PN40DN300雙缸氣動彈性單閘板閘閥設(shè)計(jì)含10張CAD圖
PN40DN300雙缸氣動彈性單閘板閘閥設(shè)計(jì)含10張CAD圖,PN40DN300,氣動,彈性,閘板,閘閥,設(shè)計(jì),10,CAD
摘 要
閥門在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門中有著廣泛的應(yīng)用。閥門安裝在各種管路系統(tǒng)中用于控制流體的壓力，流量和流向。由于流體的壓力、流量、溫度和物理化學(xué)性質(zhì)的不同，對流體系統(tǒng)的控制要求和使用要求也不同，所以閥門的種類和品種規(guī)格非常多。
本文著重介紹了閘閥，對閘閥的各種重要組成部件進(jìn)行驗(yàn)算，以達(dá)到理論上驗(yàn)算合格才可使用。在計(jì)算時(shí)，嚴(yán)格按照參考書及手冊的步驟核算，同時(shí)應(yīng)保證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的材料低廉。
關(guān)鍵詞： 閥門，閘閥，計(jì)算。
Abstract
The 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.
目錄
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒 論 6
1.1閘閥的定義 7
1.1.1 閘閥的種類 7
1.1.2 閘閥的密封原理和特點(diǎn) 8
1.1.3 閘閥優(yōu)點(diǎn) 8
1.1.4 閘閥的缺點(diǎn) 8
1.2選題意義 9
1.3 國內(nèi)外閥門的發(fā)展 9
1.3.1 國外閥門的發(fā)展 9
1.3.2 國內(nèi)閥門的發(fā)展 10
第二章 雙缸式氣動楔式閘閥結(jié)構(gòu)及使用注意事項(xiàng) 12
2.1 工作原理及特點(diǎn) 12
2.1.1 雙層氣缸和緩沖機(jī)構(gòu) 12
1.1.2 關(guān)閥時(shí)間可調(diào) 12
1.1.3 可配用回訊器（見圖2） 12
1.1.4 耐腐防蝕的氣缸 12
1.1.5 氣缸中的密封圈 12
2.2 氣動閥的結(jié)構(gòu)及使用方法 14
2.2.1 氣動閥的結(jié)構(gòu)（見圖3） 14
2.2.2 使用方法 14
2.3氣動閥的維護(hù)注意事項(xiàng) 14
第三章 閥體的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16
3.1 閥體的功能 16
3.2 閥體的選材 16
3.3 閥體的結(jié)構(gòu)形式和制造方法 17
3.4 確定閥體的結(jié)構(gòu)長度和連接尺寸 17
3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
3.5.1 閥座密封面的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
3.6 閥體壁厚的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20
3.7 中法蘭的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
3.7.1中腔尺寸 DN 確定 21
3.7.2 中法蘭墊片尺寸和材料的選擇 21
3.7.3 中法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的確定 21
3.7.4 螺栓的總計(jì)算載荷 22
第四章 閘板的設(shè)計(jì)與計(jì)算 25
4.1 閘板密封面寬度和內(nèi)徑的選取 25
4.2 閘板與閥體檔寬及相應(yīng)公差的計(jì)算 25
4.3 閘板主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 26
4.3.1 閘板與閥桿頭部相配合的 T 型槽尺寸 26
4.3.2 閘板密封面外徑 27
4.3.3 閘板其他機(jī)構(gòu)尺寸 27
4.4 閘板密封面比壓計(jì)算 27
4.5 閘板強(qiáng)度的校核 28
第五章 閥桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算 29
5.1 閥桿總軸向力 29
5.1.1 關(guān)閉時(shí)楔式閘閥作用于閥桿上的力 29
5.1.2 開啟時(shí)楔式閘板作用于閥桿的力 29
5.2 閥桿的直徑估算 30
5.3 閥桿的強(qiáng)度校核 30
5.3.1 閥桿的總扭矩 30
