机械毕业设计604多层次金属密封蝶阀设计

1、绪言碟阀（Butterfly bamper ）是一种历史悠久的阀门，其结构简单、体积小、重量轻、结构 长度小。由于介质作用在转轴两侧面积上的力矩可以互相平衡，所以碟阀的驱动力矩小，易于实现快速启闭，且具有良好的流量调节特性。碟阀既可用作切断阀，也可用作调节阀。近年来，随着结构和密封材料的改进，其密封性能也大大提高。由于以上种种优点，碟阀在工 业上得到了越来越广泛的应用。蝶阀具有结构紧凑、 体积小、重量轻（与相同压力，相同通径的闸阀相比可减轻 40% 50%）流体阻力小、启闭迅速等一系列优点。但我国一些低温装置如天燃液化设备、空气分 离设备以及变压吸附设备等化工行业所采用的阀门有80%以上是截止

2、阀或闸阀，采用蝶阀的数量很少。分析其原因主要是金属密封蝶阀在低温状况下密封性能不良，以及其它一些因结构不合理等原因造成介质内漏和外漏，严重的影响这些低温设备的安全和正常运行，不能满足低温设备的要求。根据我国低温装置的不断发展，对低温阀门的要求日益增大，为适应市场经济发展的需要，对金属密封蝶阀进行结构上的改进，研制出一种三偏心纯金属高密封性能的蝶阀。（如图1所示）图1三偏心蝶阀设计要求：设计一台满足下列条件的阀门：1.结构形式：多层次蝶阀2.工作温度：-29 260 C；3.适用介质：水、油、混合气体；4.公称压力：300bL；5.公称通径：8“；6.连接形式：法兰连接；7.驱动形式：电动；8.

3、制造技术要求按 ASME B16.34-1996 的规定；9.法兰连接尺寸按 ASME B16.5a-1992 的规定；10结构长度尺寸按 API 609-1997 的规定。二、蝶阀概述和用途金属硬密封三偏心蝶阀是一种高性能蝶阀产品。 其主要特点是双向密封零泄漏， 启闭力 矩小，使用寿命长。这种阀门的安装、操作、维护十分方便，为最大限度满足工况需求，阀 门的驱动装置可进行多种配置： 电动、气动、 蜗轮传动等， 如今该系列产品已被石油、 化工、 电厂、炼厂、城市供热管网以及给排水系统等行业管路系统中作启闭和调节装置而广泛使用。本产品主体材料采用 WCB 、CF8、CF8M 等；阀座密封面堆焊司太

4、力硬质合金或不锈 钢制造，蝶板密封面为不锈钢 /石墨（或橡胶石棉板）层压结构，用于工作温度 350650 C 以下工况，介质为水、气体、蒸汽、油品、酸碱以及含颗粒性流体等。三、蝶阀在发展过程中形成的分类1、同心蝶阀该种蝶阀的结构特征为阀杆轴心、蝶板中心、本体中心在同一位置上。结构简单、制 造方便。常见的衬胶蝶阀即属于此类。缺点是由于蝶板与阀座始终处于挤压、刮擦状态、阻距大、磨损快。为克服挤压、刮擦、保证密封性能、阀座基本上采用橡胶或聚四氟乙烯等弹 性材料、 但也因而在使用上受到温度的限制、 这就是为什么传统上人们认为蝶阀不耐高温的 原因。2、单偏心蝶阀为解决同心蝶阀的蝶板与阀座的挤压问题、由此

5、产生了单偏心蝶阀、 其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心、 从而使蝶板上下端不再成为回转轴心、 分散、 减轻了蝶板上下端与阀 座的过度挤压。但由于单偏心构造在阀门的整个开关过程中蝶板与阀座的刮擦现象并未消 失、在应用范围上和同心蝶阀大同小异、故采用不多。3、双偏心蝶阀在单偏心蝶阀的基础上进一步改良成型的就是目前应用最广泛的双偏心蝶阀。 其结构特 征为在阀杆轴心既偏离蝶板中心、 也偏离本体中心。 双偏心的效果使阀门被开启后蝶板能迅 即脱离阀座、 大幅度地消除了蝶板与阀座的不必要的过度挤压、 刮擦现象、 减轻了开启阻距、 降低了磨损、 提高了阀座寿命。 刮擦的大幅度降低、 同时还使得双偏心蝶阀也可以

