明杆楔式单闸板闸阀设计Word下载.doc
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明杆楔式单闸板闸阀设计Word下载.doc
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二、确定阀门的主体材料 4
三、明杆楔式单闸板闸阀设计 5
3.1承压件设计 7
3.1.1承压件材料 8
3.1.2承压件壁厚 8
3.2密封副设计 9
3.2.1密封副材料 9
3.2.2密封副的总作用力和比压的计算 9
3.3阀体与阀盖连接型式和密封面结构的确定 11
3.4阀杆设计 12
3.4.1阀杆材料 13
3.4.2阀杆总轴向力计算 13
3.4.3阀杆扭应力计算 16
3.4.4阀杆弯曲应力的校核 17
3.5闸板设计 19
3.5.1闸板材料 20
3.5.2闸板厚度计算 20
3.6中法兰设计 21
3.6.1中法兰材料 21
3.6.2中法兰计算 21
3.6.3中法兰垫片计算 22
3.6.4螺栓设计计算 23
3.6.5弯曲应力计算 24
3.7阀盖设计 25
3.7.1阀盖材料 25
3.7.2阀盖壁厚计算 26
3.8支架设计计算 26
3.8.1支架材料 27
3.8.2弯曲应力计算 27
3.9阀杆螺母的设计 30
3.9.1阀杆螺母材料 30
3.9.2阀杆螺母挤应力计算与型号 30
3.10填料压盖设计 31
3.10.1填料压盖材料 31
3.10.2填料压盖型号 32
3.11锁紧螺栓设计 32
3.11.1锁紧螺栓材料 32
3.11.2锁紧螺栓型号 32
3.12手轮设计 33
3.12.1手轮材料 34
3.12.2手轮型号 34
3.13阀门流量系数 35
总结 37
致谢 38
参考文献 39
-III-
前言
闸阀是一种常见通用机械零部件,在生产生活中得到普遍应用,是我国工业大力发展的重要机械产品,它与人民的生产生活息息相关,闸阀的研究设计能够大大的加快我国国民经济以及国防建设的发展。
我国闸阀的生产历史已经有了几十年发展,闸阀的制造厂家也越来越多,设计的闸阀数量越来越大,闸阀的型号也变得越来越丰富。
以前我国的生产厂家仅仅只有少数的几十家,现在已经有了数千家厂家,闸阀型号也有越来的几十上百种发展到现在的数千上万种,可以说发展迅速。
尽管如此,我国国内的闸阀技术与国际水平还是有一定的差距,许多优秀闸阀设计还是需要从国外引入,但是我国生产制造厂家依旧不弃不馁,依旧在国内原有的基础上大力研究发展,相信不久后我国闸阀制造技术定会站在国际顶端[1]。
闸阀是流体控制元件,对流体阻力小,适用的压力和温度范围大,在流体管道系统中主要作用是管路介质的截断或接通、防止流体回流、调节流量、调节和排泄压力,由于所控制流体的物理性质与化学性质的不同,闸阀的使用规格型号也就不同。
闸阀功能简单,一般只能对介质作全开和全关功能[2]。
设计闸阀时,密封面的设计相当重要。
按密封面形式的不同可以将闸阀分为楔式闸板闸阀和平行式闸板闸阀。
楔式闸板闸阀又有单闸板闸阀和双闸板闸阀之分。
一般而言,闸阀的密封性能十分重要,密封性的好差直接决定闸阀是否使用合格。
如果产生流体外漏,可能会造成环境污染、经济损失,甚至可能会造成人身伤亡,十分危险。
设计时不但要考虑闸阀密封面的密封性能,还要考虑其选用材料的机械强度、刚度、制造工艺以及磨损等问题,以及流体温度、压力、腐蚀性等物理问题和化学问题。
由于闸阀生产生活中的重要性,本次设计就这些物理化学等问题展开设计。
一、设计任务
设计任务,即设计任务书。
明确阀门具体参数,如:
公称直径、公称压力、温度、介质、驱动方式等。
使用条件和要求,如:
室外或室内安装、启用频率等。
相关执行标准。
(一)设计课题:
明杆闸阀设计
(二)设计主要内容:
阀门是管道系统的重要组成部分,应该满足管道系统对阀门所提出安全性、可靠性的使用要求。
其零部件可以通过CAD、UG等软件来绘制和装配,以配合完成设计。
