PN40DN300双缸气动弹性单闸板闸阀设计（完成品）机械设计带图纸文档
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PN40DN300双缸气动弹性单闸板闸阀设计（完成品）机械设计带图纸文档,PN40DN300,气动,弹性,闸板,闸阀,设计,完成,机械设计,图纸,文档
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专 业 课 程 设 计 指 导 书 专 业： 机械工程专业方向： 机械制造及其自动化机电学院机械工程系 年12月目 录第一部分 机床主传动系统设计1第一章 概述1第二章 机械制造装备课程设计的方法步骤和要求321 分析研究题目、进行运动设计322 主要零件的计算与初算423 结构设计绘制部件装配草图724 验算主要零件825 绘制正式部件装配图1326 装配图的尺寸标注1427 整理设计内容，编写设计计算说明书16附 录18第二部分 数控工作台机械部分设计22第一章 概述22第二章 工作台结构及参数设计24第三章 步进电机的选择28参考资料30设计说明书书写要求3132第一部分 机床主传动系统设计第一章 概述一. 机械制造装备课程设计的目的机械制造装备课程设计是在学生学完机械制造装备设计课及其它先行课程之后进行的实践性教学环节，是学生进行设计工作的基本训练。目的在于：1、 通过机床主传动系统的机械变速机构设计，使学生树立正确的设计思想和掌握机床设计的基本方法；2、 巩固和加深所学理论知识，扩大知识面，并运用所学理论分析和解决设计工作中的具体问题；3、 通过机械制造装备课程设计，使学生在拟订机床主传动机构、机床的构造设计、各种方案的设计、零件的计算、编写技术文件和设计思想的表达等方面，得到综合性的基本训练；4、 熟悉有关标准、手册和参考资料的运用，以培养具有初步的结构分析和结构设计计算的能力。二、机械制造装备课程设计的内容和工作量为满足教学要求，达到上述目的，机械制造装备课程设计的题目一般拟订为通用机床主传动系统的变速箱部件设计。学生应在规定时间内，独立完成下列计算工作量：1、运动设计 学生根据设计任务书所给定的参数和设计要求，在明确所设计机床用途及主要技术性能的基础上，拟订结构网、转速图，确定齿轮齿数，并核算主轴转速误差，画出传动系统图。2、动力设计 根据给定电动机功率，计算主要零件的尺寸，选择材料，验算主要传动件的应力、变形以及寿命等，是否在允许的范围内。3、机构设计 将运动设计所确定的机床主传动系统（其中包括传动轴系、变速机构、主轴组件、换向、制动、操纵机构、润滑密封等）布置在展开图和截面图内，一般要完成零号图纸1张。4、 编写设计计算说明书一份。详细的设计内容和工作量可见和指导教师的具体布置。 三、机械制造装备课程设计的方法步骤和要求（略，详见本指导书第二章。）四、学时分配、计划进度安排 本次课程设计集中安排三周。根据设计工作程度及对学生的要求，计划进度大致安排如下： 1、理解题目，阅读 指导书 ，拟订总体方案，进行运动设计 2天 2、动力设计主要零件的计算和初算 5天 3、结构设计绘制装配草图 2天 4、验算主要零件 1天 5、绘制正式装配图 2天 6、整理、编写设计计算说明书 2天 7、答辩 五、机械制造装备课程设计成绩考核机械制造装备课程设计结束后，由教研室指派有关教师对学生课程设计进行全面考核，重点考核以下几个方面：1、 工作态度、设计中的表现；2、 刻苦钻研精神，独立工作能力，综合运用所学知识能力；3、 设计图纸和说明书质量；4、 答辩时回答问题情况。综合以上情况，评定学生课程设计成绩。成绩分优、良、中、及格、不及格五级。 第二章 机械制造装备课程设计的方法步骤和要求21 分析研究题目、进行运动设计一理解题目学生在接受机械制造装备课程设计题目之后，应仔细阅读机械制造装备课程设计任务书，了解机课程设计的目的、内容、设计步骤和要求。然后在教师指导下开展设计工作。要理解给定的题目，对设计参数进行分析、研究；明确所设计机床的用途和主要技术性能。二拟订主传动系统总体结构方案根据设计题目中所提出的要求及所设计机床的用途，主要技术性能，并参考同类型机床，拟定主传动系统总体结构方案（及其理由），大致包括：传动形式、变速方式、换向及开停机构、制动机构、润滑装置,操纵机构的选择;变速箱的安装定位方式的选择;电机轴与第轴的联接方式等等.三运动设计关于运动参数,已经统一给定,学生不必花费太多时间去研究,但应该明确参数中 的极限转速值nmin和nmax的确定方法,变速级数Z、 值的大小对机床性能的影响,根据给定的运动参数,完成下列工作:1、依据给定参数(nmin、 nmax、Z、),查表确定主轴的各级标准转速,有时要考虑混合公比。2、列出各种结构和结构网,根据有关原则,通过分析,比较,确定其中最佳方案。3、设计转速图,根据拟订转速图的原则,确定速比的绝对值,画出转速图。4、确定齿轮齿数,用计算或查表法确定齿轮齿数.在确定齿数和Sz时应注意:1）控制齿数和Sz =70100,Szmax 120,最小齿轮齿数Zmin 18 20;2）小齿轮齿根和孔壁或键槽处的壁厚a(1.52) m,或Zmin6.5+2T/m,m为齿轮模数,T轴线到键槽的高度.3）保证两轴承孔之间有一定的壁厚a23 m,或Sz2 (D1+D2)/2+a /m,D1,D2分别为相邻两轴承外径. 4) 应保证轴间有足够的中心距,使车床:轴上齿轮不碰轴上摩檫离合器,铣床:不碰电磁制动器.5) 在三联滑移齿轮块中,最大齿轮齿数与其相邻大齿轮齿数之差应4,以保证滑动时顺利通过,不碰撞。6） 选齿数较大的一个作公用齿轮.齿轮齿数确定后,标注在转速图中相应的传动副连线上。5、核算主轴转速误差,齿轮齿数确定后,主轴的各级实际转速即确定,它与主轴的标准转速总会产生一定的误差,应进行核算。误差一般不应该超过10(-1)%,即应满足:n实n标/ n标10(1)%一般将转速误差的核算列成如下的表格形式:计算式n实n标误差允许值10(1)%结论6、绘制传动系统图1）轴,齿轮,离合器,制动器的排列位置,编号应与将要绘制的展开图相一致。2）标写出电动机的型号、功率、转速、皮带轮直径D1、D2;皮带根数要画上;标写轴号、齿轮的齿数模数。3） 展开图的轮廓线、传动件和执行件的画法要符合制图标准规定。22 主要零件的计算与初算 初步计算主要零件的目的,是为了大致确定传动件零件的主要尺寸,如皮带轮直径,齿轮模数,传动轴直径和主轴轴径等,以便绘制主轴箱的轴系展开图。一. 皮带设计皮带设计的已知条件是:电机功率Nd,转速比i,电机转速nd,计算带轮直径D1、D2,皮带的型号,根数Z，压轴力Q等。设计原则是不打滑,有足够的寿命,传递最大功率,具体设计方法步骤可参阅1p68表5.24, p71表5.210。二齿轮模数的初算在计算齿轮模数和传动轴直径时需要用到其计算转速nj和传递功率Ni,因此应先将各种传动轴和有关齿轮的计算转速nj和各传动轴所传递的功率Ni确定下来,以备计算中使用。1) 只算定比、各变速组中小齿轮的模数。2) 选定标准模数,考虑种类少一些,取一种或两种。首先确定主轴的计算转速,再根据主轴的计算转速图上查取各传动轴和各齿轮的计算转速。各轴和齿轮传递的功率Ni=N总 , 总由电机到该传动件各传动副的效率相乘,但不乘入该轴承的效率。效率值见1p4表5.15。一般同一变速组中的齿轮取同一模数,选择负荷最重的小齿轮按简化的接触疲劳强度公式进行初算:式中:mj按接触疲劳强度计算的齿轮模数, mm Nd驱动电机功率, Kw nj计算齿轮的计算转速, rpm i大齿轮齿数与小齿轮齿数之比,i1;Z1小齿轮齿数;m齿宽系数; m=/ (B为齿宽,m为模数)一般m = 610;j许用接触应力,当 45#调质(T235) j =600Mpa (N/mm2) 45#整体淬火(C42) 1100 (N/mm2) 45#高频淬火(G54) 1370 (N/mm2) 40Cr调质(T265) 650 (N/mm2) 40Cr整体淬火(C48) 1250 (N/mm2) 40Cr高频淬火(G52) 1370 (N/mm2)齿轮模数初算后,根据齿轮精度等级所允许的线速度(见1p225表5.452),要核算高速传动齿轮的线速度( )是否超过允许值。三.传动轴直径的初算 传动轴的直径可按下列扭转刚度公式进行计算:或 式中: d危险断面处轴的直径,当有一个键槽时,可增大45%,当有两个键槽时,可增大710% ;花键轴内径可减小7%,计算后要圆整到标准直径系列,花键轴系列标准见1P554表5.817; Tn该轴传递的额定扭矩, N.mm ； Ni该轴传递的功率,Kw nj该轴的计算转速,rpm 该轴每米长度上允许的扭转角; 一般传动轴=0.51; 要求较高的轴 0.10.5o 要求较低的轴 1.52o计算传动轴直径时,尺寸相接近的尽量取一致,以便于加工轴和孔,统一刀具和量具。