毕业设计（论文）-楔式弹性闸阀设计

Ⅰ题目名称楔式弹性闸阀设计题目类型系部专业班级学生姓名学号/序号指导教师辅导教师时间目录任务书 Ⅰ开题报告 Ⅱ指导教师审查意见 Ⅲ评阅教师评语 Ⅳ答辩会议记录 Ⅴ中文摘要 Ⅵ外文摘要 ⅦTOC\o"1-2"\h\z\u前言 Ⅷ1选题背景 11.1研究目的和意义 11.2闸阀概述 11.3闸阀的分类 21.4闸阀的主要问题 51.5国内外技术现状 62闸阀的方案论证 82.1楔式弹性闸阀结构工作原理 82.2阀杆的形式 92.3闸板形式的选择 93闸阀主要结构参数的计算 113.1闸阀设计程序 113.2原始数据 123.3主要零件的设计计算及校核 124闸阀的密封 304.1阀座与闸板的密封 304.2阀杆与阀体间的密封 324.3阀座与阀体间的密封 334.4法兰的密封 355总结 36参考文献 37致谢 39Ⅰ(设计)任务书学院（系）专业班级学生姓名指导教师/职称1．(设计)题目：楔式弹性闸阀设计2．(设计)起止时间：20XX年3月12日～20XX年6月15日3．(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）原始数据：（1）公称通径：DN=300mm；（2）公称压力：PN=4.0MPa；（3）适用温度：≤425℃;（4）适用介质：水、蒸汽、油品；（5）结构尺寸要求：长度L=850mm；全开高度H<1350mm。推荐参考资料：（1）机械设计手册编委会.机械设计手册第3版.北京：机械工业出版社，2004.08.（2）宋虎堂等.阀门选用手册.北京：化学工业出版社，2007.01.（3）陆培文.阀门设计计算手册（第二版）.北京：中国标准出版社.2009.01.（4）合肥通用机械研究院，全国阀门标准化技术委员会.阀门产品样本（第三版）.北京：机械工业出版社，2006.07.（5）苏庆华，许金海，刘峰.闸阀密封结构改进.阀门.2011（03）.（6）倪平.铸钢楔式闸阀的优化设计.阀门.2008（02）.4．(设计)应完成的主要内容（1）楔式弹性闸阀概况；（2）楔式弹性闸阀结构方案；（3）基本参数设计计算；（4）楔式弹性闸阀结构设计；（5）关键零件强度校核。5．（设计）的目标及具体要求（1）在完成开题报告过程中需阅读较充分的参考资料，基本了解本设计领域的发展状况和趋势，明确完成的思路，并做出可行的计划安排；（2）译文原文应来自于英文学术期刊，文句通顺，译意基本正确，译文不少于3千字；（3）说明书正文字数不少于1.2万字或1.2万字篇幅；（4）全部采用计算机绘图：总装图1张；零件图4张。6．完成（设计）所需的条件及上机时数要求（1）图书和文献资料；（2）不少于150机时的上机条件。完成任务学生（签名）ⅡⅡ开题报告题目名称楔式弹性闸阀设计题目类型系部专业班级学生姓名学号/序号指导教师辅导教师时间楔式弹性闸阀设计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在管道系统中十分重要的一个组成部分，只能作全开和全关,不能作为调节和节流的用途，在机械制造业，能源开发，化工医疗等领域都有着相当广阔的应用空间。一般通用闸阀主要分为楔形闸阀式和平行闸板式两类。由于它主要被用来对管道系统的启闭，截断或接通管路中的介质，需要长期与流体直接接触，因此对于它的密封性，耐磨，防锈，抗腐蚀能力都有较高的要求。楔式弹性闸阀尤其被广泛的应用于石油化工，火力发电水蒸气管路系统中，主要有阀体，阀盖，阀杆和密封闸板等关键组成部分。在实际中，由于闸阀长期的暴露于相对恶劣的环境中，时常会出现生锈，失效等问题，影响整个管道系统的的正常工作。在本次设计中，将在已经学习的知识基础上，对通用的楔式弹性闸阀进行设计和研究，同时综合锻炼自己的实际操作及新知识学习的能力，进一步学习更深层次的知识，在以后的工作生活中，为社会做出贡献。3阅读的主要参考文献及资料名[1]机械设计手册编委会.机械设计手册第3版.北京：机械工业出版社，2004.08.[2]工业专用阀门手册.机械工业出版社，1997.08[3]阀门制造工艺.化学工业出版社，2010.10[4]杨源泉主编.阀门设计手册.机械工业出版社，2000.04[5]中国石油天然气集团公司规划设计总院.油气田常用阀门选用手册.北京：石油工业出版社，2000.12.[6]王训钜主编.阀门的使用维修手册.北京:中石化出版社.1998[7]陆培文.实用阀门设计手册.北京：机械工业出版社，2002.09[8]赵应越主编.史维祥主审.液压阀及其修理2003.06[9]阀门设计计算手册（第二版）.中国标准出版社，2009.01[10]阀门手册（第二版）.中国石化出版社，2005.01孙家孔译[11]谭均洪.气动闸阀.化工自动化及仪表.1988.02[12]合肥通用机械研究院，全国阀门标准化技术委员会.阀门产品样本（第三版）.北京；机械工业出版社，2006.07.[13]苏庆华，许金海，刘峰.闸阀密封结构改进.阀门.2011（03）.[14]倪平.铸钢楔式闸阀的优化设计.阀门.2008（02）.[15]陆培文.阀门设计计算手册（第二版）.北京：中国标准出版社.2009.01.[16]双闸板平板闸阀的设计.刘峰.石油大学（山东）[17]陈江山，徐林生，候艳.弹性阀座闸阀的闸板密封结构分析[18]周子民，汤伟，张继伟.软密封闸阀发展现状.[19]倪平.铸钢楔式闸阀的优化设计.阀门.2008（02）.[20]钟功祥，吕治中，梁政.高压闸板阀阀板与阀座摩擦因数的实验研究.西南石油大学[21]山东石油大学-石性军，胜利油田管道局工程机械总厂-张始伟，山东莘县古云采油三厂-鲁延丰.暗杆式楔式闸阀阀杆密封结构改进[22]AircraftStructuralIntegrityProgramAirplaneRequirements,”MIL-STD1530,MilitaryStandard,1975.[23]D.J.BenacandB.J.Pendley:paperpresentedatAerospaceConference,Singapore,1989.[24]A.Krigman:InTech,1987,vol.31,pp.47-57.[25]D.Coleman:SpecifyingEngineer,1981,vol.46,pp.60-61.[26]M.D.BernsteinandW.J.Bloomfield:MalfunctionofSafetyValvesDuetoFlow-InducedVibrations,1989ASMEPressureVesselsandPipingConference,vol.154,pp.155-164.[27]M.Rausand:Reliab.Eng.Syst.Saf.,1996,vol.53,pp.7383.