6、采用金属 阀座、 提高了蝶阀在高温领域的应用。 但因为其密封原理属位置密封构造、 即蝶板与阀座的 密封面为线接触、 通过蝶板挤压阀座所造成的弹性变形产生密封效果、 故对关闭位置要求很 高（特别是金属阀座） 、承压能力低、这就是为什么传统上人们认为蝶阀不耐高压、泄漏量 大的原因。4、三偏心蝶阀要耐高温、必须使用硬密封、但泄漏量大；要零泄漏、必须使用软密封、却不耐高温。 为克服双偏心蝶阀这一矛盾、 又对蝶阀进行了第三次偏心。 其结构特征为在双偏心的阀杆轴 心位置偏心的同时、 使蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线、 也就是说、 经过第三 次偏心后、 蝶板的密封断面不再是真圆、 而是椭圆、其密封

7、面形状也因此而不对称、一边倾 斜于本体中心线、另一边则平行于本体中心线。这第三次偏心的最大特点就是从根本上改变了密封构造、 不再是位置密封、 而是扭力密 封、即不是依靠阀座的弹性变形、 而是完全依靠阀座的接触面压来达到密封效果、 因此一举 解决了金属阀座零泄漏这一难题、 并因接触面压与介质压力是成正比的、 耐高压高温也迎刃 而解。四、蝶阀的现状和发展趋势三偏心金属硬密封蝶阀高寿命密封好，目前,蝶阀作为一种用来实现管路系统通断及流量控制的部件 , 已在石油、化工、冶金、水电等许多领域中得到极为广泛地应用。在已公知 的蝶阀技术中， 其密封形式多采用密封结构， 密封材料为橡胶、聚四氟乙烯等。由于结构

8、特 征的限制，不适应耐高温、高压及耐腐蚀、抗磨损等行业。现有一种比较先进的蝶阀是三偏心金属硬密封蝶阀， 阀体和阀座为连体构件， 阀座密封 表面层堆焊耐温、 耐蚀合金材料。 多层软叠式密封圈固定在阀板上， 这种蝶阀与传统蝶阀相 比具有耐高温， 操作轻便，启闭无磨擦， 关闭时随着传动机构的力矩增大来补偿密封， 提高 了蝶阀的密封性能及延长使用寿命的优点。 但是，这种蝶阀在使用过程中仍然存在以下问题。1、由于多层软硬叠式密封圈固定在阀板上，当阀板常开状态时介质对其密封面形成正 面冲刷，金属片夹层中的软密封带受冲刷后，直接影响密封性能。2、受结构条件的限制该结构不适应做通径DN200 以下阀门， 原因

9、是阀板整体结构太厚，流阻大。3、因三偏心结构的原理，阀板的密封面与阀座之间的密封是靠传动装置的力矩使阀板 压向阀座。 正流状态时， 介质压力越高密封挤压越紧。 当流道介质逆流时随着介质压力的增 大阀板与阀座之间的单位正压力小于介质压强时，密封开始泄漏。高性能三偏心双向硬密封蝶阀，其特征在于：所述阀座密封圈由软性 T 形密封环两侧 多层不锈钢片组成。 阀板与阀座的密封面为斜圆锥结构， 在阀板斜圆锥表面堆焊耐温、 耐蚀 合金材料； 固定在调节环压板之间的弹簧与压板上调节螺栓装配一起的结构。 这种结构有效 地补偿了轴套与阀体之间的公差带及阀杆在介质压力下的弹性变形， 解决了阀门在双向互换 的介质输送

10、过程中存在的密封问题。采用软性 T 型两侧多层不锈钢片组成密封圈，具有金属硬密封和软密封的双重优点， 无论在低温和高温情况下，均具有零渗漏的密封性能。当逆流状态时， 阀板与阀座之间的密封靠驱动装置的力矩使阀板压向阀座。 随着反向介 质压力的增大， 阀板与阀座之间的单位正压力小于介质压强时，调节环的弹簧在受载后所储存的变形能补偿阀板与阀座密封面的紧压力起到自动补偿作用。因此本实用新型不像现有的技术那样， 在阀板上安装软硬多层密封圈， 而是直接安装在阀体上， 在压板和阀座中间增设 调节环是十分理想的双向硬密封方式。它将可取代闸阀、截止阀及球形阀五、密封结构分析（一）低温阀门产生泄漏的原因主要有两种