一般将计算结果列成表格形式,如:轴号Ninjd初d取 花键轴尺寸 备注四. 主轴轴径的确定对通用机床的主轴尺寸参数多由结构上的需要而定,故主轴前轴颈的尺寸按下表所列的统计数据确定。通用机床主轴前轴颈尺寸(mm)机床 主轴的驱动功率(KW)2.8445.55.57.5车床70907010595130铣床6090609075100普通车床主轴前轴颈的直径D1,后轴颈的直径D2及内孔直径d可按统计公式酌定:D1=0.2Dmax15 (mm)D2=(0.70.85)D1 (mm)d=0.1Dmax10 (mm)式中: Dmax最大加工直径,(mm) 由于初步计算是在绘制装配图之前进行,零件的尺寸、形状和位置尚未确定,在绘制正式装配图过程中变化也比较大。因此,各零件尺寸的初算,不详细计算,待装配图绘制之后,还需仔细验算。所以,零件尺寸的初算不用花费过多时间,但齿轮模数计算一定要正确,必要时可以结合类比法确定。23 结构设计绘制部件装配草图 绘制部件装配草图的目的,是大致确定变速箱部件中各主要传动件(如齿轮、轴、轴承、离合器和箱体等)的轮廓尺寸、形状和相对尺寸等。部件装配草图是在主要零件尺寸初算的基础上绘制的,又是作为校核验算零件尺寸的依据、草图绘制不必过分细致,但部件中各主要零件要全,尺寸要准确,布局要合理。 装配草图的设计依据是已确定的主传动系统总体结构方案;传动系统图;零件的计算与初算;参考同类型机床的装配图。一般绘制成1:1的展开图一张,M1:2的截面图一张(主要用于表示轴的空间位置和部分操纵机构)。部件装配草图的画法,可以参考同类型机床的装配图,布置齿轮的轴向位置,研究齿轮的排列方式.如果需要限制轴向尺寸,可采用公用齿轮或齿轮交替布置,或增加定比传动机构。要注意滑移齿轮要有足够的轴向空间,保证滑移齿轮完全脱开后,才进入新的啮合。传动轴及轴上零件的轴向定位方式要简单可靠,又要便于装拆和调整等。根据主轴组件设计的理论知识,参考结构图册或同类型机床的结构,选择合理的主轴组件的结构,包括轴承类型、配置与调整、主轴前端结构(可参考附录3) 、主轴的轴向定位方式等。考虑问题要全面,除传动机构、变速机构外,尚须注意离合器、制动器、操纵机构和润滑密封装置等,都要统盘考虑,选择的形式、布局等要结合截面(或剖视)图,注意空间位置是否会干涉或与移动件相碰撞。草图绘制完毕后,要请指导教师审阅。24 验算主要零件 根据部件装配图所确定的零件尺寸和各零件间的相互位置关系,分析其受力状态,作用力的大小、方向和着力点位置等,对主要零件进行比较精确的验算。为了节省时间减少重复的计算工作,可由指导教师指定验算的零件和验算内容。但学生应明确这些零件一般都是工作情况严重、支承载荷较大。验算时要着重掌握对问题的分析和计算的方法。当验算结果不能满足性能要求时,可以改变零件材料、热处理方法或修改部分结构,甚至有时要改变原设计方案。一.齿轮模数验算一般按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度验算,选取某轴上承受载核最大的齿轮,即同材料、同模数齿轮中齿数最少、齿宽最小的齿轮进行验算。验算的已知条件为一对啮合的齿轮齿数Z1、Z2,模数m,齿轮传递的功率N,齿轮的精度等级(如88 7 GB/T10095.12001),齿轮材料为45或40Cr,进行高频淬火G52,转速图。其验算公式为1P258表5.482,表5.483;、 按接触疲劳强度验算、 按弯曲疲劳强度验算 式中 ，、0分别为按接触疲劳强度和按弯曲疲劳强度计算所允许传递的最大功率，Kw；、0分别为在基本条件下，按接触疲劳强度和按弯曲疲劳强度计算的Z1、m所允许传递的功率，Kw；0由1P254表5.480查取；0由1P254表5.481查取。这里基本条件是指：（1）齿轮材料为45钢，调质T235; (2) 非变位直齿圆柱齿轮； （3）齿数之比i=1; (4) 10 （5）小齿轮的计算转数n=1000rpm; (6) 加工装配精确； （7） 寿命系数 。凡不符合上述基本条件者，在实际使用时 ，就要按上述两公式，通过相应的系数进行折算。i大齿轮与小齿轮齿数之比， 尺宽系数 nj该齿轮的计算转数，rpm; K材料的弹性模量，由1P259表5.484；Kcj、Kcw分别为材料的接触和弯曲性能系数，由1P259表5.484。 K1载荷集中系数，由1P259表5.487。 K2动载荷系数，由1P260表5.487。 Ksj、Ksw寿命系数，决定因素较多，计算比较复杂，详见1P259(7)。经计算，在此给定：（车床）（铣床） 啮合角影响系数，非变位齿轮 Ksw0.85啮合角影响系数，非变位齿轮；齿形系数，非变位外啮合直齿圆柱齿轮； N齿轮实际传递的功率，Kw。二传动轴刚度验算选择一根受载最重的传动轴（一般是主轴前一根传动轴，或指导教师制定），核算其装齿轮处产生的挠度y和装轴承处产生的倾角、为什么要进行传动轴刚度的核算？（略，详见1P351：六），验算步骤如下：1.计算轴的平均直径，画出计算简图 机床上等径轴较少，当轴的直径相差不大时，可把轴看作等径轴，采用平均直径（各直径之和除以直径数）来进行计算，即阶梯轴 d平花键轴 d平（d外d内）/2一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁，选择该轴上转速最低，受力最大的大齿轮（被动）传入该轴，选择该轴上最小的齿轮（主动）传出，这两个齿轮处的受力为载荷点进行计算。其受力简图为图一。2.计算该轴传递的扭矩Tn; 式中 Ni该轴传递的功率，Kw; nj该轴的计算转速，rpm;3.求作用在装齿轮处B点的力切向力 径向力 式中，d齿轮的分度圆直径，d=mZ;压力角，标准齿轮200 ；摩擦角，4.求作用在装齿轮处C点的力若传入轴、该轴、传出轴三根轴在空间位置的轴心连线夹角小于150 ，可以认为三轴心在同一直线上（如铣床），按照上面求B点力的方法，求出C点力即可。若三轴心不在同一直线上（夹角大于150时）需进行坐标转换，将后一对齿轮（C点）啮合力（、）投影到前一个坐标（关于X、Y的坐标）之后，在进行挠度计算，车床大都属于这种情况。如下图所示：5.计算装齿轮处的挠度应用1P255表5.816公式，由表5.817中查取轴的惯性矩I，E=2.1100kgf/cm2 2.1103N/mm2,在计算中要注意单位的统一，以防出现差错，力的单位用N，长度单位用mm。另外在应用表5.816中公式进行计算时一定要注意计算简图中a、b、x值的相应改变。一般将计算结果列成表格形式（表中给出所有公式）：第（ ）轴装齿轮B、C处挠度计算位置坐标方向由作用在B点的力产生的挠度由作用在C点的力产生的挠度各坐标迭加合成挠度y允许值y结论BX载荷点公式XBB任意点a段内公式XBCXB= XBB XBCyB=(XB2YB2)0.5表5.814合格YYBBYBCYB= YBB YBCCX任意点b段内公式XCB载荷点公式XCCXC= XCB XCCyC=(XC2YC2)0.5表5.814否YYCBYCCYC= YCB YCC第（ ）轴装轴承处(A、D)的倾角计算位置坐标方向由作用在B点的力产生的倾角由作用在C点的力产生的倾角各坐标迭加合成倾角允许值结论AX左支承公式XB左支承公式XCXA =XB XCA=(XA2YA2)0.5表5.814合格YYBYCYA =YB YCDX右支承公式XB右支承公式XCXD =XB YCD=(XD2YD2)0.5表5.814否YYBYCYD =YB YC6.计算轴承处的倾角应用表5.8-16公式进行计算，在计算中同样应注意计算简图中a、b值相应改变。一般将计算结果列成表格形式（表中给出所用公式见P18表格）。三、轴承寿命验算轴承受循环接触应力后产生疲劳剥落（龟裂），多长时间才能剥落，即寿命。寿命是指轴承的内圈、外圈、滚动体三者中。其一出现疲劳剥落即为到寿命，寿命以小时（h）数表示之。应满足 LhT式中，Lh额定寿命。hT工作期限，hT的确定机床大修期为8年，每年工作300天，按每天2班制，每班8小时，则总时数为 83102838000h实际机动时间为1050，则 T30000（0.40.5）1500020000h通常为设计方便，更换不难，取T=10000h即可额定寿命的计算 式中，n轴承（即轴）的计算转速，rpm; 寿命指数，球轴承3，滚子轴承10/3； C额定动负荷，N，查1P670,十四； P当量动负荷，N, P=XFr+YFa式中，Fr径向负荷，N,由求支反力解出； Fa轴向负荷，N； X径向系数，由1P584表5.918； Y轴向系数，由1P584表5.918；轴承寿命是个统计数，大多数（90以上）轴承的实际寿命比它的统计寿命长，如验算结果额定寿命达不到工作期限（相差不太大时），仍可使用，采用提前一、二年更换的办法亦可。