[28]J.F.Delong,S.Kahara,K.Yoshikawa,V.Watanabe,andT.Hoda:LessonsLearnedfromFailureofType316StainlessSteelComponentsafterLongServiceatHighTemperatureinEddystoneUnitNo.1,ASMEConferenceonFatigueandCreepCharacteristicsofMaterialsfortheTransportationandPowerIndustries,1994,pp.193-213.[29]D.J.Benac:SwRIReportNo.06-6757-134,SouthwestResearchInstitute,SanAntonio,TX,1995.[30]D.J.Benac:SwRIReportNo.06-5229-139,SouthwestResearchInstitute,SanAntonio,TX,1993.[31]R.A.Page:SwRIReportNo.06-6757-126,SouthwestResearchInstitute,SanAntonio,TX,1996.[32]D.J.Benac:SwRIReportNo.06-7095-101,SouthwestResearchInstitute,SanAntonio,TX,1995.4国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1闸阀概述闸阀的种类比较繁多，一般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极式、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。对于通用闸阀来讲，闸阀具有以下优点：流体阻力小；开闭较省力；介质流向不受限制；不扰流、不降低压力。而且形体简单，结构长度短，制造工艺性好，适用范围广。闸阀的主要缺点如下：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。

闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向垂直，闸阀只能作全开全关，不能作调节和节流。闸板有两个密封面，最常用的楔式闸板阀的两个密封面形成楔形，角度随阀门参数而异，通常为5º，介质温度不高时为2º52′。

闸阀关闭时，密封面可以只依靠介质压力来密封，即依靠介质压力将闸板的密封面压向另一侧的阀座来保证密封面的密封，这就是自密封。大部分闸阀是采用强制密封的，即阀门关闭时，要依靠外力强行将闸板压向阀座，以保证密封面的密封性。

开启阀门时，当闸板提升高度等于阀门通径的1：1倍时，流体的通道完全畅通，但在运行时，此位置是无法监视的。实际使用时，是以阀杆的顶点作为标志，即开不动的位置，作为它的全开位置。为考虑温度变化出现锁死现象，通常在开到顶点位置上，再倒回1/2~1圈，作为全开阀门的位置。因此阀门的全开位置，按闸板的位置（即行程）来确定。

优点：流体阻力小，密封面受介质的冲刷和侵蚀小；开闭较省力；介质不受流向限制，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

缺点：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。4.2闸阀分类4.2.1按闸板的构造分平行式闸阀：密封面与垂直中心线平行，即两个密封面互相平行的闸阀；楔式闸阀（如图1所示）：密封面与垂直中心线成某种角度，即两个密封面成楔形。在楔式闸阀中，又有单闸板，双闸板和弹性闸板之分。重型闸阀，结构简单，使用可靠，但对密封面角度的精度要求较高，加工和维修较困难，温度变化时楔住的可能性很大。双闸板楔式闸阀在爱水和蒸汽介质管路中使用较多。它的优点是：对密封面角度的精度要求较低，温度变化不易引起楔住的现象，密封面磨损时，可以加垫片补偿。但这种结构零件较多，在粘性介质中易粘结，影响密封。更主要是上，下挡板长期使用易产生锈蚀，闸板容易脱落。座封闸阀，它具有单闸板楔式闸阀结构简单，使用可靠的优点，又能产生微量的弹性变形弥补密封面角度加工过程中产生的偏差，改善工艺性，现已被大量采用。图1楔式明杆闸阀4.2.2按阀杆的构造分类：1.明杆闸阀(如图二):手轮（或其他驱动装置）固定在阀杆螺母上，当手轮（或其他驱动装置）转动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：手轮（或其他驱动装置）固定在阀杆上，阀杆螺纹固定在闸板顶部，当手轮（或其他驱动装置）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。图2明杆闸阀图3暗杆闸阀4.2.3主要特点1、结构紧凑、设计合理、阀门刚性好、通道流畅，流量系数小2、密封面采用不锈钢和硬质合金，使用寿命长3、采用柔性石墨填料、密封可靠，操作轻便灵活4、驱动方式为手动、气动、电动、齿轮传动5、结构形式为弹性楔式单闸板、刚性楔式单闸板双闸板型式4.2.4执行标准设计规范：GB/T12234结构长度：GB/T12221连接法兰：JB/T79试验与检验：JB/T9092压力-温度：GB/T9131产品标识：GB/T122204.2.5楔式闸阀主要技术参数额定压力2.5～40Mpa公称通径25～200mm适用温度-29～121℃适用介质原油、水、天然气4.2.5楔式闸阀性能规范公称压力PN（MPa）壳体试验压力（MPa）上密封密封（液）密封（气）2.84.06.00.67.010.015.011.00.611.016.024.018.00.618.04.2.6主要零件材料零件名称材料Z41T-10Z41W-10阀体、阀盖、阀轮灰铸铁灰铸铁阀板灰铸铁+黄铜灰铸铁阀杆碳钢碳钢丁楔铸钢铸钢阀杆螺母碳钢/球墨碳钢/球墨4.3目前在国内内闸阀主要应用：1.城市建筑用阀门：城建系统一般采用低压阀门，目前正向环保型和节能型发展。环保型的胶板阀、平衡阀及金属密封蝶阀正在逐渐取代低压铁制闸阀。国内城市建筑需用阀门多为平衡阀、软密封闸阀、蝶阀等。2.城市供热用阀门：城市代热系统中，需用大量的金属密封蝶阀、水平平衡阀及直埋式球阀，因这类阀解决管道纵向、横向水力失调问题，达到节能、代热平衡的目的。3.环保用阀门：国内环保系统中，给水系统主要需用中线蝶阀、软密封闸阀、球阀、排气阀（用于排除管道中的空气）。污水处理系统主要需用软密封闸阀、蝶阀。4.城市燃气用阀门：城市燃气占整个天然气市场的22％，阀门用量大，其类型也多。主要需要球阀、旋塞阀、减压阀、安全阀。5.长输管线用阀门：长输管线主要为原油、成品油及天然管线。这类管线需用量居多的阀门是锻钢三体式全通径球阀、抗硫平板闸阀、安全阀、止回阀。石化装置用阀门：a.炼油装置，炼油装置需用的阀门大多是管道阀门，主要为闸阀、截止阀、止回阀、安全阀、球阀、蝶阀、疏水阀。其中闸阀需量占阀门总数的80％左右，(阀门占装置总投资的3％~5％)。b.化纤装置，化纤产品主要有涤纶、晴纶、维纶三大类。其需用的阀门是球阀、夹套阀（夹套球阀、夹套闸阀、夹套截止阀）。