11、情况，一是内漏；二是外漏。1、阀门产生内漏主要原因是密封副在低温状态下产生变形所致。当介质温度下降到使材料产生相变时造成体积变化， 使原本研磨精度很高的密封面产生翘曲变形而造成低温密封不良。我们曾对 DN250阀门进行低温试验，介质为液氮（-196 C）蝶板材料为1Cr18Ni9Ti（没经过低温处理 ）发现密封面翘曲变形量达0.12mm 左右，这是造成内漏的主要原因。新研制的蝶阀由平面密封改为锥面密封。 阀座是一个斜圆锥椭圆密封面， 与嵌装在蝶板 上的正圆形弹性密封环组成密封副。 密封环可在蝶板槽内径向浮动。 当阀门关闭时， 弹性密 封环首先和椭圆密封面的短轴接触， 随着阀杆的转动逐渐将密封环

12、向内推， 迫使弹性环再和 斜圆锥面的长轴接触， 最终导致弹性密封环与椭圆密封面全部接触。 它的密封是依靠弹性环 产生变形而达到的。 因此当阀体或蝶板在低温下产生变形时， 都会被弹性密封环来吸收补偿， 不会产生泄漏和卡死现象。 当阀门打开时这一弹性变形立即消失， 在启闭过程中基本没有相 对磨擦，故使用寿命长。2、阀门的外漏：其一是阀门与管路采用法兰连接方式时，由于连接垫料、连接螺栓、 以及连接件在低温下材料之间收缩不同步产生松弛而导至泄漏。 因此我们把阀体与管路的连 接方式由法兰连接改为焊接结构， 避免了低温泄漏。 其二是阀杆与填料处的泄漏。 一般多数 阀门的填料采用F4,因为它的自滑性能好、摩

13、擦系数小（对钢的摩擦系数f=0.050.1）, 又具有独特的化学稳定性，因此得到广泛应用。但F4也有不足之处，一是冷流倾向大；二是线膨胀系数大， 在低温下产生冷缩导致渗漏， 造成阀杆处大量结冰，至使阀门开启失灵。为 此研制的低温蝶阀采用自缩密封结构即利用F4膨胀系数大的特点，通过予留的间隙达到常温、低温都可以密封的目的。六、主要技术参数及采用标准1 、三偏心原理 金属硬密封蝶阀根据结构特点可分为单偏心或双偏心结构：单偏心结构即蝶板轴心偏 离密封面， 设有力矩预紧作用， 摩擦力大，因而很少采用；双偏心结构设计时将轴心偏离密 封面形成第一个偏心， 轴偏离管路中心线形成第二个偏心， 其偏心的目的是使

14、蝶板在开启至 大约 20°后蝶板密封圈与阀座相脱离以减少摩擦提高使用寿命，适用于正锥面密封。三偏心 结构即在双偏心基础上增加第三个偏心即锥面中心线倾斜于通道中心线，这一结构形式即实现了凸轮效应，又完全消除了阀门启闭过程中密封圈与阀座间大约20°的磨损 .2、密封原理蝶板上弹性密封圈由不锈钢薄板与柔性石墨压合而成，即具有金属的刚性， 同时又有迷宫式的密封性， 当向阀杆施加扭矩时， 密封圈与阀座产生弹性楔块效应， 使密封圈发生柔 动和径向压缩，从而用最小扭矩实现最严密的切断。3、特点a扭矩弹性密封使阀门实现持久的可靠密封，实现双向零泄漏性能。b、三偏心结构原理，消除了蝶板在 9

15、0。旋转过程中密封圈与同座间的摩损。6C、司太立硬表面阀座可适用多种工况使用，寿命长，维修少。d、金属密圭寸与石墨的耐高温性能，使阀门具有本质火灾安全性。e、外档圈式防阀杆轴向窜动安全可靠，并且使阀门的启闭位置准确。f、由于上述的优良性能使得该系列产品可替代闸阀、旋塞阀等其它种类阀门使用，而 尺寸和重量却减轻了许多。g、可以做调节流量装置使用。七、阀杆的设计计算阀杆设计简图如图2所示:(一)阀杆强度计算:IIIIIIII图2阀杆阀杆总力矩：Md = Mm M c Mt M j1密封面摩擦系数：Mm =4qR'fMb h2 R2(D max D min) p(1)密封比压：q =0.54