25 绘制正式部件装配图根据草图验算的结果进行必要的修改，把该表示出来的零件清晰正确地绘制在正式装配图上。绘制正式装配图时机械制造装备课程设计的重要阶段，是前阶段的工作总结，是设计思想的表达。部件装配图包括展开图和剖面图：一、设计部件装配图时，学生应对下列问题进行全面分析和比较1、选用零件类型、结构、主要尺寸、材料、热处理和该零件在部件中的固定方法等。这些零件包括：齿轮、轴承、离合器、制动器、换向机构、润滑密封装置、各类轴、轴套和箱体等。2、确定部件中各零件的位置、相对位置关系及主要尺寸（定位尺寸、移动件的行程极限位置尺寸、主要配合尺寸等）、联接方法、配合性质以及滚动轴承预紧及其精度选择等。3、零件设计应尽可能遵守标准化、通用化的原则，凡是能用标准件的一定采用标准件，如螺钉、螺帽、轴承、键、垫圈、弹簧、挡圈、销钉、法兰盘等。4、要注意变速箱部件在机床上的定位，安装方法及其加工基面；各传动轴的轴向定位及其间隙调整方法；运动件的润滑及其润滑系统设计；主轴组件的轴向定位、间隙调整、润滑方式；皮带轮的卸载装置；摩擦离合器的调整、受力分析和设计原则等。二、绘制装配图的方法步骤1、在画装配图之前，按部件装配草图的轮廓和结构布置，要统盘考虑全面安排，土面布局要匀称。一般采用1：1的比例，必要时可放大或缩小。然后按传动轴的先后顺序，画出各轴心线的距离，以及各传动轴上的齿轮位置。2、绘制展开图时要结合剖面图，要结合考虑操纵机构、各轴的空间位置、制动器、换向机构等。当然操纵机构等在总布置前应确定方案，由于时间关系，在课程设计中，操纵机构根据情况由指导教师研究确定其形式，学生不必花过多的时间。零件的位置及其相互关系，一般由装配图的“内部向外”画，同时又要考虑装配图的外观轮廓由“外向里”排列。车床主轴箱长、宽、高尺寸比例以6：5：4为宜。3、适当考虑加工工艺性，要注意部件装配工艺的可能性，特别是主轴和其它较长的传动轴。有时就是由于零件的结构工艺性不好或零件组装时无法安装，不得不改变原设计方案。还要注意有调整间隙的组件（如滚动轴承、摩擦离合器和制动器等）要调整方便，易损件容易更换等。4、部件装配图的底图（或微机草图）绘制完成后，应请指导教师审核，方可加深（或出图）。26 装配图的尺寸标注由于设计时间所限，并减少重复工作，在对装配图进行尺寸标注时，可根据指导教师的要求，选择一些尺寸进行标注。这些尺寸大体包括：部件的外形尺寸；性能尺寸；主要联系尺寸；移动件的极限位置尺寸；主要零件间的配合尺寸等，现分别叙述如下：一主要尺寸标注1、外形尺寸：主轴箱部件长、宽、高尺寸；2、性能尺寸：车床主轴中心高HD/2（25）；3、主要联系尺寸：1） 车床主轴中心线和床身对称线距离一般为912;2） 车床中心至主轴箱前面的距离；3） 车床主轴前端锥孔按标准莫氏锥度；4） 铣床主轴中心线至横梁底面距离150；5） 铣床主轴前锥孔锥度7：24，主轴前端外径和孔径为：外径 101.6h5，孔径 57.15外径 88.882h5,孔径 44.456)主轴或一根传动轴的轴向尺寸(成链)4、移动件的轴向位置尺寸：1） 滑移齿轮的极限位置尺寸；2） 拨叉极限摆角（铣床）。5、中心距尺寸：公差按标准侧隙，由1P236表5.460。二主要配合尺寸的标注1、 主轴（滚动）轴承配合：1）三支承的主轴主件车床：前支承（D3182100型）外环与孔配合K6， 中间支承 外环与孔J6，内环与轴径K5， 后支承 外环与孔J7，内环与轴径K6铣床：前支承 外环与孔K6，内环与轴径n6, 中间支承 外环与孔K6，内环与轴径js6, 后支承 外环与孔J7，内环与轴径js6.2)双支承的主轴组件 车床：前支承（D3182100型）外环与孔K7， 后支承 外环与孔J6，内环与轴径k5。2、 传动轴承配合：外环与箱体孔J7，内环与轴径k6。3、 花键轴的配合（例如）：1)、滑动：638H7/f732H12b1212D9f92）、固定：638H12b1212D9f94、 用键传递扭矩时，轴与孔的配合，如80H7/k65、 滑块与拨叉的配合，如12H9/f9三装配图中零件的标注方法对上述尺寸进行标注之后，应对全部基本件进行编号。标准件、通用件和借用件，可只标注其标准代号、规格和数量，而不编排其序号和代号。在编号、标注时应注意以下几点：对上述尺寸进行标注之后，应对全部基本件进行编号。标准件、通用件和借用件，可只标注其标准代号、规格和数量，而不编排其序号或代号。在编号、标注时应注意以下几点：1、 专用件、标准件要分开标注；2、 件号按顺序（逆）时针方向依次标注；3、 件号引线不能交叉。最后画出标题栏和零件明细表（明细表可附在说明书中）。 27 整理设计内容，编写设计计算说明书部件装配图加深之后，仍须对全部设计图纸进行全面仔细检查，如果发现有错误或遗漏，要及时修改或补充。机床课程设计计算说明书，是在整个设计过程中逐步积累而成，平时要注意对计算草稿、方案选取理由、公式系数查找资料的出处、要及时整理记录下来，以免在整理说明书时，重新查找，设计完成后，只是最后稍加整理、修改和编写未完成部分，最后装订成册，附上机床传动系统图和零件明细表。说明书的编写要仔细认真，叙述清楚，说明简练、文理通顺、书写工整，字数在8千1万字左右，一般不应少于20页。在编写时，具体格式顺序要求大致如下： 第1页 目录 第2页 机床课程设计任务书 第3页 设计计算内容说明包括：一、 机床用途及主要技术性能二、 变速箱总体结构方案的拟定三、 运动设计四、 主要零件的设计与计算五、 结构设计因结构设计的主要内容是反映在装配图中，在此可主要说明以下方面的内容：1、箱体长、宽、高轮廓尺寸及有关零件间相互位置尺寸的确定与计算。2、对操纵机构的设计说明：1) 车床应验算在单边拨动时，是否满足不自锁的条件；2) 铣床操纵机构草图的有关计算和说明，包括：a） 转速排列表及对应的转速图；b） 操纵原理图（杠杆比）；c） 凸轮草图。3) 轴转速标牌（列表说明）4) 在结构设计方面其它需要说明的问题等。六、 主要零件验算七、 本设计优缺点分析及改进意见八、 零件明细表1、专用件明细表件 号名 称件 数材 料备 注2、标准件明细表规格代号名称件数标准号备注 九. 主要参考资料1 机床设计手册（2上）2 金属切削机床设计3 金属切削机床概论4 机械零件设计手册5 机床设计图册6 CA6140主轴箱装配图X62W主传动系统装配图附 录1、 标准锥度 锥度K为锥体上两横剖面与两剖面之间长度之比直径之比: K（Dd）/l2tg锥角2的一半称为圆锥斜角常用的专用标准锥度锥角K圆锥角2圆锥斜角标 记1：41：41:121:121:151 ;151:201:207:247: 24 2、 莫氏锥度莫氏锥度号大端名义直径锥度圆锥角2431.2671：19.2540.05194544.3991：190020.05263663.348 1：19.1800.052143、主轴端部件标准尺寸卡口型主轴端部的互换性尺寸国际标准 I S 7021975机床主轴端部与花盘互换性尺寸第三部分;卡口型1) 应用范围本国际标准规定了卡口型车床主轴部和相应花盘的互换性尺寸。ISO 702/III1975号数尺寸34568111520D53.97563.51382.563106.375139.719196.869285.775412.775公差0.008 00.008 0 0.010 00.010 00.012 00.014 00.016 00.620 0D7585104.8133.4171.4235330.2463.6D102112135170220290400540d2121212329364343DH8/h814.2515.919.0523.828.634.941.3d6.46.46.48.410.510.51313d10.410.410.413.516.516.51919E1111131416181921F1620222528354248G5556888H1010101112131515W0.20.20.20.20.20.20.30.3注：未注公差的尺寸的一般公差：0.4mm注：“A”型和“凸轮锁紧”型分别见第一部分和第二部分。2）互换性尺寸2.1 主轴端部铣床主轴端部（内孔锥度7：24）尺寸ISO 推荐标准 R 297 7：24 刀柄锥度1) 序言 下列表格涉及了一些7：24锥度，一方面涉及主轴端部。另一方面涉及刀柄。