c.丙烯晴装置，该装置一般需用API标准生产的阀门，主要为闸阀、截止阀、止回阀、球阀、疏水阀、针型阀、旋塞阀。其中闸阀占阀门总量的75％。d.合成氨装置，由于合成氨原和净化方法不同，其工艺流程也不同，所需阀门的技术性能也不同。目前，国内合成氨装置需用闸阀、截止阀、止回阀、疏水阀、蝶阀、球阀、隔膜阀、调节阀、针型阀、安全阀、高温低温阀。其中截止阀占装置用阀总数的53.4％，闸阀占25.1％，疏水阀占7.7％，安全阀占2.4％，调节阀和低温阀及其它占11.4％。e.乙烯装置，乙烯装置是石油化工的龙头装置，其需用阀门种类繁多。闸阀、截止阀、止回阀、升降杆式球阀占大多数。其中闸阀需用量居首。因此闸阀具有相当广阔的市场前景。4.4闸阀使用中常见问题及措施4.4.1常见问题1.阀杆断裂和变形（1）断裂阀杆断裂一般发生在上下螺纹根部，此处截面积最小，易出现应力集中及超标现象。尤其当工作条件较大地偏离设计参数时。另一类阀杆断裂事故则发生于开启瞬间。表现为闸板尚未脱离阀座，阀杆即在上或下螺纹根部断裂。其原因通常认为是闸板卡住，这其实只是部分原因或次要原因。一个重要原因是阀体中腔关闭后的异常升压，亦即阀门关闭后，封闭于上下游两侧密封面之间的中腔流体压力远高于上游压力的现象。产生这种现象有两种原因。其一中腔流体被上游流体加热升温发生膨胀，导致压力剧烈升高。其二闸板关闭瞬间流体封闭于中腔，无法外流，中腔空间被阀杆进一步挤压，由于液体的可压缩性十分有限，也会使压力剧增。同时，其异常升压一般会成几何级数增加，远远超过阀杆强度设计极限。(2)变形阀杆弯曲一般出现在电动阀门电装调试不当时，如关闭力矩过大又未设行程保护或失调等，其对阀门的破坏非常大。2.泄漏(1)外漏阀门壳体一般采用铸件加工,由于铸件存在气孔、夹渣、裂纹、缩松和疏松等大量缺陷，这些缺陷在阀门的运行中会随时暴露，成为威胁安全运行的隐患。其余则为阀杆、中法兰及端法兰密封出现故障引发。密封件损坏也将导致系统介质大量外漏。另一个原因是阀杆表面因处理工艺或材料选择不当被介质腐蚀或填料不合格腐蚀了阀杆密封表面。阀杆上下运动会由其表面锈蚀处带出填料微粒，反复多次即出现填料间隙泄漏，此时如维护不当，高压或高速介质在极短时间内将填料冲出，形成泄漏。再一个原因也常引起介质的大量外漏，即填料压盖与阀杆间配合间隙过大，阀杆上下运动过程中，会因间隙过大反复摩擦填料带出微末，最终使填料压紧比压下降，导致泄漏。(2)内漏引起阀门内漏的原因很多，新阀门运行不久即发生内漏和关不到位，应为密封面夹杂异物。因此新安装阀门产品投运前认真检查，仔细冲管可减轻这类事故的发生。3.闸板故障（1）卡塞闸板卡塞表现为闸板卡在阀体中腔导轨侧，甚至与阀杆脱离，主要因设计制造不良引发，如导轨接触宽度过短或过长，导轨表面粗糙等。当闸板卡塞在阀座中，而阀杆强行上提时，常常出现闸板T形槽断裂或变形，避开“异常升压”因素，另有温差与关闭力两大原因值得注意。典型的温差工况如阀门在冷态关闭热态后再打开，由于阀杆受热膨胀伸长使闸板进一步压紧，增大闸板的关闭力矩，导致闸板楔住。如热态关闭，冷态打开时，由于两侧阀座热变形引起裆宽变大，冷态则收缩变小，从而导致闸板楔住。上述两种状态如伴随“关闭力”过大，即关得过紧，如电装驱动调试不当或不适当地使用增力机构如扳手或杠杆等，则发生闸板楔住的几率增大。（2）撞裂闸板撞裂(或底部变形)主要出现在Z944／Z964平行板式结构产品中，闸板底部直接撞击阀体底部时发生，多由于电动阀门电装调试不当，关闭行程未设限位或限位失灵时极易发生。密封面裂纹密封面裂纹主要出现在合金钢材料的阀门中，常常由于工艺不合导致，合理的选材以及合理的控制焊接工艺参数可避免。4.4.2可采取的措施(1)设计与制造①国家标准中对闸阀无开度标识要求，普通阀门只能凭手感判断开度，这在许多场合不尽合理。建议阀杆端部设计限位装置，防止阀门过度关闭。②阀杆强度多处减弱，承载能力降低。如螺纹退刀槽根部等，这些部位在中腔异常升压时常常最先断裂。建议DN350以上电动阀门阀杆直径应适当加大，同时加工装配应提高支架上下同轴度，并合理选择电动装置的启闭力矩值。③现行闸阀国家标准中对中腔异常升压现象未涉及，未提出设计内旁路或外旁路的要求，导致升压无法泄放，使用中常出现事故。建议温差较大时，采用平板阀门为宜。④采用铝青铜制造阀杆螺母时，当电装转速较快或启闭较频繁时会很快磨光螺纹牙面，导致阀门无法动作。建议设计时适当增多牙数，有效润滑，并定期维护更换。对于重要阀门应采用合理的填料密封组合，重要的配合面间隙(如自紧密封阀门的阀体与阀盖的配合间隙、阀杆与填料压盖的配合间隙、填料压盖与阀盖配合间隙等)和位置公差(如阀盖与支架的上下同轴度、法兰螺孔位置度等)应严格控制。⑤限于目前的工艺水平，建议重要的高温高压阀门壳体采用全锻钢或锻焊结构制造。阀门的零部件材料应严格按照相关标准选用、检测和处理。⑥导轨加工时应去除棱角，两侧保留充分的结合面，以保证闸板严重偏移也不会脱离导轨。⑦选择合适的密封面材料和硬度匹配，加工中保证表面粗糙度、平面度和吻合度符合要求。阀杆表面处理要达到设计要求，以防其表面锈蚀、腐蚀或镀层早期脱落。（2）安装与调试①建议在重要的高压大口径阀门上下游间增加旁路装置以降低启闭压差，减轻启闭瞬间闸板对密封面的擦伤，同时有利于减小电装力矩，降低制造成本。②中腔安装安全阀是控制异常升压的有效措施，既可保护阀门启闭件，又能维护系统的安全运行。另外在上游侧与中腔间安装外旁路或闸板上游一侧开泄压孔均是有效的可行手段。③管道冲洗应彻底，以免管内杂物(如铁屑，焊渣，焊条头，螺母等)轧伤密封面。④推荐闸阀阀杆垂直向上安装，倾斜安装会增加闸板卡住的几率。水平安装时应有安装支架支撑电装，并在安装时校正阀杆。⑤电动闸阀安装调试时应由专业人员认真按要求操作。开启行程过大或保护力矩过高的后果是拉断阀杆或阀杆螺母卡住等。正确的做法是用手轮调定开启位置，用力矩保护，一般保护力矩控制在20％一30％。关闭行程过大，启闭力矩过大的后果是闸板在阀座中楔住，而启闭力矩过大则可能导致拉断阀杆、闸板T形槽断裂、阀杆螺母卡住等。正确的做法是用手轮调定关闭位置后适当上提闸板1～3mm(主要对高压阀门)，这样可避免中腔异常升压导致的开启力矩过大。（3）运行与维护①建议启闭力矩大于400N·m的阀门应采用增力机构设计，如齿轮机构、撞击手轮、带轴承的阀杆螺母等。电装选型时应预留30％～50％的力矩裕度，不推荐采用气动型楔式闸阀。②自紧密封设计的阀门运行一段时间后应再紧固预紧螺栓，防止压力波动时阀盖下沉引起介质外漏，冲出自密封圈。运行过程中应对填料压紧螺栓和中法兰压紧螺栓进行正常维护，及时紧固。对轴承机构、各类螺纹处定期润滑，及时去除灰尘污垢。定期动作试验(重要阀门应经常启闭测试其动作性能，防止锈蚀卡涩，及时发现隐患)，定期检修(重要阀门应定期检修，检查维护其密封面、驱动机构、密封圈等重要关键部位)，建立设备维护记录档案。4.5国内外发展与国外的闸阀技术相比，国内的闸阀表现出的主要问题在于内漏，外漏，外观质量不够高，寿命得不到保证等，因此在进一步的发展开发中应当着重注意闸阀的耐高温，耐高压，耐磨耐蚀，而且尽可能保证零泄漏。