闸阀核心计算过程

1、YANGTZE UNIVERSITY29/16” 5000psi暗杆式平行闸板阀设计一、设计计算过程阀门的种类：暗杆有导流孔式平行单闸板阀；公称通经：3 /8=78mm;介质的工作压力：10000 Psi=69 MPa;结构长度：619 mm;与管道的连接方式：法兰连接；阀门的操作方式：手动；介质温度：-29300 0C;介质的物理、化学性能:流体、腐蚀性、易燃易爆、毒性;1.阀座、闸板密封面设计计算：1.闸板2.阀座3.橡胶密封圈4.阀体5.波形弹簧图1.阀座、闸板密封结构图1.1出口端密封计算:密封环内径：DN=78mm设计给定密封环厚度：bO=10mm设计给定密封面内径：DMN=79mm

2、设计给定密封而宽度：b M=17.6mm设计给定计算压力：P=69 Mpa设计给定密封面许用比压：q=80Mpa设计给定密封面上必需比压：qMF=(3.5 + p)=(3.5 + 69).176 TOC o 1-5 h z =17.28Mpa1-1密封而上总作用力：Q mz = Q mj + Q MT1-2密封面处介质作用力：Q mj=(Dmn + bo)2xP1-3MJ 4MNO=：x（78+10）2x 69=419666.5N41波形弹簧弹性力：Q mt=3252.4N则: Q mz = Q mj + Q mr =419666.5+3252.4=422918.9MPa422918.9密封面

3、计比压：q=n（D +Mb）b = k （78 +17.6） x 17.6=79.18MPaMN M M结论:17.2879.1880即qMF q问，故设计合格。1.2入口端密封计算:入口端密封面总作用力：Qmz= Qmj + QMT兀兀介质作用力:Q,MJ = 4（ MN0）2XP _4* DMN 2xP宥（78+10）2x69 _，8 2x69=89959.5N波形弹簧弹性力：Qmt =3252.4N贝|J: Q，mz = Q，mj + Qmt =89959.5+3252.4=93211.9NQ入口端计算比压：q =兀（D +%）bMN M M93211.9=n （78 +17.6） x

4、17.6=17.45MPa结论:17.2817.4580即QMF q问，故设计合格。小结:该结构能实现在全少卜和全关状态时，出口端和入口端同时密封。2阀杆的设计及强度验算许用压应力：& L 315MPa;Y许用剪应力：1 =177 MPa;2.1本设计设计的阀杆为暗杆，材料为38GrWvAL，材料的许用应力如下: 许用拉应力:& = 295MPa;L许用扭应力1 =190MPa;N材料屈服极限：。$ =640 MPa；许用合成应力:L =305MPa;2.2结构尺寸设计及其参数选择:直径I （推力轴承处）:25.mm所选用的梯形螺纹:Tr32 x 6直径II （螺纹退刀槽处）:24.2 mm直

5、径山（填料函部位）:34mm阀座与闸板的摩擦系数: =0.101此时1由于该结构的暗杆闸阀，阀杆的最大轴向力发生在阀关闭的末时刻，并且， 的手轮操作力矩也达到最大值。所以，阀杆应按此最恶劣工况来设计。2.3最大轴向力计算:p广Pm1 + Pm2 + P y2.3.1阀座与闸板的进口端摩擦力：Pm1 = （ Qj + QMT）x阀座与闸板的摩擦系数： =0-1011介质压力：Q J=兀（Dmn + bO） X bO X P兀(78 +10)x 10 x69=190660.8N波形弹簧弹性力：Q MT =3252.4n设计选定进口端摩擦力：七=(Q J + QMT) x汁二(190660.8+32

6、52.4) x0.101=19595N2.3.2阀座与闸板的出口端摩擦力：P = Qz x R m 21兀、=WDmn + bo)2xP+ Qmt x 四兀=y (78+10)2x 69+3252.4 x0.101二42714.8N2.3.3阀杆受到的径向截面最大介质压力：P阀杆填料部位的直径:=34mmP = d 2 x P : x 34 2 x 69=62646.5N y=4 F -4冗螺纹退刀槽处径向介质力：P = 4七x P螺纹退刀槽直径：dF=24.2mmP =: d，2 x P : x 24.22 x 69=31737.28Ny=4 F =42.3.(4)螺纹段处所受到总轴向力：P