这种锥度主要是为了铣床主轴端部和相应的刀柄设计，因此，希望制定一个更全面的关于“带7：24锥度的铣床主轴端部”的ISO推荐标准。2）互换性 在螺纹方面，根据螺纹的型式（具有标准螺纹的公制螺纹M或统一标准粗牙螺纹UNC），本ISO推荐标准规定了两种完全不同型式的产品。 为了区别这两种型式，在零件上应打上相应的螺纹标记。每个国家的标准组织可在其国家标准中任意采用其中一种螺纹型式。 以公制尺寸或英制尺寸制造的产品，其他尺寸虽然不完全相同，但完全是可互换的。如果在国家标准中规定验收条件，则应明确规定是按英制尺寸还是按公制尺寸验收产品。3） 主轴端部7：24锥度附录43 铣床主轴端部尺寸（内孔锥度7：24）主轴端部（内孔锥度7：24）尺寸 mm名称N0.30N0.40N0.45N0.50N0.55N0.60D 31.75044045057.15069.85088.900107D h69.93288.882101.6128.570152.4221d H1217.425.332.439.650.460d min171721272735L min 73100120140178220g M12M12M12M16M20M20a min12.51618192538f 5466.780101.6120.6177m min 12.51618192538n max889.512.512.5120/2 min16.52330364861B 15.915.91925.425.425c min889.512.512.512k max16.519.519.526.526.545Z 0.40.40.40.40.40V 0.030.030.030.040.040注： D1基本尺寸。 g1螺纹直径，或者是具有标准螺距的公制螺纹M，或者是明确标明的统一标准粗牙螺纹U（以时为单位的尺寸）。在每种情况下，零件上都应打上适当的M或UNC标记。 紧固刀具用螺孔的位置公差（从理论位置上最大径向偏移）。N0.30、N0.40和N0. 0.75mm；N0.50、N0.55和N0.60为0.100。 拨块在其槽内的装配用M6/h5配合。V表示拨块b1的允许偏心距：即拨块中心平面与主部轴心线的距离。 e)z1=从与定位面相重合的公称位置至量规夹面D1位置的最大允许，允许在定位面两频。第二部分 数控工作台机械部分设计第一章 概述一、课程设计的目的 本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,在学习有关专业课程设计的基础上,进行机电系统设计的初等训练,掌握手册、标准、规范等资料的使用方法,培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础.二、任务书1. 设计题目:XY双坐标联动数控工作台设计2. 技术数据按有关技术数据分组如下:组号工作台长 宽 (mm)工作台工作重量 ( N )139029018002400300200034103102300442032025005430330280064403003000745031033008420330350094303504000104004005000工作台行程: X=60100mmY=5080mm脉冲当量:0.050.08mm/P3. 设计要求1) 工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋传动.2) 滚珠丝杠支承方式:双推简支型.3) 驱动电机为反应式步进电机.4) 步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速,要求消除齿轮传动间隙.4. 工作量1) 零号装配图一张.2) 设计说明书20页以上.三、设计进度安排 本课程设计进行一周,学时分配及进度安排如下:1. 理解题目:拟定总体方案,进行运动设计、动力设计、零件的计算及初算.（2天)2. 结构设计草图、编写设计计算书.(1天)3. 画正式图、标注尺寸、配合、件号.(1天)4. 答辩.(1天)四、成绩考核方法对参加课程设计的学生进行全面考核,重点考核以下四个方面:1. 设计图纸、说明书的质量.2. 独立工作能力、综合运用知识的能力.3. 平时的工作态度、设计中的表现.4. 答辩时回答问题情况.最后成绩由答辩小组综合以上情况给出,分优、良、中、及格、不及格五个等级.第二章 工作台结构及参数设计一、总体结构数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直。.二、滚珠丝杠设计滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式,具体的实现方法可参考教材有关章节。滚珠丝杠传动副多为专业厂家生产,一般用户设计时只负责选用,在选用时主要验算其额定动载荷和临界转速,丝杠较长时还应进行压杆稳定性验算。1. 计算动载荷 （N）式中: 载荷系数 见表1硬度系数 见表2 轴向工作载荷 (N) L额定寿命 L=60nT/ n丝杠转速 (r/min)T使用寿命 (h) 见表3 表1 表2 载荷性质平稳或轻度冲击11.2轻度冲击1.21.5 较大冲击、振动1.52.5实际硬度HRC551.1501.56452 .4403.85表3类别普通机械普通机床数控、精密机械T(h)50001000010000150002. 计算临界转速 （r/min）式中 临界转速系数 见表4 长度系数 见表4 丝杠内径 (m)丝杠工作长度 (m) 表 4支承方式系数双推自由双推简支两端固定 1.883.934.73 20.67 3. 压杆稳定性计算 （N）式中 临界载荷E材料弹性模量 对于钢,E=2.06 丝杠危险截面惯性矩() 三、滚动导轨导轨是工作台系统的重要组成部分,由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点,故本工作台系统设计选用滚动导轨.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式,本次导轨设计的主要任务是根据负载情况选用标准化滚动导轨,在选用过程中,主要进行额定载荷验算.1. 计算行程长度寿命 TsTs=2Lsn60 /100 (km)式中 Ls工作单行程长度(m) n往复次数 (次/min) 工作时间寿命 (h) 2. 计算动载荷 =式中 F作用在滑座上的载荷 (N)滑座个数寿命系数 一般取K=50km温度系数 见表5接触系数 见表6硬度系数 见表7负载系数 见表8 表5 工作温度（0C）10011001500.91502000.72002500.6表6每根导轨上滑块数1120.8130.7240.66表7滚道表面硬度HRC605855535045Fh 10.980.90.710.540.38 表8工作条件fw无冲击、振动 V15m/min11.5较小冲击、振动V60m/min23.5第三章 步进电机的选择在选择步进电机时应主要考虑以下几个方面:a) 步距角是否适合系统脉冲当量的要求.b) 步进电机转矩是否满足要求.c) 步进电机起动频率及运行频率是否满足要求.一、步距角的确定 （度）式中 工作台脉冲当量 (mm/P)i传动系统传动比t滚珠丝杠导程 (mm)的确定应与i和t综合考虑,以满足工作台脉冲当量的要求.二、步进电机转矩校核1. 空载起动时电机轴总的负载转矩Tq Tq=Tj+Tu+To式中 1) Tj惯性转矩 Tj=J J电机轴总惯量(包括当量)起动时角加速度2)Tu工作台当量摩擦转矩 摩擦系数 传动链总效率 m工作台质量 3)To附加摩擦转矩 Fo预紧力 取为1/3轴向负载未预紧时丝杠效率,取0.92. 正常工作时电机轴总负载转矩Tg Tg=Tu+To+Tw式中 Tw负载转矩 Fw轴向负载最大值3. 电机最大静转矩Ts1) 按空载起动计算:Ts1=Tq/C其中常数C按下表选取2) 按正常工作计算:Ts2=Tg/0.30.5取 TsmaxTs1,Ts2电机相数3456运行拍数3648510612C0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866步进电机的最大静转矩应满足要求.三、频率校核 步进电机的起动频率和运行频率应根据实际情况,参考电机的矩频特性曲线进行选取.参考资料1.机电一体化设计基础 机械工业出版社 郑堤、唐可洪主编2.机床设计手册 机械工业出版社3.机械零件设计手册 机械工业出版社4.金属切削机床设计 机械工业出版社5.经济型数控机床系统设计 上海科学技术出版社6.机电一体化实用技术 上海科学技术文献出版社 设计说明书书写要求（一）正文：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1。