(三)本次设计内容:
确定阀门主体材料
闸阀结构设计:
承压件、密封副、阀体与阀盖、阀杆、闸板、中法兰、支架、阀杆螺母、填料压盖、手轮
(四)设计给定数据:
表1.1设计参数
序号
名称
符号
单位
公式或来源
数据
1
公称通径
DN
mm
设计给定
80
2
公称压力
PN
Mpa
4
3
温度
T
℃
20
介质
水、油品
5
驱动方式
手动
6
附加余量
7
壁厚系数
k1
PN=2.0MPa时,k1=1.3;
PN≥5.0MPa时k1=1
8
密封面宽度
bm
2.5
9
密封面内径
d
10
阀杆直径
df
22
11
介质压力
P
MPa
12
填料层总高度
hT
13
阀杆与填料间的摩擦系数
μT
0.01
(五)使用条件要求:
室温20℃,室内外无要求,手动控制。
(六)与管道连接形式:
法兰连接
(七)相关执行标准[2]:
设计标准:
设计系列:
低压小口径系列闸阀
二、确定阀门的主体材料
阀门主体与介质流体直接接触,所受腐蚀力最强,对材料的要求也十分重要,为了能让阀门安全可靠,节约能源、保护环境以及经济上的节约,阀门主体材料应当根据设计输入参数、使用条件和制造要求选定。
阀门在设计和选材的时候必须考虑的问题有很多,必须重点考虑的一个问题是阀门在工作时的温度。
为了更好的规范阀门主体材料所能适宜的工作温度,我国从阀门所使用材料的应力要求、温度等作出了相关规定以便于常规阀门的设计[3]。
另外,从生产经济上考虑,阀门的主体材料应该选用综合性适当的,避免造成经济上的浪费。
根据设计输入参数、使用条件和制造要求,并且应符合规定,综合考虑后确定阀门主体材料。
碳素铸钢为阀门常见材质编号,是机械性能为B级的中等强度的可焊铸钢件,含碳量的低碳钢。
设计给定:
公称压力,温度
参考资料[3][4]复印资料等,综合考虑后确定阀门阀体材料碳素铸钢WCB。
表2.1ASTM阀门管件用铸件材料的力学性能(Mpa)
材料牌号
力学性能
温度/oC
-29~343
371
399
427
454
482
510
538
565
WCA
414
397.5
359
298
240
180
125
70
—
207
200
150
120
90
65
35
WCB
485
458
408
330
256
245
230
165
128
三、明杆楔式单闸板闸阀设计
闸阀是通过启闭件闸板对流体的运动进行截断控制的一种机械部件,其闸板的运动方向与流体运动方向垂直,一般只能对流体作全开和全关控制,由于需要控制流体的物理性质和化学性质的不同,用作流体控制的闸阀规格也就不相。
闸阀种类繁多,其选用需要根据不同的环境要求而定。
闸阀关闭时,密封面可以通过介质压力的作用把闸板的密封面压向另一侧的阀座来形成自密封。
许多闸阀也都采用强制密封,通过外力如人力、电机等将闸板强行压向阀座来进行密封。
在有着不同压力、温度、介质等条件的地方运用不同的阀门,阀门型号种类有很多种,其中闸阀、截止阀和球阀等是主要阀类。
一台阀门,口径和内件的尺寸各有不同,内件材料的物理和化学特性也都有差别,内件还有不同的加工方式,可以铸造和锻造等。
由于生产生活中需要使用阀门的地方环境多样,导致阀门种类不同,其运动方式、介质流通形式、CV值也就不同。
一般情况下在明杆闸阀阀杆上设有梯形螺纹,通过阀门顶端的螺母以及阀体上的导槽将闸板和阀杆所作运动转变为直线运动,也就是将旋转运动转变成直线运动,把转矩转变成推矩。
在阀门开启过程中闸板提升高度与阀门通径比值为时,流体的通道完全敞开,对介质流体无截止作用,但在运动过程中,这个比值为的位置是无法看到的。
因为温度的上升与下降使阀杆可能出现锁死现象,通常把阀杆开到顶点位置上时再倒回,一般把这个位置作为阀门的全开位置。
所以说阀门的全开位置是由闸板的位置来进行确认的[2]。
闸阀的密封副设计十分重要。
一般一个合格的闸阀密封副是良好的,在闸板关闭和开启时不会对输送中的流体介质造成泄漏。