7、 f =七+ Pm 2 + P=19595+42714.81+31737.28=94047 N2.3.4阀杆最大轴向力:P广Pm1 + Pm2 + P=19595+42714.81+62646.5=124956.3N2.4最大摩擦力矩计算:z M = Mr Mtmj+ Mm2.4.1 螺纹摩擦力矩：Mm . =(P 1 + P 2)X R MFTr32 x 6螺纹摩擦半径：R =4.65mmM . =(P 1 + P 2) Rmf =(19595+42714.81)x 4.65=289740.6N.mm 2.4.2填料摩擦力矩：M =中. ddPtmjF T阀杆与填料的摩擦系数：中=0.4阀杆

8、填料部位的直径：dF =34mm填料的宽度：气=7 mmML dF dT P d aX 34 X 7 X 69 X 孕=111669.6N mm2.4.3轴承摩擦力矩：M = f kP f D-kp轴承转动摩擦系数：f k =0.01轴承的平均直径：Dkp =43.5 mmM = f P Dkp = 0.01 乂 124956.3乂 43.5 =27178 N mmznj k z 22最大摩擦力矩为：Z M =M . + M . +M m .=27178+111669.6+289740.6=428588.2 N.mm对阀杆安装轴承支撑的部位进行分析后发现:开启和关闭阀门的时候，轴向 力一般都是

9、向上的，即都是轴向压力。而轴向力都是在轴承支撑与下轴肩处作用， 卡轴承支撑的小直径部位只是承受扭矩作用。所以，对小直径部位进行扭应力分 析，对下轴肩进行压应力分析是必要的。对阀杆梯形螺纹部分进行分析后发现：螺纹退刀槽部位截面积最小，受到的 应力状况也最恶劣。所以，对此截面的应力分析是必要的。25强度校核：Z M 428588.22.5.1断面工处的扭应力；，n 1=M = = 旷o316 * 25.63=130.1 MpaT =190 Mpa124956 .3N2.5.2轴肩且处的局部压应力:广p=盘 (342 - 256)4=317.8 Mpab、=640 Mpa2.5.3断而III处的轴向

10、压应力：b广乌=94047 .1Fsl X 24.224=203.92 MPa * =315MPaY196541 .62.5.4断而III处的扭应力：t=MImjN2七 rx21.4316=104.12 MpaT n=190 Mpa2.5.5断面III处合成应力:a =、,Q 2 + 4t 2 =y 2045 + 4 X104=291.8 MPa a 疽=305 MPa结论，以上结构是设计合理，强度校核的各项均为合格。工作压力随工作温度而改变的比值，比相应温度下材料材料的许用应力的比值大，故不进行高 温核算；2.6阀杆稳定性验算4 I I=cTF允许细长比：入0=30阀杆的实际细长比：入其中：

11、暗杆式阀杆长度系数：】c =0.699阀杆直径：dF =24.2mm阀杆计算长度：I = H +LMMNMZYF TJ2阀杆凸肩高度：H” =8mm阀杆螺母计算高度：H=40mm阀座密封面内径：D=79mmMN阀座密封面宽度：M=17.6mm阀杆轴向余量：乙=4mmzy因此：I = H + Hlm + Dmn + b + Lzy F TJ2=8+40 + 79 + 1Z6 + 4 =78.32冗=4 】；L = 4 x 0.699 x 78.3 =9 人=30a24.20F结论:实际细长比冗 入0，所以不需要进行稳定性验算。3阀杆螺母的计算与校核：阀杆螺母材料:HT25-47许用挤压应力：a

12、=55 MPa许用剪应力：T =41 MPa许用弯曲应力：a =82 MPa阀杆螺母规格:Tr32 x 63.1螺母的工作圈数:n= Ht阀杆螺母的工作高度:H=40 mm螺纹的螺距:t=6 mm因此:n =6.7 t 63.2螺母的应力计算：单牙螺纹受挤压而积：F = 273.3 mm 2螺母中单螺纹受剪而积：F = 424 mm2 J螺纹弯曲力臂:X广2mm螺母中单牙螺纹断面系数：W=290 mm3剪应力：T = Qfz = 62309.81 =22 MPaT =41 MPan F 8 x 424弯曲应力：b = Q X l = 62309.81 x 2 =64.46 MPab =82 M