正文内容一般为：1、 选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。2、 方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。3、 过程（设计或实验）论述：对设计工作的详细表述。要求层次分明，表达确切。4、 结果分析：对研究过程中所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。5、 结论和总结：对整个研究工作进行归纳和综合。（二）图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。提倡学生使用计算机绘图。（三）曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按照国家规定标准和工程要求绘制（应尽可能采用计算机辅助绘图）。课程设计说明书（报告）要求文字通顺、语言流畅，无错别字，不得使用铅笔书写。按教务处印制的统一格式封皮装订。有条件的可用B5纸打印。课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用阿拉伯数字连续编号。图序及图名置与图的下方；表序及表名置与表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。摘 要阀门在国民经济的各个部门中有着广泛的应用。阀门安装在各种管路系统中用于控制流体的压力，流量和流向。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，所以阀门的种类和品种规格非常多。本文着重介绍了闸阀，对闸阀的各种重要组成部件进行验算，以达到理论上验算合格才可使用。在计算时，严格按照参考书及手册的步骤核算，同时应保证所设计产品的材料低廉。关键词： 阀门，闸阀，计算。AbstractThe valve in the various sectors of the national economy has been widely used. Valve installed in the various kinds of piping system is used to control the fluid pressure, flow and direction of flow. Due to the fluid pressure, flow rate, temperature and different physical and chemical properties, of the fluid system control demands and use is also different, so the valve types and varieties of specifications.This paper emphatically introduces the gate, the gate of a variety of important components for calculation, theoretical calculation is eligible to use in order to achieve. In computing, in strict accordance with the reference and the steps of the manual, and shall ensure that the design product material is low.Keywords：Valve, Slide Valve, Account.目录摘 要1Abstract2第一章 绪 论61.1闸阀的定义71.1.1 闸阀的种类71.1.2 闸阀的密封原理和特点81.1.3 闸阀优点81.1.4 闸阀的缺点81.2选题意义91.3 国内外阀门的发展91.3.1 国外阀门的发展91.3.2 国内阀门的发展10第二章 双缸式气动楔式闸阀结构及使用注意事项122.1 工作原理及特点122.1.1 双层气缸和缓冲机构121.1.2 关阀时间可调121.1.3 可配用回讯器（见图2）121.1.4 耐腐防蚀的气缸121.1.5 气缸中的密封圈122.2 气动阀的结构及使用方法142.2.1 气动阀的结构（见图3）142.2.2 使用方法142.3气动阀的维护注意事项14第三章 阀体的设计与计算163.1 阀体的功能163.2 阀体的选材163.3 阀体的结构形式和制造方法173.4 确定阀体的结构长度和连接尺寸173.5 结构设计与计算183.5.1 阀座密封面的设计与计算183.6 阀体壁厚的设计与计算203.7 中法兰的设计与计算213.7.1中腔尺寸 DN 确定213.7.2 中法兰垫片尺寸和材料的选择213.7.3 中法兰结构尺寸的确定213.7.4 螺栓的总计算载荷22第四章 闸板的设计与计算254.1 闸板密封面宽度和内径的选取254.2 闸板与阀体档宽及相应公差的计算254.3 闸板主要结构尺寸的确定264.3.1 闸板与阀杆头部相配合的 T 型槽尺寸264.3.2 闸板密封面外径274.3.3 闸板其他机构尺寸274.4 闸板密封面比压计算274.5 闸板强度的校核28第五章 阀杆的设计与计算295.1 阀杆总轴向力295.1.1 关闭时楔式闸阀作用于阀杆上的力295.1.2 开启时楔式闸板作用于阀杆的力295.2 阀杆的直径估算305.3 阀杆的强度校核305.3.1 阀杆的总扭矩305.3.2 阀杆的强度计算315.4 阀杆的稳定性校核325.4.1 影响因素325.4.2 上阀杆的稳定性校核335.4.3 下阀杆的稳定性校核345.5 阀杆主要尺寸的确定345.5.1 下阀杆端部结构尺寸345.5.2 下阀杆头部结构尺寸355.5.3 上阀杆的结构尺寸35第六章 阀盖及填料装置的设计与计算366.1 阀盖的设计与计算366.2 填料压盖的设计与计算376.2.1 填料选择及填料函尺寸的确定376.2.2 填料压盖的设计与强度校核386.2.3 活节螺栓的设计与强度校核406.2.4 销的选择与校核416.3 上密封座尺寸41第七章 气缸的设计与计算427.1 气缸的直径粗估算与选取427.2 气缸的校核42第八章 其他主要零件的设计与校核448.1 滚动轴承的选取448.2 阀杆螺母的校核448.3 上活塞与 T 型槽接头连接螺栓的校核45第九章 结论46致 谢47参考文献48第一章 绪 论阀门是安装在各种管道和设备等流体输送系统中的控制部件，由阀体、阀盖、阀座、启闭件、驱动机构、密封件和紧固件等组成，具有导流、截止、调节、节流、防止倒流、分流或溢流卸压等功能。用于流体控制的阀门，从最简单的截断装置到极为复杂的自控系统，其品种和规格繁多。阀门的通径小至用于宇航的十分微小的仪表阀，大至通径达10m、重十几吨的工业管路用阀。阀门可用于控制空气、水、蒸气、各种腐蚀性化学介质、泥浆、液态金属和放射性物质等各种类型的流体流动。阀门的工作压力可从1.3x10-3MPa到1000MPa的超高压。工作温度从269的超低温到1430的高温。阀门可采用多种传动方式，如手动、气动、液动、电动、电 一 气或电 一 液联动及电磁驱动等；可以在压力、温度及其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭。阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。阀门的种类繁多，随着各类成套设备工艺流程和性能的不断改进，阀门种类还在不断增加，且有多种分类的方法阀门在国民经济中无所不有，它与生产、建设、国防和人民生活都有着密切关系。比如在石油、天然气、煤炭、矿山的开采、提炼和输送；化工、医药、轻工、造纸、食品的加工；水电、火电、核电的电力系统；农业灌溉；冶金系统；城市和工业企业的给排水，供热、供气、排污系统；船舶、车辆、航天、国防系统；各种运动机械的流体系统等等均离不开阀门产品。本设计是以楔式弹性单闸板闸阀为设计对象，主要介绍了闸阀的结构特点和手动气动转换装置的特点，以及其工作原理。阀门设计包括很多内容，包括通用部件的设计和专用部件的设计，又包括强度、尺寸等众多计算过程。其中，设计阀门的关键在于阀门密封设计，其中阀杆的强度计算，以及稳定性计算也是重点。阀门设计整个过程包括这样几个步骤。