高温阀一般是指用于介质工作温度t>450℃的阀门。由于此类高温闸阀（如图四）在使用过程中，一般是在常温下安装，使用时会处在较高温度下，其紧固件如螺栓等会因受热膨胀，间隙增大，因此应用时应当特别注意再次拧紧（热紧），否则可能引发泄露，而且对于材料，密封件都有着特殊要求；高压阀（如图五）主要指工作压力在9.81MPa以上，78.48MPa以下的阀门，由于所承受的压力较高材料要求很高，在高压下部分部件会出现变形而造成泄露。因此在技术方面还需要进一步的提高。提高专项技术，端正发展思路，脚踏实地，相信在不久的将来我国的闸阀技术必定能够赶上胜出国外的企业，为国家的社会主义建设做出更大的贡献.图4：高温阀 图5：高压阀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）认识清楚楔式弹性闸阀的基本概况，主要在传统楔式闸阀的基础上做出改进，使得闸阀的密封效率，耐高温，耐高压等性能得到提高，适应更加广阔。（2）楔式弹性闸阀的结构设计，确定密封，连接方式等。（3）阀主要参数设计计算（4）绘制零件图及成品组装图（5）关键零件强度校核，其中对于部分主要零件用ansys作有限元分析5.2研究的关键问题及解决方法5.2.1楔式闸板分弹性闸板、楔式闸板和楔式双闸板。1.弹性闸板。闸板的垂直平分面上加工出一个环形沟槽，从而使闸板具有一定的弹性。正是这弹性变形，在闸板闭合时，补偿闸板密封面上与阀座密封面之间锲角的偏差，到达好的吻合，以保证密封。弹性闸阀密封面可靠。适用于各种压力和温度的中小口径闸阀，要求介质中含固体微粒要少，以防挤塞在闸板环形槽内，影响弹性密封性。2.锲式单闸板（如图六）。它是整体的锲式闸板。启闭过程中密封面易发生擦伤，温度变化易使闸板锲住。他是用于常温、中温、各种压力的闸板。3.锲式双闸板（如图七）。它是由两块闸板组合而成，用球面顶心绞接成锲形闸板。其优点是对密封面角度的精度要求较低；闸板密封面磨损后可以在顶心处加垫片补偿；温度变化不易引起卡主现象，也不宜擦伤。由于闸板是活动连接的，且零件较多，在粘性介质中容易粘结，影响密封。特别是上下挡板常年锈蚀后闸板任意脱落。它通常用于通水、蒸汽、煤气管路上。图6：楔式单闸板图7：楔式双闸板5.2.2闸阀密封原理闸阀不管其具体结构如何，密封基本原理可分为如下三类：1.自动密封：即通过介质力，在Q介质>Q密封条件下，使阀门在出口端密封。2.单面强制密封：即当通过阀杆轴向力作用在阀板后，进口端介质达到某一压力后流入中腔，然后通过楔紧力和介质作用力作用下出口密封。3.双面强制密封：即当通过阀杆轴向力作用在闸板后，由于楔紧力而使进出口均密封。5.2.3阀杆形式的选择闸阀的阀杆一般来说有明杆和暗杆两种形式：为明杆和暗杆两种，根据本次设计的闸阀通径为300mm，选择暗杆形式。6完成所必须具备的工作条件及解决的方法原始数据及工作条件：（1）公称通径：DN=300mm；（2）公称压力：PN=4.0MPa；（3）适用温度：≤425℃;（4）适用介质：水、蒸汽、油品；（5）结构尺寸要求：长度L=850mm；全开高度H<1350mm。7工作的主要阶段、进度与时间安排参考如下：第1周-第2周：收集资料，并翻译一篇不少于3000字的外文资料，阅读文献并完成开题报告。第3周-第4周：详细了解楔式闸阀的相关数据，确定设计方案，进行基本参数设计计算。第5周-第6周：结构设计并进行结构强度计算。第7周-第10周：根据已确定的闸阀各项尺寸，绘制主要零件图及装配图。第11周：撰写说明书。第12周：制作毕业答辩PPT，完善论文，打印论文并准备答辩。8指导教师审查意见预留签字的空间，至少5行以上。ⅢⅣ学生姓名专业班级题目指导教师职称审查日期审查参考内容：的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。审查意见：指导教师签名：评定成绩（百分制）：_______分评阅教师评语学生姓名专业班级题目评阅教师职称评阅日期评阅参考内容：的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名：评定成绩（百分制）：_______分ⅤⅥ学生姓名专业班级题目答辩时间年月日～时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_______分最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于评分的相关规定)等级(五级制)：_______答辩小组组长(签名)：秘书(签名)：年月日系答辩委员会主任(签名)：系(盖章)楔式弹性闸阀设计【摘要】一般通用闸阀主要分为楔形闸阀式和平行闸板式两类。由于它主要被用来对管道系统的启闭，截断或接通管路中的介质，需要长期与流体直接接触，因此对于它的密封性，耐磨，防锈，抗腐蚀能力都有较高的要求。闸阀材料，加工过程加工出的闸阀，可以实现适应高温，高压等高强度的工作要求。本文就楔式弹性闸阀的结构及其工作原理，阀杆的形式，以及阀板形式的选择进行了讨论。并计算了闸阀的一些主要参数。并进行了验算。【关键词】楔式弹性闸阀，闸阀的结构，工作原理，主要参数计算，验算。ⅦⅧElasticwedgegatevalvedesignStudents:HeXiaomengYangtzeuniversityinstituteofengineeringtechnologyTutor:ZhangXianyongYangtzeuniversityinstituteofmachinery[Abstract]thegeneralvalveismainlydividedintowedgegatevalveandparallelgatetwo.Becauseitismainlyusedtoopenandclosethepipelinesystem,cutofforconnectedtomediuminpipeline,needlong-termdirectcontactwithfluid,sotheseal,itswearresistance,anti-rust,anti-corrosionabilityhavehigherrequirements.Gatevalvegatevalvematerials,processingprocess,canrealizetheadaptationtohightemperature,highpressure,highstrengthworkrequirements.

Inthispaper,thestructureandworkprincipleofflexiblewedgegatevalve,valvestemform,aswellasthechoiceoftheformofvalveplatearediscussed.Someofthemainparametersandcalculationofvalve.Andchecked.