16、( D max D min)其中，设计中给定的参数：密封面最大直径：D max =187mm密封面最小直径：Dmin =181mm公称压力：p = 50MPa将以上数据代入(3)式可以求出密封比压：q = (187 181) 50 0.5=38.34(187181)查实用阀门设计手册可得：必须比压：qMF=0.5Mpa许用比压：q=150Mpa(1)(2)(3)比压需要满足条件 qMF <q<q，通过上面的计算，符合设计要求。8(4)(5)(6)(7)(8)(1)填料的密封比压:q2 = 165Jb1(2)密封面半径：R'=0.701R查文献1可得：蝶板密封面半径:R=92

17、mm把R代入(4)式可以求得：密封面半径：R'=0.701R=0.701 X92=64.5mm查文献1可得：偏心距离：h=7mm密封材料摩擦系数：fM =0.3密封面接触宽度：b=5将以上数据代入(2)式可得：Mm =4qR'fMbh2 R2 =4 X38.3 B4.5 ® .3 3X<7922 = 961.6 N12、轴承摩擦力矩：Mc= QcfcdF2 兀 2(1)阀杆轴承载荷：Qc = D p4其中，设计中给定的参数：蝶板直径：D=184mm公称压力：p=50MPaj22将以上数据代入(6)式得：QC=D p=X184 X50=1329522N44查文献1

18、可得：轴承摩擦系数：fC =0.015其中，设计中给定的参数：阀杆直径：d f =36mm=0.036m11将以上数据代入(5)式得：MC= QC fCdF =X1329522 >0.015 0.036=359N m2213、密封填料摩擦力矩：M T = Qt fT dT2其中，设计中给定的参数:强度试验压力：p1 =75MPa填料宽度：b=8mm10将以上数据代入（8）式可得:q2 =16 75=32.2MPa(11)11(11)#(9)（2）填料对阀杆作用力：Qt = d：hTq2其中，设计中给定的参数：填料深度：hp =40mm阀杆直径：d F =36mm将以上数据代入（9）式得：

19、Qt = dF 二hT q2=36 X3.14 40 X32.2=145669N查文献1可得：填料或阀杆直径：dT =52mm=0.052m其中，设计中给定的参数：柔性石墨摩擦系数：fT =0.06将以上数据代入（7）式得:11Mt = Qt fdT =X145669 >0.06 0.052=227N m224、蝶板静水力矩:D4 二M j =J 64(10)(11)#(11)#查文献1可得:水重度:=10-4 N/mm将以上数据代入（10）式得:M j =J 6441843.146410U=5.6 N m(11)#(11)#把求出的Mm , Mc , Mt , M j代入得:M D =

20、 M M M c Mt M j = 961.6+359+227+5.6 = 1553.2 N m5、阀杆总输出力矩： M0=Md 1.1 =1553.2 1.仁 1709 N m-通过以上计算可以得到阀杆总输出力矩为1709 N m。(11)#(11)#（二）阀杆的强度校核（1）计算轴径:(11)#(11)12阀杆总输出力矩：M 0=1709 N m(11)#查文献1可得：阀杆所受的扭转剪切应力：,N =145MPaMo3 1709 103.0.2 145=38.9mm查文献2可得 实际阀体壁厚：S=12mm13查文献2可得 实际阀体壁厚：S=12mm#设计中给定的参数:实际轴径：前轴径 di

21、=40mm ,后轴径d2=39mm ,通过上面的计算得到 d ' =38.9mm小于实际轴径，在设计范围内，符合设计要求。八、阀体的设计计算（一）阀体壁厚设计计算:（1）阀体壁厚:SB =PDn. C2.3J-P(12)查文献2可得 实际阀体壁厚：S=12mm#查文献2可得 实际阀体壁厚：S=12mm#其中，设计中给定的参数：公称压力：p=1.6MPa查阀门设计计算手册2可得:阀体内腔最大直径：Dn =300 mm材料的许用拉应力：二L =62.72 MPa附加裕量：C = 4.5 mm将以上数据代入（12）式可以求出：查文献2可得 实际阀体壁厚：S=12mm#查文献2可得 实际阀体壁