按设计参数确定结构，进行方案论证，工作原理受力分析，强度计算，稳定性校核，材料选择，测绘总装备图和手动机构装配图和气缸及阀门的全部零件图（用 Auto CAD 绘制）。闸板密封面的受力分析，闸杆稳定性校核及阀门强度计算是重难点。其中包括这样几个重点步骤。首先对工作环境进行确定，选择合适的方案，对设计的零件进行受力分析；然后根据国家标准和推荐尺寸来确定实际尺寸；最后对强度进行校核，绘制阀门工程图。1.1闸阀的定义闸阀（gate valve）是指启闭件（闸板）沿介质流动方向（通道轴线）的垂直方向移动而实现启闭的阀门，作为截止介质使用，主要由阀体、阀盖、支架、阀杆、阀杆螺母、闸板、阀座、填料函、密封填料、上密封座、填料压盖及传动装置等零件组成。在全开时整个流通直通，此时介质运行的压力损失最小。闸阀主要由阀体、阀盖、阀杆、支架（亦有与阀盖一体）等驱动装置组成，其结构在阀体内类似闸阀一样的板状物与无相配的两阀座（或单阀座）之间垂直于流体移动，从而打开或切断流道，但闸阀只能作全开和全关 , 不能作调节和节流。闸阀适用范围广泛，主要应用于石油、化工、电力、医药火力发电厂等行业。闸板有两个密封面 , 最常用的模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, 介质温度不高时为 252 。楔式闸阀的闸板可以做成一个整体，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 , 弥 补密封面角度在加工过程中产生的偏差 , 这种闸板叫做弹性闸板。1.1.1 闸阀的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。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。闸阀的闸板随阀杆一起作直线运动的，叫升降杆闸阀 ( 亦叫明杆闸阀)。通常在升降杆上 有梯形螺纹，通过阀门顶端的螺母以及阀体上的导槽，将旋转运动变为直线运动 , 也就是将操作转矩变为操作推力。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 1/21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。有的闸阀 , 阀杆螺母设在闸板上，手轮转动带动阀杆转动 , 而使闸板提升 , 这种阀门叫做旋转杆闸阀或叫暗杆闸阀。1.1.2 闸阀的密封原理和特点1、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闸板后，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端密封。（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。2、特点重量轻：本体采用高级球黑铸铁制成，重量较传统闸阀重量减轻约20%30%，安装维修方便。 1.1.3 闸阀优点1、流体阻力小 ：阀体内部介质通道是直通的，介质流经闸阀时不改变其流动方向。 2、启闭所需的力矩较小，较省力。但是与截止阀相比而言，因为无论是开是闭，闸板运动方向均与介质流动方向垂直。 3、可以使用在介质向两方向流动的环网管路上，即介质流向不受限制 , 不扰流、降低压力。 4、形体简单 , 结构长度短，制造工艺性好，适用范围广。 5、楔式闸阀阀体内部介质通道是直通的，介质流经闸阀时不改变其流动方向，因此流动阻力较小。6、启闭时闸板运动方向与介质流动方向相垂直，因而启闭较为省力。7、介质流动方向不受限制，可以两侧任意方向流过，均能达到充通或截断的目的。便于安装，适用于介质的流动方向可能改变的管路中。8、明杆楔式闸阀的传动螺纹在阀体外部，便于润滑和不受流体腐蚀。因此可根据阀杆的运动方向和位置直观地判断阀所处的启闭位置，不致因误操而造成运行故1.1.4 闸阀的缺点1、密封面之间易引起冲蚀和擦伤，维修比较困难。 2、外形尺寸较大，开启需要一定的空间，开闭时间长。 3、结构较复杂,一般闸阀都有两个密封副，给加工研磨和维修增加了一些困难。 4、密封面易磨损，影响使用寿命。启闭时，闸板与阀座两个密封面相互摩擦滑动，要介质压力作用下易产生擦伤磨损，影响密封性能，缩短使用寿命1.2选题意义气动闸阀从八十年代进入我国。在不到二十年的时间里，其使用范围从普通领域扩展到了更为广阔的各行各业。从矿山电厂的选煤、排矸、排渣。发展到了城市的污水处理，从一般的工业管道发展到了食品、卫生、医药等专业管道系统。超薄型的刀闸阀以其体积小、流阻小、重量轻、易安装、易拆卸等优点彻底解决了普通闸阀、平板闸阀、球阀、截止阀、调节阀、蝶阀等类阀门的流阻大、重量大、安装难、占地面积大等的疑难问题。随着机电一体化的趋势，以及微电子技术和计算机技术的发展，这些电动阀门在使用中出现越来越多的问题。比如控制精度不高、现场调试不方便、故障诊断方法不完善等，这就使得原有的电动阀门越来越无法适应现代工业发展的需要，必将被淘汰。因此对电动阀门这一重要的工业用机械产品进行有效的改造，提高其智能化程度，使其控制过程计算机化、通讯功能数字化、故障诊断处理智能化、检测远程化，都有着非常重要的意义。气动阀门的设计需要综合考虑阀门、执行器、气动元件以及阀门功能等多种因素，目前设计水平和制造水平与一流执行器阀门制造商还是有一定的差距，需要虚心学习，不断提高。国内外在提高阀门使用性能和使用寿命等方面进行了大量的研究工作包括阀门的可靠性分析、可靠性设计、可靠性试验和提高阀门可靠性的各种方法。许多学者针对阀门进行了深入的研究研究内容主要部分为两大部分，一部分是关于具体型号阀门失效模式的研究；另一部分是从理论的角度对一些故障机制和可靠性方法进行研究。目前在阀门可靠性研究领域密封问题、振动噪声问题和可靠性试验问题是人们关注的焦点也是难点。同时阀门作为典型的机械产品种类相当多，目前尚未有统一的规范来指导阀门的可靠性研究。因此，阀门可靠性技术研究的总结和展望对今后系统地进行阀门可靠性研究有重要的理论现现实意义。1.3 国内外阀门的发展1.3.1 国外阀门的发展国外阀门研究机构对阀门的设计与基础理论、新材料、新工艺、产品性能、可靠性和标准化的研究十分重视。国外阀门的科研特点如下:(1)试验研究与新产品开发密切结合。(2)内部研究课题与引进国外技术密切。(3)重视高新技术在阀门上的应用研究。(4)重视高参数和特殊工况用阀门的试验研究。(5)重视阀门基础理论的研究工作。(6)重视现场试验与改进工作5。在 50 年代以前，国外的一些国家就已经形成了独立阀门专业及其行业体系，有了阀门行业组织或者阀门专业学术组织。像美国、英国、东欧、西欧等都有了阀门行业协会，日本也有阀门工业会和阀门研究会，前苏联则有阀门设计研究院。这些阀门行业和专业组织，都是为了提高生产技术和对外竞争的需要而建立起来的。国际阀门贸易市场在最近几年中十分活跃，竞争也相当激烈，实力较强的国家则是德国和美国，其中德国是世界最大的阀门出口国6。随着高压技术的广泛使用, 超高压系统中的超高压阀门性能直接影响整个系统工作的可靠性、安全性、工作效率和使用寿命，所以对阀门的材料选择和结构提出了更高的要求。美国 HIP 公司的超高压针阀, 工作压力为690MPa的采用奥氏体316不锈钢,工作压力 1034MPa 的采用马氏体型沉淀硬化不锈钢17- 4PH7。1.3.2 国内阀门的发展阀门是随着流体管路的产生而产生的。人类使用阀门已经有近 4000 年的历史了。中国古代从盐井中吸卤水制盐时，就曾在竹制管路中使用过木塞阀。公元前 1800 年，古埃及人为了防止尼罗河泛滥而修建大规模水利时，也曾采用过类似的木制旋塞来控制水流的分配。这些都是阀门的雏形。工业用阀门的大量应用，是从瓦特发明蒸汽机以后才开始的。二十世纪初出现了铸铁、铸钢、锻钢、不锈钢、铬钼钢、黄铜、球墨铸铁等各种 材质的阀门。应用于各个行业，各种工矿。国内最早引进国外阀门生产技术的公司不 多，后引进国外生产技术，使得国内阀门生产技术突破，质量提高，寿命加长8。随着工业用陶瓷技术的开发成功，也出现了陶瓷材料阀门。陶瓷材料在低冲角下具有高的抗冲蚀性能9。目前中国四大阀门未来发展前景及趋势：（1）工程节能阀门走向系列；（2）水力控制阀一阀多用；（3）智能电动调节阀瞄准摇控；（4）阀门迈向通用化10。2009 年 1-12 月，全国累计生产阀门 4,583,935.72 吨，比 2008 年增长了 3.74%；2010年 1-12 月，我国阀门产量累计为 5,390,394.75 吨；2011 年 1-12 月，我国阀门的产量为5,958,729.61 吨；2012 年 1-4 月我国阀门产量达 2,041,987.98 吨。