[keyword]flexiblewedgegatevalve,gatevalvestructure,workingprinciple,mainparametercalculation,checking..楔式弹性闸阀设计前言闸阀在管道系统中是十分重要的一个组成部分，作为流体管路中的控制装置，其基本功能是接通或者切断管路介质的流通，只能作全开和全关，不能作为调节和节流的用途。工业用的阀门大量应用是在蒸汽机的阀门之后，特别是近几十年来，随着科学技术的发展，石油、化工、电力、冶金、核能等方面的应用技术越来越纯熟，闸阀在在机械制造业，能源开发，化工医疗等领域都有着相当广阔的应用空间。通用闸阀主要分为楔形闸阀式和平行闸板式两类。由于它主要被用来对管道系统的启闭，截断或接通管路中的介质，需要长期与流体直接接触，因此对于它的密封性，耐磨，防锈，抗腐蚀能力都有较高的要求。闸阀在油气开采中担负着钻井液，油，天然气等各种可流动介质开启或关闭的重任，在低温低压的条件下也可以调节控制流量，不同的闸阀结构，闸阀材料，加工过程加工出的闸阀，可以实现适应高温，高压等高强度的工作要求。尤其是在石油天然气的开采过程中，钻机的循环系统设备配备着全套的钻井液循环设备，例如钻井泵，地面高压管汇，钻井液净化等，同时采油井口装置也主要由套管头装置，油管头装置和采油树三大部分，这些地面设备正常的运转必须使用到大量的阀门来实现，其中闸阀是使用最为广泛的阀门，其工作性能的优直接影响到油气开采顺利稳定的进行。闸阀适用于不需要频繁启闭，而且保持闸板全开或者全闭的工况，对于高速高压的介质，闸板在开启关闭的时候都会出现不同程度的振动，也承受着比较大的介质压力，这些振动和压力会对闸板和阀座产生损伤，降低闸阀的使用寿命。而楔式弹性闸阀由于采用了楔式的弹性阀板，具有楔式闸阀和弹性闸阀的优点，可以在工作过程中对高压和振动起到一定的缓冲作用，缓和闸板和阀座的损伤，以实现更好的密封效果，性能更稳定，工作寿命更长。通常来说，闸阀都是有驱动装置，运动机构，关闭件，密封件，紧固件和壳体组成，在本次设计计算中，主要对楔式弹性闸阀的主要结构，材料的选择，以及密封形式选择进行了一些研究计算。楔式弹性闸阀设计选题背景第38页（共39页）第7页（共39页）1选题背景1.1研究目的和意义由于阀门在火电、核电、水电、大型石油化工、石油天然气集输管线、煤液化及冶金等重人工程建设中占据着越来越重要的低位，需求量也逐步增大。同时，在目前开发陆地石油和海上石油过程中，钻采设备使用的阀门，及冶金、大型乙烯、高压聚乙烯等重大化工工程技术手段也趋于成熟，配套使用的专用特殊阀门和超大口径阀门，也逐渐开始进入批量需求。此外在当今城市现代化建设中对新型材料阀门和各种环保阀门也由来一定的要求。因此，对于阀门这个技术已经成熟的产品需要进一步的拓展其功能及应用范围，有必要进行进一步的深挖改进。闸阀是在管道系统中十分重要的一个组成部分，只能作全开和全关,不能作为调节和节流的用途，在机械制造业，能源开发，化工医疗等领域都有着相当广阔的应用空间。一般通用闸阀主要分为楔形闸阀式和平行闸板式两类。由于它主要被用来对管道系统的启闭，截断或接通管路中的介质，需要长期与流体直接接触，因此对于它的密封性，耐磨，防锈，抗腐蚀能力都有较高的要求。其中楔式弹性闸阀具备弹性闸阀和楔式闸阀的共同优点，密封性能好、寿命长，尤其被广泛的应用于石油化工，火力发电水蒸气管路系统中，主要有阀体，阀盖，阀杆和密封闸板等关键组成部分。在实际中，由于闸阀长期的暴露于相对恶劣的环境中，时常会出现生锈，失效等问题，影响整个管道系统的的正常工作。在本次设计中，将在已经学习的知识基础上，对通用的楔式弹性闸阀进行设计和研究，同时综合锻炼自己的实际操作及新知识学习的能力，进一步学习更深层次的知识，在以后的工作生活中，为社会做出贡献。1.2闸阀概述闸阀是利用闸板和阀座来控制启闭的阀门。闸阀主要由阀体、阀座、闸板、阀杆、阀盖、填料函、填料压盖、阀杆螺母、手轮等构成。依靠闸板与阀座间相对位置的改变，即可改变通道大小又可截断通道。为使闸阀能够关闭严密，闸板与阀座配合面经过研磨。闸阀的种类比较繁多，一般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极式、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。对于通用闸阀来讲，闸阀具有以下优点：流体阻力小；开闭较省力；介质流向不受限制；不扰流、不降低压力。而且形体简单，结构长度短，制造工艺性好，适用范围广。闸阀的主要缺点如下：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。闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向垂直，闸阀只能作全开全关，不能作调节和节流。闸板有两个密封面，最常用的楔式闸板阀的两个密封面形成楔形，角度随阀门参数而异，通常为5º，介质温度不高时为2º2′。闸阀关闭时，密封面可以只依靠介质压力来密封，即依靠介质压力将闸板的密封面压向另一侧的阀座来保证密封面的密封，这就是自密封。大部分闸阀是采用强制密封的，即阀门关闭时，要依靠外力强行将闸板压向阀座，以保证密封面的密封性。开启阀门时，当闸板提升高度等于阀门通径的1：1倍时，流体的通道完全畅通，但在运行时，此位置是无法监视的。实际使用时，是以阀杆的顶点作为标志，即开不动的位置，作为它的全开位置。为考虑温度变化出现锁死现象，通常在开到顶点位置上，再倒回1/2~1圈，作为全开阀门的位置。因此阀门的全开位置，按闸板的位置（即行程）来确定。相比较于其他阀门，闸阀主要有一下特点：优点：流体阻力小，密封面受介质的冲刷和侵蚀小；开闭较省力；介质不受流向限制，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。缺点：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。1.3闸阀的分类1.3.1按闸板的构造分类平行式闸阀：密封面与垂直中心线平行，即两个密封面互相平行的闸阀；楔式闸阀（如图1所示）：密封面与垂直中心线成某种角度，即两个密封面成楔形。在楔式闸阀中，又有单闸板，双闸板和弹性闸板之分。重型闸阀，结构简单，使用可靠，但对密封面角度的精度要求较高，加工和维修较困难，温度变化时楔住的可能性很大。双闸板楔式闸阀在水和蒸汽介质管路中使用较多。它的优点是：对密封面角度的精度要求较低，温度变化不易引起楔住的现象，密封面磨损时，可以加垫片补偿。但这种结构零件较多，在粘性介质中易粘结，影响密封。更主要是上，下挡板长期使用易产生锈蚀，闸板容易脱落。弹性座封闸阀，它具有单闸板楔式闸阀结构简单，使用可靠的优点，又能产生微量的弹性变形弥补密封面角度加工过程中产生的偏差，改善工艺性，现已被大量采用。图1楔式明杆闸阀1.3.2按阀杆的构造分类1.明杆闸阀(如图2):手轮（或其他驱动装置）固定在阀杆螺母上，当手轮（或其他驱动装置）转动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。图2明杆闸阀图3暗杆闸阀2.