22、厚：S=12mm#PDn2.3(5 -P1.6 3002.3 62.72 -1.64.5 =7.86 mm查文献2可得 实际阀体壁厚：S=12mm#通过以上计算，可以得出S SB，所以符合设计要求。九、销轴的设计计算设计简图如图4所示:1J图4销轴（一）销轴剪切强度的设计计算：4R（1）销轴的计算剪切应力： 二一2（ 13）兀d2Z阀杆的剪切力：R =迥巴dF其中，设计中给定的参数：阀杆直径：d F =36 mm销轴直径：d2 =12 mm销轴的剪切面个数：Z = 4个将以上数据代入（13）式得：R = 2M= 2 961.6 1 0 = 53422 NdF364R453422将以上数据式（1

23、3）可以得出：.=2=118 MPa兀d?Z 3.14X2 江4查文献2可得：销轴的许用剪应力：.=132 Mpa通过上面的计算可以得出>,故符合设计要求。十、平键的设计计算平键设计简图如图5所示:1511L i()图5平键（一）平键强度的设计计算：（1）键联接工作面挤压：其中，设计中给定的参数：键的工作长度：丨=70 mm阀杆直径：d F =36 mmjdFkl(14)键传递扭矩： M D =1553.2 N m-查文献2可得：键的厚度：k = 8 mm将以上数据代入式（14）可以求出：32Md =2 汉 1553.2 汉 10dFkl =40 8 70=138.7 MPa（2 ）键的

24、剪切应力:2M ddFb1l(15)dFb1l40 12 7017dFb1l40 12 70#其中，设计中给定的参数:键的宽度：b1=12 mmdFb1l40 12 70#dFb1l40 12 70#将以上数据代入式（15）可以求出:2Md 2 1553.2 103=92.5 MPadFb1l40 12 70#dFb1l40 12 70#查文献2可得:dFb1l40 12 70#键联接的许用挤压应力：二jY =140 MPa ,键的许用剪应力：=120 MPa通过上面的计算可以得出：二jY；Y ,故符合设计要求。卜一、蝶板的设计计算蝶板设计简图如图6所示:18#图6蝶板(一)蝶板强度校核:(1

25、)A A断面蝶板的弯应力:WAMaWa(16)(2)A A断面的弯矩:Ma =3PD212(17)#其中，设计中给定的参数:蝶板直径：D2 =275 mm公称压力：p =1.6 MPa#将以上数据代入式(16)可以求出:Ma =pD31.6 2752 = 2772.9 N m 12 12(3) AA断面的抗弯断面系数:b(18)19(19)4(4) A A断面的惯性矩:J =l b3A1220(19)4#(19)4其中，设计中给定的参数：蝶板厚度：b =33 mm断面的长度：丨=263 mm将以上数据代入式(19)可以得:32,l b 263 333 J a =12 12=787619.3 m

26、m再把JA，b代入式(18)得:2 787619.3=47734.5 mm33将以上数据代入式16)得:Ma 27729 103WA = 47734.5=58.1 MPa(5)B B断面蝶板的弯应力:WB =WB(20)(6)B B断面的弯矩:pD；12(21)#(19)4#(19)4其中，设计中给定的参数:蝶板直径：D2 =275 mm公称压力：p =1.6 MPa#(19)4#(19)4将以上数据代入(21)式得:pD31.6 7753M b =- = 2772.9 N m 12 122 I(7) B B断面的抗弯断面系数： WB= 旦b(22)(8) B B断面的惯性矩：Jb = 22

27、旦(b；-d；)丄 直12 12 12(23)l 1 =19mm , l2 =52mm ,l 3 =144mm,b 1 =4mm , b 2=77mm ,b 3=18mm , d2 =40mm将以上参数代入式(23)得:见图6:设计中给定的参数：21Jb = 2丄2邑12 123319 435233144 1834=22(77 -40 )= 3472139.3 mm12 12 12所以把Jb , b代入式（22）得:2Jb 2x3472139.3377WB =- = 90185.4 mmb将以上数据代入式（20）得:Mb 2772.9S03-wb = 30.7 MPaW-90185.4查文献2