5.3.2 閥桿的強(qiáng)度計(jì)算 31
5.4 閥桿的穩(wěn)定性校核 32
5.4.1 影響因素 32
5.4.2 上閥桿的穩(wěn)定性校核 33
5.4.3 下閥桿的穩(wěn)定性校核 34
5.5 閥桿主要尺寸的確定 34
5.5.1 下閥桿端部結(jié)構(gòu)尺寸 34
5.5.2 下閥桿頭部結(jié)構(gòu)尺寸 35
5.5.3 上閥桿的結(jié)構(gòu)尺寸 35
第六章 閥蓋及填料裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算 36
6.1 閥蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算 36
6.2 填料壓蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算 37
6.2.1 填料選擇及填料函尺寸的確定 37
6.2.2 填料壓蓋的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 38
6.2.3 活節(jié)螺栓的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 40
6.2.4 銷的選擇與校核 41
6.3 上密封座尺寸 41
第七章 氣缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 42
7.1 氣缸的直徑粗估算與選取 42
7.2 氣缸的校核 42
第八章 其他主要零件的設(shè)計(jì)與校核 44
8.1 滾動軸承的選取 44
8.2 閥桿螺母的校核 44
8.3 上活塞與 T 型槽接頭連接螺栓的校核 45
第九章 結(jié)論 46
致 謝 47
參考文獻(xiàn) 48
第一章 緒 論
閥門是安裝在各種管道和設(shè)備等流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，由閥體、閥蓋、閥座、啟閉件、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、密封件和緊固件等組成，具有導(dǎo)流、截止、調(diào)節(jié)、節(jié)流、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能。用于流體控制的閥門，從最簡單的截?cái)嘌b置到極為復(fù)雜的自控系統(tǒng)，其品種和規(guī)格繁多。閥門的通徑小至用于宇航的十分微小的儀表閥，大至通徑達(dá)10m、重十幾噸的工業(yè)管路用閥。閥門可用于控制空氣、水、蒸氣、各種腐蝕性化學(xué)介質(zhì)、泥漿、液態(tài)金屬和放射性物質(zhì)等各種類型的流體流動。閥門的工作壓力可從1.3x10-3MPa到1000MPa的超高壓。工作溫度從—269℃的超低溫到1430℃的高溫。閥門可采用多種傳動方式，如手動、氣動、液動、電動、電 一 氣或電 一 液聯(lián)動及電磁驅(qū)動等；可以在壓力、溫度及其它形式傳感信號的作用下，按預(yù)定的要求動作，或者不依賴傳感信號而進(jìn)行簡單的開啟或關(guān)閉。閥門依靠驅(qū)動或自動機(jī)構(gòu)使啟閉件作升降、滑移、旋擺或回轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而改變其流道面積的大小以實(shí)現(xiàn)其控制功能。
閥門的種類繁多，隨著各類成套設(shè)備工藝流程和性能的不斷改進(jìn)，閥門種類還在不斷增加，且有多種分類的方法
閥門在國民經(jīng)濟(jì)中無所不有，它與生產(chǎn)、建設(shè)、國防和人民生活都有著密切關(guān)系。比如在石油、天然氣、煤炭、礦山的開采、提煉和輸送；化工、醫(yī)藥、輕工、造紙、食品的加工；水電、火電、核電的電力系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)灌溉；冶金系統(tǒng)；城市和工業(yè)企業(yè)的給排水，供熱、供氣、排污系統(tǒng)；船舶、車輛、航天、國防系統(tǒng)；各種運(yùn)動機(jī)械的流體系統(tǒng)等等均離不開閥門產(chǎn)品。
本設(shè)計(jì)是以楔式彈性單閘板閘閥為設(shè)計(jì)對象，主要介紹了閘閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和手動氣動轉(zhuǎn)換裝置的特點(diǎn)，以及其工作原理。閥門設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容，包括通用部件的設(shè)計(jì)和專用部件的設(shè)計(jì)，又包括強(qiáng)度、尺寸等眾多計(jì)算過程。其中，設(shè)計(jì)閥門的關(guān)鍵在于閥門密封設(shè)計(jì)，其中閥桿的強(qiáng)度計(jì)算，以及穩(wěn)定性計(jì)算也是重點(diǎn)。