暗杆闸阀（如图3）：手轮（或其他驱动装置）固定在阀杆上，阀杆螺纹固定在闸板顶部，当手轮（或其他驱动装置）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。1.4闸阀的主要问题闸阀使用后，由于介质温度、压力、腐蚀及各接触件相对运动等作用，常出现以下问题。1.泄漏：泄漏分为两种，即外部泄漏和内部泄漏。外部泄漏向阀外的泄漏称为外漏，外漏常见于填料箱、法兰连接处。填料箱泄漏的原因:填料品种或质量不符合要求；填料老化或阀杆磨损；填料压盖松动；阀杆表面擦伤。法兰连接处泄漏的原因:垫片材质或尺寸不符合要求；法兰密封面加工质量差；连接螺栓紧固不当；管道配置不合理，在连接处产生过大附加载荷。阀门外部泄漏的修理由于填料磨损、填料压盖相对松动而出现泄漏时，可关闭阀门，再紧一紧填料压盖。如果用压紧填料压盖的方法不能消除泄漏，说明填料失去弹性，无补偿能力，应将填料全部更换。压紧填料时，应对称上压盖螺栓，避免压盖倾斜，并留有供压紧用的间隙。在压紧填料的同时应转动阀杆，以使阀杆周围填料均匀，并防止压的太死，以免影响阀杆转动，增加对填料的磨损，缩短使用寿命。阀杆表面擦伤，使介质易于外漏，应法兰连接处产生过大附加载荷，都有利于防止法兰连接处的泄漏。擦伤，使介质易于外漏，应加工消除阀杆表面伤痕后再使用。对法兰连接处的外漏，若为垫片损坏，应更换;若为垫片材质选择不当，应选择能满足使用要求的材质;若为法兰密封面加工质量差，须拆下后对法兰密封面重新加工，直至合格为止。除此之外，适当紧固法兰螺栓，正确配置管道，避免在法兰连接处产生过大附加载荷，都有利于防止法兰连接处的泄漏。内部泄漏阀门关闭不严形成的泄漏为内部泄漏。阀门内部泄漏的原因:是阀门密封面受到损坏或密封圈根部不严造成的。阀门内部泄漏的修理内部泄漏的修理，是消除密封面损伤及密封圈根部不严(当密封圈用压入法或螺纹固定在阀板或阀座上时)。若密封面是在阀体、阀板上直接加工而成，不存在根部不严及泄漏的问题。当密封面严重损坏，且密封面是由密封圈形成时，应将旧圈去掉，另配一个新密封圈;若密封面是直接在阀体上加工出来的，则应先将损坏的密封面除去，之后将新换的密封圈或加工后的表面研磨成新的密封面。当密封面的划痕、撞伤、压伤、凹痕等缺陷小于0.05mm时，可用研磨消除。密封圈根部发生泄漏，当密封圈采用压入固定时，可将聚四氟乙烯带或白厚漆置于阀座或密封圈环槽底部后，再压入密封圈，使密封圈根部被填塞;当密封圈为螺纹固定时，应将聚四氟乙烯带或白厚漆置于螺纹间，以阻止流体从螺纹间泄漏。2.腐蚀：腐蚀常为阀体、阀盖、阀杆、法兰密封面腐蚀。腐蚀主要是由于介质的作用，也有填料、垫片中释放出离子的作用。一般情况下阀门的腐蚀，阀体、阀盖为均匀腐蚀，而阀杆常为点蚀。修理时，应先将腐蚀产物除去，对出现点蚀麻坑的阀杆，应在车床加工，消除凹陷，改用含有缓释剂的填料，或用蒸馏水清洗填料，除去填料中对阀杆有腐蚀作用的离子。3.擦伤闸板与阀座在有一定接触比压情况下做相对运动时，发生的局部表面拉毛或剥落现象。密封面易擦伤的阀门在使用中，应尽量防止密封面擦伤，关闭阀门时扭矩不能过大。如果密封面擦伤可用研磨消除。1.5国内外技术现状1.5.1国内的闸阀生产现状现在国内约有3000家的大小阀门生产厂家，尽管良莠不齐，但产品品种已达3000多个型号，近4万个规格。在多品种、密封性能、强度要求、调节功能、动作性能和流通性能，特别是密封性能，都有了长是的进步。最近的数十年来，在少数阀门企业的带动下，确有明显的进步，成就斐然。制造水平不断得以提高，自从80年代以来，阀门的骨干企业加大了技术研发力度，通过引进技术、消化吸收结合自主研发，使得阀门业的制造水平和产品质量较之以前有很大提高，目前，国民经济系统中所使用的阀门多为国产。在发展过程中培育出了一批有一定技术实力的企业，如拥有高温高压电站阀门技术的开封高压阀门有限公司，拥有双金属疏水阀制造技术的大连大高阀门有限公司，拥有模块化智能调节阀技术的吴忠仪表股份公司，等等，都具有相当的研发实力，资金实力也较为雄厚，在激烈的市场竞争中能够独挡一面。而且新产品的研发有了很大的突破，如24通旋转阀、输送换向阀和滑板阀、二偏心复合圈金属密封蝶阀等等。我国的阀门行业已经能够生产出高性能、高质量的工业阀门，尤其是有些新产品已经达到或者接近世界先进水平，如低温波纹管氯气阀、高温高压Y型波纹管截止阀、亚临界和超临界高温高压截止阀等。1.5.2闸阀制造技术与国外的差距经过几十年的努力，尤其是近五年的快速发展，我国阀门行业已经取得了很大进步和成就，许多关键阀门得到突破，如部分核电、超临界火电和天然气长输管道用关键阀门都有了供货业绩。但由于国内阀门行业起步晚，还处于发展阶段，阀门设计、制造、生产和试验能力低于国外先进水平，加上自动化控制水平的限制，因此，在高端阀门技术方面与发达国家还有一定差距，行业发展过程中还存在一些问题。国内骨十企业有一定的研发条件。而人多数阀门企业的研发中心受人员、设施的限制，研发与技术服务能力均较封闭，主要是根据所属企业需要对企业服务，职能也相对简单，根据销售订单进行阀门设计、工艺编制和阀门生产过程中的现场技术处理，或者从事少量的新产品研发。一些技术和分析还没有被完全掌握。国内产学研合作程度较低，自主开发的产品技术含量相对也比较低，缺少困家级的阀门技术工程中心，这都是导致国内阀门产品总体技术水平偏低的主要原因。同时工艺装备也相对落后，高端阀门对钢水的化学成分、含量均匀度要求严格，不允许有夹渣、气孔存在。国外采用精炼工艺，使用较多的ADD炉(氢氧脱碳精炼)，AOD工艺是生产超低碳不锈钢及纯净高质量合金钢的先进技术，由此生产的铸钢件具有优良力学和工艺性能(较高的机械性能改善钢材塑性冲击韧性)，满足高端阀门对钢水的要求。而国内还没有采用这种先进工艺生产铸件。生产高端阀门大锻件的模锻设备也不具备，还是采用的是常规的自由锻工艺。2闸阀的方案论证2.1楔式弹性闸阀结构工作原理本设计所采用的是楔式弹性闸阀，主要结构采用明杆单楔式闸板形式。在启闭闸阀时，施加力旋转手轮，带动阀杆螺母转动，由于阀杆螺母被阀杆压盖固定在阀盖内槽中，阀杆就在梯形螺纹的升力作用下上升或者下降，实现闸阀的启闭。一般闸板都有两个密封面，最常用的楔式闸板阀的两个密封面形成楔形，楔形角随阀门参数而异，通常为5°，介质温度不太高（常温）时可以为2°52'。楔式闸阀的闸板做成一个整体时，叫做刚性闸板；也可以做成能产生微量变形的闸板，以改善其工艺性即为弹性闸板。楔式弹性闸板可以通过细微的变形改善闸板和阀座间的密封性能，达到更好的密封效果，也有些楔形闸板阀的密封效应是靠工作介质的压力以及本身的弹性力把楔形闸板推向阀门通道的支撑面上，其密封效果靠侧向推力来保证。典型的闸阀结构如下图（图4）：闸阀的方案论证图4明杆楔式弹性闸阀结构示意图闸阀的方案论证第39页（共39页）2.2阀杆的形式一般来说，闸阀的阀杆主要有明杆和暗杆两种形式：1.明杆闸阀是阀杆螺母被固定在阀杆或支架上，再用阀杆压盖压紧，开闭闸板时，旋转阀杆螺母靠梯形螺纹产生升力来实现阀杆的升降，阀杆不旋转，结构比较简便。这种结构开闭程度明显，可以直观的识别闸阀的启闭程度，同时螺纹也露出阀盖，对阀杆的润滑有利，可以方便的润滑，故被广泛选用。2.暗杆闸阀的阀杆螺母安装在阀体内与介质直接接触，开闭闸板时用旋转阀杆来实现。