闸阀设计需要根据具体实际操作、设计给定参数和相关规定,需要将专业知识的相互结合,设计过程中应当边计算边绘图。
图为明杆楔式单闸板闸阀:
图3.1明杆楔式单闸板闸阀
3.1承压件设计
阀门作为压力管道一个重要部件。
由于阀门的功能比较特殊,受力比较复杂,所以阀门承压件的设计标准有着一定的特殊性。
经研究表明,基于亚比例失效准则的阀门设计是准确可行的。
承压件只有完全处于亚比例状态的时候才是安全的。
承压件因受力使其变形量达到最大比例变形量的一半时的变形状态叫亚比例状态。
阀门在工作中受到介质压力作用的同时还受到密封副之间挤压力的作用。
闸阀阀体一般为铸造,因为形状的复杂性,近年来对中小型阀体多采用紧密铸造。
阀体与流体管道系统多数是法兰连接,也有焊接,阀体上有导轨是阀杆升降导向。
档宽是阀体两个密封面间中心线的距离,略小于阀板中心相应的尺寸厚度,以便使密封面有一定的磨损时,仍然能够保证密封面的良好接触。
图3.2闸阀承压件
3.1.1承压件材料
承压件(阀体)直接与阀门控制的流体接触,其所受介质的物理和化学作用最大,如果介质流体是带有腐蚀性的化学物质,则需要用能抗腐蚀的材料进行承压件的制造;
如果介质流体压力很大,那么抗压性差的材料就不能作为承压件的制造材料。
已知:
公称压力,温度,介质流体为水,油等
所以材料选用:
碳素铸钢(ZG230-450)
3.1.2承压件壁厚
介质的工作温度室温,取T=20℃
介质公称压力(Mpa):
参考资料《阀门计算手册》第38页:
钢、合金钢及不锈钢
圆形阀体壁厚计算式(T1)
计算厚度(mm):
(3-1-1)
计算压力(Mpa):
计算内径(mm):
许用压力:
查表4-3[3],4-5[3]得
附加余量:
计算得:
因为实际厚度,所以
3.2密封副设计
为了实现阀门内外密封的零泄漏,节能环保与提高工作效率,阀门必须具备可靠的密封性能。
阀门的密封副指的是启闭件与阀座相互接触进行关闭的部分,密封面在进行密封过程中容易受到磨损,密封性随着使用次数增加而减低。
在使用过程中,因为金属密封面以及阀门受介质腐蚀和冲刷的影响容易损坏。
所以阀门密封件的材料必须能够耐腐蚀、抗冲刷。
如果其中的任何一个要求都不能满足,密封面就不能用这种材料制作。
介质的冲蚀会被腐蚀大大加速。
同样,尽管这种材料具有较大的抗腐蚀性和抗冲刷性,但由于抗擦伤性能较差,该材料同样不适用。
如果在普通阀门上应用性能较好的材料,制造成本价格太高,也不适用。
闸阀的密封副设计是对称的,由于阀杆的作用力,在进口和出口上形成相同的密封。
所以,对于一般工业要求,单面强制密封足够满足,但高压系统则难以满足。
密封面材料除了需要满足一般强度外,还需满足对介质的奶腐蚀性,所以材料的选择也是十分重要的。
3.2.1密封副材料
密封副是阀门的重要部件,密封副的密封性能是阀门是否能够正常工作的重要标准。
由于密封副的阀体一样,在闸阀工作的时候直接与介质流体接触,在介质流体的腐蚀与冲刷下,为了能够使密封性能提高,闸阀使用时间久,密封副的材料一定要具有耐磨、抗压、耐腐蚀的物化性能。
介质公称压力:
、公称通径
密封面宽度:
、密封面内径:
密封面材料:
黄铜(),材料硬度,密封面间无滑动
3.2.2密封副的总作用力和比压的计算
密封面比压的满足条件:
资料[3]、资料[4]第425页
式中:
:
密封面上的必须比压
查资料[3]表3-13
密封面的许用比压
查资料[3]表3-14
:
实际比压(MPa)
(3-2-1)
实际密封面比压(MPa)
:
阀座密封面内径,设计给定,(mm)
:
密封面宽度,设计给定,(mm)
出口端阀座密封面上的总作用力(N),表4-67[3]计算:
单面强制密封:
(3-2-2)
作用在出口密封面上的介质静压力(N):
(3-2-4)
密封面上达到必需比压时的作用力(N):
(3-2-5)
所以:
实际比压:
设计合格
1.楔半角5o
2.法兰和对焊连结钢制闸阀的壳体最小壁厚():
表6-226[3]
3.钢制阀门阀体颈部的最小壁厚():
表6-239[3]
