是在原有产品上作些改进或者直接拷贝国外同类产品。企业缺乏具有自主知识产权的核心技术缺乏具有国际竞争力的高端产品。60 万千瓦以上火电机组配套的高温高压阀门、核电阀门、石化行业配套的特殊阀门、高参数高性能安全阀等产品主要依赖进口。4.2.3 阀门行业发展趋势（l）设备的大型化：电站的建设大型化，电站由 30 万千瓦以下机组向 60 万千瓦以上机组甚至达 130 万千瓦机组发展，需要大量用于亚临界、临界及超临界机组的大口径锻焊结构高温高压减压阀、安全阀等电站阀门。（2）可靠性要求更高：核电事业逐步增加，核电阀门是核电站中量大面广的水压设备，它连接整个核电站的 300 余个系统，是核电站安全运行的关键附。件根据国家制订的“核电 20052020 中长期发展规划”，到 2020 年我国装机容量将达到 5946 万千瓦，新增建设总投资 4500 亿元，需大量安全可靠的闸阀、截止阀、止回阀、蝶阀、安全阀、主蒸汽隔离阀、球阀、隔膜阀、减压阀和控制阀等。（3）抗腐蚀能力和密封性能要求更高：石油开发向内地和海上转移，西气东输的起动、炼油业的发展，输油管线也得到快速发展，这些管线对阀门有着严格的要求，需要大量的锻钢平板闸阀、双瓣蝶式止回阀、角式节流阀及球阀；海上采油平台的采油、防喷、注水、注气、水下设备等系统需要开发一些耐海水、耐盐雾侵蚀的特种阀门。这些阀门要求有较强的抗腐蚀性、抗风暴等异常外力的能力，并且要求密封可靠、操作灵活、维修方便。第11页（共16页）液压式平板闸阀设计（4）环保要求更高：城建系统由过去使用的低压铁制闸阀逐步转向环保型的胶板阀、平衡阀、金属密封蝶阀及中线密封蝶阀过渡。这些大型项目中应用的阀门产品逐渐趋于大型化、高参数化、高性能、自动化，成套比率大幅提高，因而对阀门的开发设计提出了更高的要求，促使阀门的发展更加注秉产品可靠性和安全性等性能指标。新合成材料、新合金钢及新工艺为阀门技术的发展提供了新的发展方向。如金属钛，由于钛金属表面能生成一层牢固的钝化膜，在许多强腐蚀介质中显示出优异的耐腐蚀性能。聚丙烯、聚碳酯、尼龙等合成材料，已广泛用于制造化工领域中使用的阀门。新型密封材料柔性石墨，具有耐高温、耐腐蚀、润滑等特性，可广泛用于生产高温高压阀门。4.3阀门研究方向随着科学技术的发展，打破常规,引入新的理念进行设计,以人为本，设计首先考虑安全可靠，其次是操作省力、简便，再者是外观；采用新材料派生阀门产品，使阀门产品在性能及特殊用途上达到突破；探索新技术、新结构、新工艺、新材料、新标准等，研制高技术含量、高参数、耐强腐蚀、高寿命的阀门产品。阀业成套水平具体呈如下发展趋势：（1）研制传统的阻塞阀技术与控制阀多级技术的结合；（2）研制高技术含量、高参数、高寿命、耐强腐蚀的阀门（3）研制用于高粘度聚合物的组合式阀体截止阀；（4）研制由新型密封件来降低控制气体流动阀门的噪声；（5）研制采用氧化锆陶瓷来增强密封面的寿命；（6）研制苛刻工况的喷管单向阀替代普通单向阀；（7）研制发展城市燃气发电机组燃料煤气切断球阀；（8）研制发展先进的合成材料阀门；（9）研制发展适于启动和全流量操作功能的阀门；第12页（共16页）主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路（10）研制开发满足地震要求的核安全阀；（11）研制发展石化、冶金、电力用高温高压调节阀、减温减压阀；（12）研制大型乙烯高温裂解用高温高压阀；（13）研制火电用主蒸汽隔离阀（向超临界发展）。5 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1 设计应完成的主要内容（1）液压式闸阀概况；（2）液压式平板闸阀结构方案；（3）基本参数设计计算；（4）液压式平板闸阀结构设计，含液缸设计；（5）关键零件强度校核、其中部分零件用Ansys作有限元分析。5.2研究的关键问题及解决方法闸阀设计研究最关键的问题是密封性能，闸板类型，结构设计，材料选择，强度计算及校核，介质温度考虑，填料设计，以及密封结构设计等。5.2.1闸阀密封原理双闸板平板闸阀：双闸板平板闸阀的关闭件由两块闸板组成，中间装有弹簧或楔式机构。这些弹簧和楔式机构的作用是保持与进出口处的两密封面滑动接触并产生密封比压，以保证进出口端部都能密封，属于双面强制密封。不过，中间装有弹簧的双闸板平板闸阀，在低压时介质压力不足以克服弹簧力，是双面强制密封；但在高压时，介质压力可克服弹簧力，推动闸板向出口端，就成了单面强制密封。两闸板间装有楔式机构的，当关闭时，楔式机构就将两闸板撑开，压紧密封面，产生密封比压，关闭越紧，密封比压越大，因此属双面强制密封。单闸板平板闸阀：单闸板平板闸阀有浮动阀座和固定阀座两种。浮动阀座的平板闸阀，靠介质压力将其推向闸板，保证密封。还有的浮动阀座平板闸阀的密封作用是靠每次操作时向出口的阀座面添加密封剂来达到的。为此，浮动阀座带有一贮槽，其第13页（共16页）液压式平板闸阀设计中加有密封剂并在其上部有一浮动活塞，而且整个阀腔注有油脂，并由油脂将介质压力传给出口储槽活塞的顶部。阀门在使用时，密封剂和油脂可从外添加。每一储槽的剂量约可操作100次。这种密封形式在介质压力高时，可达到较高的密封性能。固定式阀座的平板闸阀，靠介质压力把闸板推向出口密封面，达到密封，介质工作压力越高，密封性能越好，当然阀座与闸板密封面的表面粗糙度值一定要小。这种平板闸阀属单面强制密封。5.2.2 材料的选择注意事项管线流体中，如果夹有较大较硬的颗粒会把阀内件磨得粗糙不平，易产生塑变和擦伤。冲击振动会造成零件承受冲击表面、配合表面的破坏，有时也会引起塑变和擦伤。液体金属，例如钠、钾，能够去除金属表面的氧化膜，在温度204（400）时，极易产生擦伤且比较严重，应仔细选择材料，避免擦伤的发生。防止金属表面的塑变和擦伤的方法主要有：（1） 零件采用硬度较高材料制成。（2） 选用低塑变、低擦伤的配对材料。（3） 对于相互配合的两种零件，采用不同的材料制造。（4） 在选用配合零件的材料时，保证配合零件材料的硬度上有510Rc的硬度差。（5） 确定合理零件表面粗糙度和硬度，或者在零件表面采用特殊的覆盖层，配合运动面的硬度差 。（6） 确定合理的载荷，根据载荷选用合理的材料及强度。（7） 设计时，应根据高温下不同材料的膨胀系数认真计算膨胀量，从而确定配合零件的尺寸，保证阀内件工作时