由于安敢闸阀不能直观的感知闸阀的启闭，所以使用暗杆闸阀时都必须装启闭指示器，以指示开闭程度。这种结构的最大的缺点是阀杆的螺纹隐藏在阀盖中，不仅无法润滑，而且长期直接受介质的侵蚀，容易损坏。但是，这种结构也有一个最大的优点就是在闸阀的启闭过程中，闸阀的总高度保持不变，因此安装空间比明杆闸阀要小，适用于大口径的闸阀或者对安装空间有特殊限制的场合下。表一明杆与暗杆比较在本次闸阀的设计计算中，由于所需公称压力较大，阀杆受力要求较高，介质也有一定的腐蚀性，采用的是明杆形式。2.3闸板形式的选择闸板的形式主要有两种，即楔式闸板和平行式闸板：1.楔式闸阀指闸板的密封面与垂直中心线成某个角度，即两个密封面成楔形的闸阀。这个角度的大小主要取决于介质温度的高低，工作温度愈高，所取角度应越大，以减少温度变化时发生卡阻的可能性（一般为5°）。这种闸阀的特点在于：对密封面角度的精度要求较低，温度的变化对其密封性能影响不大，不易引起楔住的现象，密封面磨损时，可以加垫片补偿，而且在关闭闸阀之前闸板不会与阀座产生摩擦，恻然减少密封面的磨损。在过去由于这种结构零件较多，在粘性介质中易粘结，影响密封；更主要是上，下挡板长期使用易产生锈蚀，闸板容易脱落，使用受限。目前由于加工工艺的不断改进，生产技术得到大幅度的提高，楔式闸板的良好密封性性能逐步体现出来，得到广泛的应用。2.平行式闸板(平板阀如图5)：它的密封而一与垂直中心线平行，是两个密封画互相平行的闸阀。阀座密封采用固定或浮动的软密封，结构简单，制造容易，磨损较小，密封性好，但体形高，不能强制密封。适用于中低压，大中口径闸阀，油类和天然气等介质。平板闸阀也有单问板阀和双闸板阀之分，单闸板是一块带孔的形状似砖的平整板块，其密封面喷焊硬质合金，两密封面研磨抛光，硬度高，适用中高压的工作条件。当闸阀开启时，闸板上的通孔刚好与阀座孔对准，因而与管道形成一个完整的通道。介质流经阀门时，其阻力损失是比较小的。但是当介质的压力较低时，金属密封面的密封力不足以达到满意的密封效果，介质压力较高时，又会导致密封面的磨损过大，降低使用寿命，而且其闸板在切断高速和高压的介质时会使闸板产生振动，进一步降低平行式闸阀的寿命。图5平行式双闸板图6楔式单闸板而楔式单闸板（如图6）它具有单闸板闸阀结构简单，使用可靠的优点，又能产生微量的弹性变形弥补密封面角度加工过程中产生的偏差，改善工艺性，现已被大量采用。据以上分析，而且本次课题也为楔式弹性闸阀的设计，因此选择楔式单闸板形式。闸阀主要结构参数的计算3闸阀主要结构参数的计算3.1闸阀设计程序3.1.1闸阀设计的基本内容闸阀作为管道系统中一个重要的组成部分，必须保证安全可靠的执行管道系统对该阀门的使用需求。因此，闸阀设计中需要考虑设计的闸阀满足压力、温度、腐蚀、流体以及安装、制造等多方面的要求。（1）介质的工作压力、温度。（2）工作介质的物理、化学等性能。（3）公称通径、结构长度。（4）阀门与管道的连接形式（焊接、法兰连接等）。（5）闸阀的驱动方式（手动、电动、气动等）。在闸阀技术设计和工作图设计时应该掌握的数据和技术要求主要有：（1）闸阀的流通能力和立体阻力系数。（2）闸阀在使用过程中的启闭频率、启闭速度要求。（3）闸阀的工作环境及其保养条件。（4）外形尺寸、整体质量的限制。3.1.2闸阀设计步骤在闸阀的设计中一般采用比较典型的“三段设计法”，把全部的设计过程划分为三个部分：初步设计、技术设计、工作图设计。（一）初步设计在初步设计中，通过阅读大量的现有技术论文、设计资料，了解闸阀的各种形式及其优缺点，根据任务书的要求，结合技术数据确定最佳的设计方案来进行工作。同时绘制出部分草图。（二）技术设计根据初步设计得出的数据结论，进行更进一步的设计计算，对闸阀的各个结构的细节、尺寸进行计算、校核，保证在满足安全系数。根据计算的数据绘制出必须的零件图，并给出闸阀的结构装配图。（三）工作图设计工作图设计时根据技术数据绘制全部的图样，编制必须的设计文件。在本次楔式弹性闸阀的设计计算中，主要进行前两个步骤的工作，绘制出闸阀的结构装配图，主要零件图，对主要的零部件进行校核计算。3.2原始数据（1）公称通径：DN=300mm；（2）公称压力：PN=4.0MPa；（3）适用温度：≤425℃；（4）适用介质：水、蒸汽、油品；（5）结构尺寸要求：长度L=850mm；全开高度H<1350mm3.3主要零件的设计计算及校核3.3.1密封面比压的验算密封面比压计算公式：④式中：阀座密封面内径d=300mm；阀座密封面宽度bm=9mm；出口端阀座密封面上的总作用力：式中：作用在出口密封面上的介质静压力：；①密封面上达到必需比压时的作用力：；②代入得：；代入④得：；查表得：密封面必需比压；密封面许用比压；则得：验算合格。3.3.2阀体最小壁厚计算：1.查表法：按GB/T12234-2007查表的阀体最小壁厚为：t=31.8mm。2.计算法：按塑性材料薄壁阀体厚度公式计算：式中：设计压强；设计内径；许用拉应力；附加裕量；代入上式得：；则最小壁厚实际取。3.3.3闸板的计算：式中：圆弧过渡外半径密封面平均半径查表得：计算式：；系数：K=1.24（自由周边：钢1.24）；计算压力p：10.0Mpa；许用弯曲应力〔σw〕=470MPa；腐蚀余量C：7mm；图7楔式单闸板代入上式得：；实际厚度（查表）；则得：合格。3.3.4阀杆强度计算关闭时阀杆总轴相力:；①开启时阀杆总轴向力:；②阀杆最大轴向力（取Q′F、Q″FZ较大值）：查表3-28得：系数:密封面处介质作用力，由1序号①得:；密封面上密封力，由1序号②得:；阀杆径向截面上介质作用力：；阀杆直径：设计给定；计算压力p=10.0MPa；阀杆与填料摩擦力：；③查表3-15得（按）：系数：；填料深度；填料宽度；轴向拉应力：；轴向压应力：；查表3-17（按退刀槽处At）得：对于暗杆闸阀和DN≤400mm的明杆闸阀，其有效直径按下式计算：计算得到有效或者按照退刀槽处直径，根据梯形螺纹标准（GB/T5796梯形螺纹）查得有效阀杆最小截面积；扭应力：；关闭时阀杆力矩；④螺纹摩擦力矩阀杆与填料间摩擦力矩查表3-16得：螺纹摩擦半径；查表3-17（按退刀槽处At）得：阀杆最小抗扭截面系数；由第三强度理论：查表得许用拉压力：；许用压应力：；许用扭应力：；许用合成应力：；，，,合格。3.3.5阀杆头部强度验算剪应力：；开启时阀杆总作用力，由4序号②得：；阀杆与填料摩擦力，由4序号③得：；查表：7-35得图示b=48mm；图示h=25mm；查表3-7得：许用剪应力：〔τ〕=540Mpa；注：τ<〔τ〕合格。图8阀杆头部示意图3.3.6阀杆稳定性验算允许细长比：；实际细长比：；支承型载影响系数：；阀杆直径：；计算长度：；图9升降杆简图查表3-22得：临界细长比：；压应力：；关闭时阀杆总轴向力，由4序号①得：；阀杆截面积：由图3-2得：实际许压应力：；注：1.合格。2.合格。3.3.7中法兰连接螺栓螺栓材料：35CrMn1.