4.推荐的加工余量值:
表4-2,
3.3阀体与阀盖连接型式和密封面结构的确定
阀盖主要是为阀体提供一个罩子,用于连接阀体,保护阀杆密封副,所以阀盖和阀体可以是一个整体,也可以分离。
它必须经受住工作介质的压力和温度。
法兰是用于管道间相互连接的零件,也叫突缘或法兰凸缘盘。
也有用在设备进出口上的法兰,用于两个设备之间的连接,如减速机法兰。
法兰、垫片以及螺栓三者相互连接而成的一组组合密封结构叫做法兰连接,法兰连接可以通过相应的机械工具进行拆卸。
在管道装置中管与管相连接用的法兰叫管道法兰,用在设备上是设备的进出口法兰。
法兰上有螺栓孔,螺栓使两个法兰相互紧密连接。
两个法兰中间的密封需要使用密封垫。
法兰的连接方式有许多种,如:
螺纹连接、丝扣连接、焊接以及卡夹。
通常法兰的使用是成对的,丝接法兰可以在低压管道上使用,焊接法兰则在压力为四公斤以上的机构中使用。
两片法兰盘用螺栓紧固时,两者之间需要加上密封垫。
法兰厚度和螺栓的使用因压力的不同而不同。
水泵和阀门在和管道连接的地方也制成相对应的法兰形状,这种管与管道间、管与设备间、设备与设备间通过法兰进行连接的连接方式也称为法兰连接[7]。
不同的法兰连接有不同的连接型式,当它用在阀门中的时候,其密封面结构型式有许多种,其中光滑式、径向自紧在一般阀门中比较常见等。
此次设计中阀体与阀盖连接型式为法兰连接,法兰密封面结构为光滑式结构。
3.4阀杆设计
明杆闸阀阀杆是一根长形圆柱机械零件,作用是将手轮的旋转扭力转化为上下推力。
阀杆端头与闸板连接形成密封副,阀杆上部有传动螺纹,一般采用梯形螺纹或方形螺纹。
明杆闸阀阀杆非螺纹部分因与填料摩擦,需要进行表面处理,提高耐磨性和抗腐蚀能力。
闸阀阀杆上的传动螺纹一般为左旋螺纹,手轮右向旋转可以将阀杆旋下,密封副密封,介质运动截止。
明杆闸阀的阀杆螺母装在支架上,手轮带动旋转,螺母有轴向限位。
阀杆材料多为2Cr13。
图3.3阀杆稳定性示意图
图3.4阀杆头部
3.4.1阀杆材料
阀杆与闸相连接,手轮同构阀杆将力矩传送给闸板,闸板与阀座开口闭合,形成密封。
所以阀杆材料须具有一定的抗压力、扭应力。
因为:
公称通径
所以材料:
2Cr13
3.4.2阀杆总轴向力计算
阀杆直径填料层总高度
介质作用于阀杆上的轴向力:
(3-4-1)
:
介质的工作压力
填料层的宽度:
(3-4-2)
取
填料函内径:
(3-4-3)
当,填料圈数,取
填料函深度:
(3-4-4)
填料层总高度(设计给定)
阀杆与填料间摩擦系数
阀杆与填料间摩擦力:
(3-4-5)
资料[1]第60页:
关闭时阀杆总轴向力:
(3-4-6)
开启时阀杆总轴向力:
(3-4-7)
阀杆最大轴向力,取、中的最大值。
查阅资料:
、、、
密封面处介质作用力:
(3-4-9)
密封面上密封力:
(3-4-10)
密封面必须比压
阀杆径向截面上介质作用力:
(3-4-11)
阀杆与填料摩力:
(3-4-12)
无石棉填料系数,按填料深度和填料宽度查表可得
关闭时阀杆总轴向力:
轴向应力:
、(3-4-13)
阀门最小截面面积
螺纹公称直径和螺距,查表[4]可知:
轴向应力、
查表得:
许用拉应力、许用压应力
、
设计合格。
3.4.3阀杆扭应力计算
扭应力:
(3-4-14)
关闭时阀杆螺纹摩擦力矩:
(3-4-15)
阀杆最小断面系数:
螺纹摩擦半径,表4-19[3]:
关闭时阀杆螺纹摩擦力矩
扭应力(3-4-16)
合格
合应力:
(3-4-17)
阀杆端部的强度计算[3]
剪应力:
(3-4-18)
阀杆与填料摩擦力:
(3-4-19)
阀杆铣扁后截面宽度:
(设计给定)
阀杆铣扁处到底面高度:
,设计合格。
3.4.4阀杆弯曲应力的校核
弯曲应力的校核:
弯曲应力:
(3-4-20)
阀杆的稳定性计算[3]:
阀杆计算长度:
(3-4-21)
密封面内径:
,取
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