在我国目前的阀门市场上，除低压阀门达到国际市场能接受的水平外，高压阀门仍然需要依靠进口11。从产品情况来看，我国阀门行业目前已经能生产十几大类产品，如闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、安全阀、止回阀、节流阀、旋塞阀、减压阀、隔膜阀、疏水阀、紧急切断阀等，最高使用温度达到 570，最低为-196，最高压力为 600MPa，最大通径达到 5350 毫米12。阀门产品市场的强劲需求，国有经济持续稳定发展，固定资产投资逐步扩大。尤其是几项世纪工程“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等项目的开工需要大量的阀门产品配套；另外，我国正面临着工业化时代的到来，石化行业、电力部门、冶金部门、化工行业和城市建设等使用阀门大户将增强对阀门产品的需求13。西气东输为代表的油气输送管线的建设和快速发展，我国高压管线阀门的设计制造技术有了重要突破，特别是成功研制开发了用于主管线口径为 NPS40 和 NPS48、压力为 Class600 和 Class900 的高压大口径全焊接球阀，打破了国外阀门企业对于该领域的垄断14。电动和气动两种驱动形式的闸阀，是现在使用最为广泛的闸阀类型，电动闸阀和气动闸阀随着阀门技术的不断进步，向着高技术、高规格、抗腐蚀、寿命长的方向发展，两者工作性能的提高，使其在行业中占的比重越来越大，得到更多的市场发展空间15。第二章 双缸式气动楔式闸阀结构及使用注意事项2.1 工作原理及特点该气动阀以(0.40.6)MPa（表压）净化压缩空气作为工作动力，推动活塞，带动闸板作垂直于流体的位移，实现开启或关闭阀门的目的。2.1.1 双层气缸和缓冲机构双层气缸和缓冲机构的工作原理，按闸阀工作的四个阶段分述如下（见图1）。（1） 闸阀开启前阶段：上层气缸的活塞（以下简称上活塞）和下层气缸的活塞（以下简称下活塞）同时受力，阀杆在上 、下活塞的推动下，以单活塞近二倍的提升力，克服闸板密封面和阀体密封面之间的最大静摩擦力，带动闸板上升。压缩空气由上气缸的下气室，经由设置在隔板内的特定通道，通过连通管，到达下气缸的下气室，推动上下活塞同时工作。下气缸上气室中的气体，经过设置在隔板内的另特定通道排出气缸体外。（2） 闸阀开启的后阶段：在闸板稍开启以后，下活塞就运行到了上死点，闸板在上活塞带动下，继续提升，直至到了全开位置。（3） 闸阀关闭的前阶段：在上活塞的推动下，闸板离开全开位置，开始下降。（4） 闸阀关闭的后阶段：当上活塞碰到下活塞凸台，并带动下活塞一起继续下降时，由于下气缸上气室的进气通道和下气缸下气室的排气通道设有阻碍，明显地减慢了下行的速度，直至闸板下降到了全关位置。减缓闸板下行的冲击，自行可关严阀门，又不使间板楔得过紧，同时还保护了密封面，免受猛烈冲击而损坏。1.1.2 关阀时间可调通过调整，安装在隔板上的缓冲机构，还可以在一定范围内调整闸阀关闭的时间。1.1.3 可配用回讯器（见图2）本阀可以配用电的或气的回讯器，用以发送阀门开关状态信息。因此，使用本阀可以实现远距离控制、集中控制和自动控制。1.1.4 耐腐防蚀的气缸本阀的气缸选用无缝钢管制造，内表面镀铬，并经抛光处理，具有摩擦力小、不易锈蚀、高硬度、寿命长等优点。1.1.5 气缸中的密封圈采用耐油橡胶O形密封圈，密封性能可靠，维修时更换方便。图1 气动阀的工作状况图2 气动阀的控制电路2.2 气动阀的结构及使用方法2.2.1 气动阀的结构（见图3）该阀主要由阀体、阀盖、闸板、阀杆、密封圈、双层气缸及其活塞，活塞杆、隔板连同缓冲机构、手动机构、气动手动转换装置和阀盖填料箱装置等部分组成。2.2.2 使用方法阀门气动时，上活塞行至行程上端点可顶上上回讯器，使之发讯；下活塞行至行程下端可顶下下回讯器，使之发讯，以作为闸阀开闭信息在中央操作室的模拟仪表盘上进行显示。2.3气动阀的维护注意事项(1) 本阀在使用中，要求将闸板全开全关，不允许将闸阀打开一部分作为调节流量的节流阀使用。否则，在介质流速的冲刷下使密封面损坏。(2) 阀在使用期间，经常检查气源的分水过滤器、减压阀和油雾器。必要时应定期在气缸内壁加注少量润滑油。(3) 阀在使用期间，应视其动作频繁程度进行定期检查和维护。(4) 供气故障时，应及时将气动转换为手动，转换时应先将转换手柄向外拉出定位销，手柄沿逆时针方向扳转，并适度转动手轮使手柄扳到位后，即可对阀门进行手动控制。当手动转换为气动时，手柄沿顺时针方向扳转复位。在操作中必须注意气动手动不得混乱，特别是转换手柄在手动的位置时，不许进行气动。图3 气动楔式闸阀结构示意图第三章 阀体的设计与计算 阀体是阀门的重要结构要素，是连接管道的重要部件。阀体的设计时比较重要的一个部分，主要计算部分包括：阀体的壁厚，阀座密封面等。详细计算见下文。3.1 阀体的功能阀体是阀门的重要部件之一，阀体的重量是整个阀门重量的 70%左右，对于双气缸气动楔式闸阀中阀体的重量会比通常小些。阀体的主要功能： 作为工作介质的流体通道； 承受工作介质的压力、温度、冲蚀和腐蚀； 在阀体内部构成一个空间，设置阀座以及容纳启闭件，阀杆等零件； 在阀体端部设置法兰连接结构，满足阀门与管道系统的安装要求； 承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中，因温度变化、震动、流体冲击等影响产生的附加载荷； 安装过程中作为阀门总装配的基础。3.2 阀体的选材制造阀门的材料必须根据下列因素来选择：（1）工作介质的压力、温度和特性；（2）该零件的手里情况和在结构中应起的作用；（3）有较好的工艺性（包括铸造、加工、热处理、焊接工艺性）；（4）成本和国家资源情况。可供制造阀门零件用的材料牌号很多，包括各种不同的钢材、有色金属及其合金，各种非金属材料等。但是为了减少供应储备上的困难，我们已经进行了材料选用方面的标准化工作，便于既满足与设计要求，又方便生产。目前，我国有关部门正在对新材料进行大量的实验研究工作，如新的钢种、工程塑料和新的密封面堆焊材料等，这些材料的出现无疑亦给阀门制造业创新提供了条件。本次设计中适用于压力 P2.5MPa，介质温度 T200的低压阀门，常用牌号有HT20-40、HT25-47、HT30-54 等，其机械性能按照 GB/T 12226-2005通用阀门 灰铸铁件技术条件的规定。但是由于经济发展，使用铸铁的成本和使用铸钢的成本不相上下了，使用 IG-25 的钢材能够获得更好的机械性能。本设计中决定使用 IG25，其机械性能等查阀门设计P321页，GB979-67。3.3 阀体的结构形式和制造方法 由闸阀的公称压力 PN=40MPa，公称通径 DN=300mm，通常情况阀体在结构允许的条件下使用圆形中腔，圆形中腔较之其他形状的中腔受力较好。阀体与阀盖按要求选择法兰连接，阀体采用整体铸造的制造形式，流道采用全通形式。3.4 确定阀体的结构长度和连接尺寸GB/T 12221-2005金属阀门结构长度表 7 法兰连接闸阀结构长度，参考公称设计参数确定公称压力PN=40MPa，公称通径DN=300mm的楔式闸阀结构长度为1321mm。阀体与管道采用法兰连接，根据阀门的公称压力与公称通径查 GB 9113.4-88，选取凸面整体钢制法兰。材料为Q345R标准号GB713，其结构及尺寸查P3637图8.2.1、表8.2.1-1得：图 3-1 整体法兰表 3-1-1 整体法兰3.5 结构设计与计算3.5.1 阀座密封面的设计与计算1）阀座密封面内径和宽度的选取阀座密封面内径，对于堆焊的密封面，由于堆焊工艺的要求，一般取比内径大45mm；对于非堆焊的密封面，去与阀座内径相等。本设计属于堆焊，故取阀座密封面内径D=300+5=305mm。阀座密封面的宽度一般取公称通经的，并且随着公称通经的增大，密封面宽度与工程通径之比逐渐减小。除了采用如钴铬钨硬质合金等较好的材料密封面宽度取较小之外，一般阀座密封面宽度最好不小于5mm。故取阀座密封面宽度bm=10mm。由JB 5211-2008-T阀门零部件 闸阀阀座确定的阀座结构如下：图3-2 阀座其中b=8， D=3001.0， D1=336， D2 = 303， D3=305， C=3H=242）密封面形式的选取按照介质静压力与介质密封力的不同关系，闸板与阀座之间的密封有三种形式：自动密封、单面强制密封、双面强制密封。本设计采用单面强制密封。这种形式的密封在介质进口端闸板与阀座密封面之间是不密封的，这里或者根本没有比压力，或者只有比密封比压小的比压力；在介质出口一边闸板与阀座密封面之间的密封性由阀杆轴向力来强制地加以保证，当没有介质时，密封面上的额比压力不得小于密封比压。