13、Pa w n W8 x 290w挤压应力：b = Qfz = 62309.81 =34.2 MPa F =30.8 mm，十分安全；5.中腔结构尺寸设计:中腔是安装阀座、闸板的唯一通道，也是闸板工作时做上下运动的区域。其结构的设计首先要保证阀座和闸板能方便安装并留有适量的运动间隙，其次还 要尽量的使中腔直径较小。因为中腔直径是影响中法兰螺栓选用最重要因素，同 时也是影响闸阀总重量的主要因素。中腔设计时需要考虑和注意的因素有：由于公差配合和制造精度的影响，阀座与闸板的密封面配合总会有一定的 误差，所以，预留在闸板上的密封区域要适当的宽12 mm.阀体为锻造件，并目体积比较大，其内腔主要是锻造出来

14、的。因此尺寸 精度也不高。所以，中腔直径要比闸板的对角线大，至少要使中单边留有3 mm 以上名义间隙。阀座的安装孔深度应适当。阀座的安装孔是后来切削加工出来的，如果切 入太深，会破坏阀体上更多的金属纤维。综合强度和密封性考虑，该类型的阀座 安装孔深度以3040mm为宜(其他结构的阀座除外)。在中腔设计过程中，还应考虑阀座与闸板的安装方法和安装顺序问题。一 般都是先依次安装好左右阀座，最后安装闸板。所以阀座的长度通常不大于闸板的厚度。综合上述因素并借鉴同类闸阀的设计经验，设计的中腔结构如下:中腔直径：D = 140 mm6.阀体壁厚、中法兰螺栓的计算与校核阀体、阀盖的材料选用42CrMo, &广

15、1。80 MPa, S =930 MPa。计算如下:6.1连接法兰颈部厚度（钢及合金钢阀体，圆形）p Dn2.35 - pL计算压力：p =69 MPa计算内径:D =78 mm许用拉应力：5 l=310 MPa腐蚀余量:C=2 mm3-1-1设计给定设计给定设计给定所以s = p Dn + C =69 X78+B 2.35 - p 2.3 x 310 - 69 L2 =10.36 mm实际厚度：SB =30 mm设计选定结论:（1） SB SB，合格;（2）管路附件压力、温度额定值是根据材料相应温度下的许用应力而制定的，故不进行高温下的核算。6.2中腔部位厚度（钢及合金钢阀体，圆形）计算厚度

16、：=气（K 0 一1）312计算内径：d =140mmn设计给定n计算压力：P =69MPa设计给定许用应力:Lc J = mini 匕, 4.25 2.3.r 1080 930】C nma 1 a=mini , =254 MPa3134.25 2.3预算内外径比值：= t_ iqd3 1 一4254254*3x69 J*140故：$0=号(犬0 1) =-(1.374 1) = 26.18 mm因此，取计算厚度为：Sr =52 mm设计给定D TOC o 1-5 h z 622合成应力：彳将厂球+6.2.2.1 径向应力：a = 一 P=69MPa314殓+ 16.222 切向应力：。=r

17、=136.7 Mpat K2-I其中：预算外径:=D +2 X S 140+2 X52=244 mm w n万D 244预算内外径比值:K= 寸二丘0=1746.223轴向应力：a =乌兀 1 2-(D D F4 w n其中: (1)常温时螺栓计算载荷：Q = Qt + Qt + Q qLzMF MJ Fz P密封环必须密封力：Q T =丸(Dtmn+bM)bM qMF密封环的内径 DMn = D n=140 mm密封环的宽度b =8 mmMnP密封必须比压q =MF bT M密封环的形状系数n=1.3nP 1.3 x 69=31.7 MPa因此：0 = =灵MFbTv 8 MQt = ( D

18、l + bM)bMq =丸(140+8)X 31.7= 117963.9 N阀盖受到的介质作用力:冗 f、QJ 4( DTn+bM)2p=冗4 (MO+8)2 x 69=1187032 N阀杆最大轴向力：Qf =124956.3 N阀杆的径向截面上的介质作用力：Qp =62646.5 N 常温时螺栓计算载荷：QQMf + QMj + QFz - QP=117963.9+1187032+124956.3-62646.5 =1367306 N螺栓的总截面积：F =Z乂 F 1螺栓选用的材料：42GrMo许用拉应力：Q l =620MPa初步选用螺栓个数:Z=8 初步选用螺栓参数:M24 单个螺栓截面积：F 1=324.3 mm2总截而积:Fl = ZX F 1=8 x 324.3=2594.4 mm