常温时强度验算：操作下总作用力：；最小预紧力：Q″=143309N；螺栓计算载荷（取Q'或Q"中较大值）：；②垫片处介质作用力：；垫片平均直径：；（设计给定）计算压力：p=10Mpa；（设计给定）垫片上密封力：；由表3-23（根据）得：垫片有效宽度：；垫片宽度：；（设计给定）由表3-24得垫片系数；垫片弹性力：；系数：η=0.2（按固定法兰取0.2）；关闭时阀杆总轴向力，由4序号①得：；必须预紧力：；查表3-24得：密封面预紧比压：；垫片形状系数：（按圆形取1）；螺栓拉应力：；螺栓总截面积：螺栓数量Z=16；（设计给定）由表3-9（根据dL）得：单个螺栓截面积：；螺栓直径；（设计给定）查表得（根据）许用拉应力：；螺栓间距与直径比：；法兰中心圆直径：；（设计给定）注：合格合格2.中法兰连接螺栓初加温时强度验算螺栓计算载荷：N；①常温时螺栓计算载荷，由7.1序号②得：；初加温时螺栓温度变形力：；由表3-25（根据t）得；初加温时温度差：△t′=35℃；介质工作温度T：425℃；（设计给定）由表3-8（根据t′L）得：材料线胀系数：℃螺栓计算长度：中法兰厚：h=74mm；(设计给定)垫片厚度：；（设计给定）中法兰温度：；②螺栓温度：；螺栓总截面积，由7.1序号③得：；查表3-8（根据t′L）得：螺栓材料弹性模量：；垫片面积：；垫片平均直径：；（设计给定）垫片宽度：；（设计给定）查表3-24得：垫片材料弹性模量：；螺栓拉应力：；安全系数：；查表3-8(根据t′L)得：屈服点：；合格3.中法兰连接螺栓高温时强度验算螺栓计算载荷：；①常温时螺栓计算载荷，由7.1序号②得：；高温时螺栓温度变形力：；由表3-25（根据t）得：高温时温度差：；介质工作温度：t=425℃；（设计给定）由表3-8（根据）得：材料线胀系数：；由表3-25（根据t）得：初加温时温度差：△t′=90℃；初加温时螺栓温度变形力：Q′t=156748N；中法兰温度，由7.2序号②得：t″F=0.9t=382℃；螺栓温度：；螺栓拉应力：；螺栓总面积，由7.1序号③得：；安全系数：；由表3-8(根据t″L)得：屈服极限：；n″s=14≥1.35合格。3.3.8阀体(中法兰)强度验算常温时比值系数：；初加温时比值系数：；高温时比值系数：；计算载荷(取n，n′，n″中最大时的):=1030946N；常温时螺栓计算载荷，由7.1序号①：=945855N；初加温时螺栓计算载荷，由7.2序号①：=1010644N；高温时螺栓计算载荷，由7.3序号①：=1030946N；由表3-3得：许用弯曲应力：〔σw〕=210Mpa；许用弯曲应力：；屈服点：；表3-2（根据t′F）；中法兰温度,由7.2序号②得：许用弯曲应力：；取的最小值由表3-2得屈服点：；中法兰温度，由7.2序号②得：I-I断面弯曲应力：；力臂；螺栓孔中心圆直径：D1=560mm；（设计给定）中法兰根径：Dm=460mm；（设计给定）断面系数：；中法兰厚度：h=74mm；（设计给定）II-II断面弯曲应力：；力臂：；计算内径：Dn=350mm；（设计给定）断面系数：；注：w1σ＜〔σw〕，σWII＜〔σw〕为合格。3.3.9阀盖的强度验算I-I断面拉应力：；计算压力：p=10.0MPa；（设计给定）计算内径：Dn=350mm；（设计给定）实际厚度：SB=32mm；（设计给定）腐蚀余量：C=4mm；（设计给定）图10阀盖结构简图关闭时阀杆总轴向力：；Ⅱ-Ⅱ断面剪应力：；图示：dr=60mm；（设计给定）由表3-3得：许用拉应力：；许用剪应力：；注：，合格。3.3.10阀盖支架（T型加强筋）I-I断面弯曲应力；关闭时阀杆总轴向力，由4序号①得：；框架两重心处距离L=L1+2Y=360mm；图示：=200mm；(设计给定)图示：Y=〔CA2+(B-C)a2〕/（2〔CA+(B-C)a〕）=80mm；图示:C=40mm；(设计给定)图示:A=60mm；(设计给定)图示:B=80mm；(设计给定)图示:a=40mm；(设计给定)图示:H=260mm；(设计给定)图11阀盖支架简图III-III断面惯性矩；图示：D=190mm；（设计给定）图示：d=52mm；（设计给定）图示：h=90mm；（设计给定）II-II断面惯性矩：；I-I断面系数：III-III断面弯曲应力：；III-III断面弯曲力矩：；III-III断面系数：；I-I断面拉应力：；I-I断面扭矩引起的弯曲应力：；弯曲力矩：；阀杆螺母凸肩摩擦力矩:；由查表3-26（3）得：凸肩部分摩擦系数:TJf=0.30；阀杆螺母凸肩外半径：rw=48mm；阀杆螺母凸肩内半径：rN=26mm；I-I断面合成应力:由查表3-3得：许用拉应力：〔σL〕=470Mpa；许用弯曲应力：〔σW〕=520Mpa；,所以安全。3.3.11手轮总扭矩及圆周力关闭时总矩扭：+=3474565N.mm；关闭时阀杆螺纹摩擦力矩,由4序号④得：=2023479N.mm阀杆螺母凸肩摩擦力矩，由10序号①得：=1451086Nmm；圆周力：=2/式中：手轮直径：=740mm；（设计给定）代入式子的：=922N4闸阀的密封密封可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。静密封主要有点密封，胶密封和接触密封三大类。根据工作压力，静密封由可分为中低压静密封和高压静密封。中低压静密封常用材质较软，垫片较宽的垫密封，高压静密封则用材料较硬，接触宽度很窄的金属垫片。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。一般说来，接触式密封的密封性好，但受摩擦磨损限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。阀门的密封是阀门性能的最重要的指标之一，闸阀的密封是气个比较复杂而且与使用条件和工作坏境紧密相关的问题，它受着多种因素的综合影响。在闸阀中有自紧密封、填料密封、垫圈等多种密封形式都可以得到应用许多数闸阀在使用过程中都会因为各种原因出现泄漏，例如由于铸件存在气孔、夹渣、裂纹、缩松和疏松等大量缺陷，这些缺陷在阀门的运行中会随时暴露，成为威胁安全运行的隐患，会造成外漏；或者由于闸阀本身制造精度问题带来的内漏等。我们应就结构、材质等几方面与密封密切相关的因素，给以充分的讨沦。4.1阀座与闸板的密封根据介质静压力与介质密封力的不同关系，阀座与闸板间的密封可分为以下三种形式：1.自动密封：这种形式的密封是在介质进口端闸板与阀座密封面之间具有间隙，完全依靠介质对闸板的注意力来实现密封。密封性由介质静压力作用于介质出口端来加以保证，因此，只有在介质静压力大于密封力的情况下才有可能采用这种密封形式。2.半自动密封：半自动密封靠介质力和阀杆力的共同作用来实现密封。对于楔式单闸板使用较多。3.单面强制密封：靠阀杆力的作用在闸阀的出口侧密封副来实现密封。这种形式的密封在进口端闸板与阀座密封而之间是不密封的，因此不存在比压或仅有比密封比压小的比压，在介质出口一边闸板与阀座密封面之间的密封性是由阀杆轴向力来强制地加以保证的。当没有介质通过或者介质压力减小时，密封面上的比压力不闸阀的密封得小于密封比压。这是在介质静压力小于密封力时所必须采取的强制密封的一种，也是通常采用的一种。4.双面强制密封：这种形式的密封是考阀杆的作用力在介质的进口和出口两侧都实现密封，闸板与阀座密封面之间都是密封的。密封性是由阀杆轴向力来强制地加以保证。这种密封形式会加大阀板和阀座间的磨损，当没有介质时，密封面之间的正压力不得小于介质静压力与密封力之和。设计中只有在遇到特殊情况才会采用。根据产生密封比