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。3）单面强制密封的受力分析和密封面比压的计算作用在阀门上的出口端阀座密封面的比压要比进口端大，其值按下列公式计算：密封面上介质静压力 （3.1） 其中：DMN密封面内径 bM阀座密封面宽度 P计算压力 QMJ密封面上介质静压力介质密封力 （3.2）其中：qMF密封压力，由阀门设计P170表8-1查得 （3.3）密封面上的总作用力： （3.4）密封面上的比压计算： （3.5）密封面材料使用 2Cr13，由阀门设计P171 查得需用比压q=45MPa，所以qMF q q故阀体密封比压校验合格。3.6 阀体壁厚的设计与计算阀体壁厚的计算方法与它的形状有关，不同类型的阀体的形状亦有所不同。一个阀 体又往往由几种形状所组成，即使是同一形状，尺寸亦不一样，例如抵押闸阀的阀体， 通道两端是圆形，而中腔确是椭圆形；中压和高压闸阀的阀体虽然通道两端与中腔都是 圆形，但圆的内径又不一样。按理说，一个阀体的计算要根据它的形状和尺寸一部分一部分地单独进行，但实际应用上并不需要这样做，因为分开计算比较复杂，并且一个阀体中通常亦不取几个不同的壁厚。另外需要注意的是：阀体壁厚的计算除了考虑强度之外，还应考虑其刚度，否则同样会出现因受力变形而报废的现象。本设计采用的是WCB级的铸钢，属于塑性材料因此按照塑性材料计算其壁厚根据阀门计算P117得壁厚计算公式： （3.6）其中：DN中腔直径；P设计压力一般去公称压力 PN；L材料ZG25的许用拉应力C考虑铸造偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕量，查阀门设计P119，表7-5得C=5mm；根据实用阀门设计手册P1442表9-18查得法兰和对焊连接钢 制闸阀的壳体最小壁厚为108mm。所以最后取SB=108mm203.7 中法兰的设计与计算3.7.1中腔尺寸 DN 确定闸阀阀体中法兰是指阀体与阀盖连接的法兰，这样的连接形式在阀门上是十分普遍的。中法兰的设计必须保证在工作温度和工作压力下有足够的强度与密封性。对在高温下工作的阀门，应按常温、初加温和高温三种工况分别盐酸，当介质温度300时，只按照常温工况计算。中腔尺寸的确定可参考楔式闸阀阀体、闸板轨道和轨道槽的形式根据实用阀门设计手册P1281图7-8得该形式的示意图及尺寸如下：图3-3 楔式闸阀阀体、闸板轨道和轨道槽的形式其中：L=357 L1=355 l=337 l1=335 b=140.5 b1=16根据以上数据，确定中腔直径DN=360mm3.7.2 中法兰垫片尺寸和材料的选择由实用阀门设计手册P1224 选择垫片（二），材料为 X5200，尺寸由阀门设计P124确定如下： 垫片系数mDP=2内径 d=360，外径D=430，厚度 t=3比压qYJ=10MPa。3.7.3 中法兰结构尺寸的确定同时参考中法兰垫片尺寸和标准法兰尺寸得中法兰结构同图3-1，尺寸如下：表3-2 中法兰3.7.4 螺栓的总计算载荷当工作温度小于等于200是，直接计算并校核。1）工作时（操作时总作用力） 式中：QDJ垫片处的介质压力， QDF垫片密封力， QDT垫片弹簧力， 所以2）最小预紧力 而 式中：qYJ密封面预紧比压； KDP碘片形状系数，按圆形取1所以， 螺栓计算载荷 5、螺栓的强度校核螺栓的材料选为35号钢，根据使用阀门设计手册P617查得L =135MPa，单个螺栓底直径面积为3.816cm2。所以， 所以，选择35号钢的螺栓是符合设计需求的。6、中法兰的强度计算图3-4 中法兰尺寸由实用阀门设计手册P1059 查得中法兰强度校验公式如下：断面拉应力满足强度要求。-断面弯曲应力 （3.7）式中： 所以 由阀门设计手册P264查得IG25的W=99.96MPa所以W1W-断面弯曲应力 （3.8）式中： 所以 由阀门设计手册P264查得IG25的W=99.96MPa所以W1W综上，中法兰的设计符合强度要求。第四章 闸板的设计与计算4.1 闸板密封面宽度和内径的选取 闸板密封面宽度bM应取得较阀座密封面宽度bM大，这基于以下几个方面考虑： 阀门在经过一段时间的使用后，闸板与阀座密封面之间有磨损。 关闭阀门时，往往容易过于用力。 这两点必然导致闸板的下窜。 对于明杆闸阀，阀体导轨与闸板之间径向间隙对闸板与阀座密封面之间接触面积有一定影响。间隙量越大，实际接触面积就越有可能较理论接触面积为小。考虑到以上三点，为了保证闸阀密封面能够与整个阀座密封面接触，就必须去bM较bM大，一般取=0.51.0，大口径、高压力取较小值，故取bM18mm。闸板密封面平均直径应取得与阀座密封面平均直径相等，这样便于得出闸板密封面内径。4.2 闸板与阀体档宽及相应公差的计算 对于楔式闸阀，其阀座的档宽Lk已经标准化，可以由阀门的公称通经DN，公称压力PN直接查到。由实用阀门设计手册P1283 表 7-12 查得LK=80mm。所谓档宽就是指阀座或闸板两密封面在其中心线上的距离。正确的设计应使闸板密封面边缘（最低点）与阀座密封面下缘重合。由于阀座与闸板的档宽名义尺寸不等，所以在全关的位置上，闸板的中心线不会与阀座的中心线重合，而是由一定的距离 上述的是理想情况的名义尺寸，即为没有任何偏差的情况下。但实际上闸板与阀座的加工都会有偏差的存在，使得闸板与阀座装配时的实际关闭位置上，即闸板的实际位置可能上移或者下移。一次要对阀座和闸板规定适当的公差范围，以保证他们能够良好的密封，得到最佳的密封性能，达到设计的最小磨损裕量行程。闸板与阀座的密封面磨损后，闸板的关闭位置下移至二者的密封面上缘(最高点)对齐时，即为极限位置，这是尚能使两者密封面全面积接触，当两者密封面继续磨损下移， 则认为两者不能保证密封，认定此阀门损废。密封面的公差确定：闸板密封面的档宽LB的确定应使阀门在设计关闭时闸板密封面与阀座密封面下端对齐，这样便得出 （4.1）由于阀体档宽上下偏差LK=80，设闸板公差为LB=80.70； 由于闸板按其公差上限的最大档宽于阀座按其公差下限的最小档宽相结合，若闸板上移1mm，即0.13-x=21sin5，x=+0.04；由于闸板按其公差下限的最大档宽于阀座按其公差上限的最小档宽相结合，若闸板下移但仍能保证最小磨损形成，即0.28+y=21sin5，y=-0.08；所以，闸板密封面的档宽LB=80.70。4.3 闸板主要结构尺寸的确定4.3.1 闸板与阀杆头部相配合的 T 型槽尺寸由实用阀门设计手册P1289 图 7-21 和表 7-22 以及已知的公称通径、阀杆直径确定闸板 T 形槽结构与尺寸如下：图 4-1 闸板 T 形槽结构如图： 4.3.2 闸板密封面外径闸板密封面外径为297+218=333mm。4.3.3 闸板其他机构尺寸由实用阀门设计手册P1284 图 7-14 表 7-14 确定闸板其他结构尺寸如下：图4-2 闸板尺寸其中L=， D1=297， b=18， d=218， S=16 h=22， A=80， B=75， D=345， H=1764.4 闸板密封面比压计算闸板密封面大于阀座密封面，则当闸阀关闭时，两则接触面积即为受压面积，及阀座密封面，所以闸板密封面比压于阀座密封面比压相q=25.688MPa。4.5 闸板强度的校核 闸板的单边厚度 SB 原则上应使闸板厚度能满足强度和刚度的要求，但是闸板并非均匀厚度的圆板，形状不规则，故难以建立起强度和刚度的精确计算工时。设计时刻根据下面的强度近似计算式确定。公式为： （4.2）式中RB中间薄板根部处半径 C腐蚀裕量，取3； IG25的许用应力，阀门设计手册P264 查得 IG25的= 99.96MPa。所以闸板强度满足设计要求。第五章 阀杆的设计与计算5.1 阀杆总轴向力5.1.1 关闭时楔式闸阀作用于阀杆上的力由实用阀门设计手册P1028 表 5-87 得关闭时阀杆总轴向力计算公式如下： （5.1）式中K1、K2由实用阀门设计手册P681 表 3-31 查得 K1=0.29、K2=0.77； QP阀杆径向截面上介质作用力，且 QT阀杆与填料摩擦力，由实用阀门设计手册P1464 查得填料函内径58mm，填料宽度10mm。填料材料选为聚四氟乙烯，其结构及尺寸由阀门设计P528 查得，单填料（上、中填料）高度为6mm，填料垫为6mm，最后根据填料函的结构尺寸以及填料的结构尺寸，确定中填料的个数为6。所以，填料空的深度H=6+66+6+(25)=53mm （5.2） 其中 h1单圈填料与阀杆接触的高度； Z1填料圈数； f填料与阀杆
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