28、可得：许用弯曲应力：二W =75.46 MPa （350 C时）通过上面的计算可以得出：二W 二WA、二W.二泗 所以符合设计要求。十二、填料压盖的设计计算填料压盖的设计简图如图 7所示:图7填料压盖（一）填料压盖强度校核:（1 ）1 I断面弯曲应力：匚W1=MW1(24)Q .1（2 ）I I断面弯曲力矩：皿讦耳12（3 ）压紧填料总力:2 2二(Dtn(25)(26)(27)（4）压紧填料必需压力： qT=t p查文献2得：摩擦系数：匸=3.65计算压力：p =2.4 MPa将以上数据代入式（27）可以求出：qT p=3.65 2.4 = 8.76 MPa其中，设计中给定的参数：填料箱内径

29、：Dtn = 52 mm阀杆直径:dF = 40 mm所以代入式（26）得：Qyt =二(dTn -d；)qT 3.14 (522 -402) 8.764=7595.6 N(5)力臂：|_=(l DTN)2(28)其中，设计中给定的参数:螺栓孔距:l =85mm将以上数据代入式（28）得:Ii=(Dtn)= (852) = 16.5 mm2根据以上条件代入式（25)得:23#M1 = QyL2l17595.616.5_ = 62.66 N m -(29)（6 ）1I断面系数:如图7根据设计给定参数：B = 60 mm , h =20 mm将以上数据代入式（29）可以求出：#Bh260 206=

30、4000 mm#将以上数据代入式（24）可以求出:=15.67 MPaMi 62.66"03'W_= W_ =4000查文献2可得：许用弯曲应力：二W = 75.46 MPa （350 C时）通过上面的计算可以得出：；w .Owf，故符合设计要求。十三、总结蝶阀设计的关键在于传动件阀杆、阀体和蝶板的强度计算，以及阀体、蝶板、阀杆、销等零件的合理选材和热处理。金属密封型蝶阀具有的特点是一些普通阀门所不具备的。尤其是流阻小、密封可靠、启闭迅速、使用寿命长等。三偏心金属密封蝶阀的密封力来自弹性环的变形达到密封，因而不需要借助介质作用力，故可做双向密封用。金属硬密封蝶阀，适用于治金、

31、化工、石化、电力、建材等行业系统管道的截断或调节介质流量。该阀采用优质碳素焊接和不锈钢制作，刚性好，结构紧凑，采用三偏心工作原理，操作灵活，不污染环境，拆卸维修非常方便等特点。配用电动传动装置，带动阀轴、蝶板作 90。范围内旋转，达到截断或调节介质流量的目的。十四、结束语通过这次的毕业设计，加强了我对阀门方面知识的了解 ，从设计到画图，都是对我所学知 识的全面检验，更是一个总复习，由于时间仓促和水平有限，所以本设计还有一些不足之处 ， 希望各位老师给予指导，指正。本论文是在指导老师姜明的悉心指导下完成的，在此，谨向辛勤的导师姜明老师表示衷心的感谢和崇高的敬意！在论文的撰写过程中， 得到了任课老

32、师和浙江工贸学院各位老师们的关心和指导，得到了同班同学们的热情帮助，在此一并表示最诚挚的谢意！24阀门设计计算中的各参数名称（单位）附表I阀杆强度设计计算参数1密封面接触宽度b (mm)2填料宽度b (mm)3蝶板直径D (mm)4阀杆直径dF (mm)5密圭寸面最大直径D max (mm)6密圭寸面最小直径D min (mm)7填料或阀杆直径dT (mm)8轴承摩擦系数fc9密封材料摩擦系数fM10柔性石墨摩擦系数11偏心距离h (mm)12填料深度hT (mm)13轴承摩擦力矩M C(N m)14阀杆总力矩M D ( N m)15蝶板静水力矩M j(N m)16密封面摩擦力矩Mm ( N m)17密封填料摩擦力矩Mt(N m)18公称压力p (MPa )19强度试验压力P1(MPa)20密封比压q (MPa )21填料的密封比压q2 (MPa