閥門設(shè)計(jì)整個過程包括這樣幾個步驟。按設(shè)計(jì)參數(shù)確定結(jié)構(gòu)，進(jìn)行方案論證，工作原理受力分析，強(qiáng)度計(jì)算，穩(wěn)定性校核，材料選擇，測繪總裝備圖和手動機(jī)構(gòu)裝配圖和氣缸及閥門的全部零件圖（用 Auto CAD 繪制）。閘板密封面的受力分析，閘桿穩(wěn)定性校核及閥門強(qiáng)度計(jì)算是重難點(diǎn)。其中包括這樣幾個重點(diǎn)步驟。首先對工作環(huán)境進(jìn)行確定，選擇合適的方案，對設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行受力分析；然后根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和推薦尺寸來確定實(shí)際尺寸；最后對強(qiáng)度進(jìn)行校核，繪制閥門工程圖。
1.1閘閥的定義
閘閥（gate valve）是指啟閉件（閘板）沿介質(zhì)流動方向（通道軸線）的垂直方向移動而實(shí)現(xiàn)啟閉的閥門，作為截止介質(zhì)使用，主要由閥體、閥蓋、支架、閥桿、閥桿螺母、閘板、閥座、填料函、密封填料、上密封座、填料壓蓋及傳動裝置等零件組成。在全開時(shí)整個流通直通，此時(shí)介質(zhì)運(yùn)行的壓力損失最小。閘閥主要由閥體、閥蓋、閥桿、支架（亦有與閥蓋一體）等驅(qū)動裝置組成，其結(jié)構(gòu)在閥體內(nèi)類似閘閥一樣的板狀物與無相配的兩閥座（或單閥座）之間垂直于流體移動，從而打開或切斷流道，但閘閥只能作全開和全關(guān) , 不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流。閘閥適用范圍廣泛，主要應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥火力發(fā)電廠等行業(yè)。閘板有兩個密封面 , 最常用的模式閘板閥的兩個密封面形成楔形、楔形 角隨閥門參數(shù)而異 , 通常為 5°, 介質(zhì)溫度不高時(shí)為 2°52' 。楔式閘閥的閘板可以做成一個整體，叫做剛性閘板；也可以做成能產(chǎn)生微量變形的閘板 , 以改善其工藝性 , 彌 補(bǔ)密封面角度在加工過程中產(chǎn)生的偏差 , 這種閘板叫做彈性閘板。
1.1.1 閘閥的種類
按密封面配置可分為楔式閘板式閘閥和平行閘板式閘閥 , 楔式閘板式閘閥又可分為:單閘極式、雙閘板式和彈性閘板式；平行閘板式閘閥可分為單閘板式和雙閘板式。
按閥桿的螺紋位置劃分，可分為明桿閘閥和暗桿閘閥兩種。
閘閥關(guān)閉時(shí) , 密封面可以只依靠介質(zhì)壓力來密封 , 即依靠介質(zhì)壓力將閘板的密封面壓向另一側(cè)的閥座來保證密封面的密封，這就是自密封。大部分閘閥是采用強(qiáng)制密封的 , 即閥門關(guān)閉時(shí)，要依靠外力強(qiáng)行將閘板壓向閥座 , 以保證密封面的密封性。
閘閥的閘板隨閥桿一起作直線運(yùn)動的，叫升降桿閘閥 ( 亦叫明桿閘閥)。通常在升降桿上 有梯形螺紋，通過閥門頂端的螺母以及閥體上的導(dǎo)槽，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動 , 也就是將操作轉(zhuǎn)矩變?yōu)椴僮魍屏Α?
開啟閥門時(shí)，當(dāng)閘板提升高度等于閥門通徑的1。1倍時(shí)，流體的通道完全暢通，但在運(yùn)行時(shí)，此位置是無法監(jiān)視的。實(shí)際使用時(shí)，是以閥桿的頂點(diǎn)作為標(biāo)志，即開不動的位置，作為它的全開位置。為考慮溫度變化出現(xiàn)鎖死現(xiàn)象 , 通常在開到頂點(diǎn)位置上 , 再倒回 1/2－1圈 , 作為全開閥門的位置。因此 , 閥門的全開位置，按閘板的位置（即行程〉來確定。
有的閘閥 , 閥桿螺母設(shè)在閘板上，手輪轉(zhuǎn)動帶動閥桿轉(zhuǎn)動 , 而使閘板提升 , 這種閥門叫做旋轉(zhuǎn)桿閘閥或叫暗桿閘閥。
1.1.2 閘閥的密封原理和特點(diǎn)
1、密封原理
閘閥不管其具體結(jié)構(gòu)如何，密封基本原理可分為如下三類：
（1）自動密封：即通過介質(zhì)力，在Q介>Q密封條件下，使閥門在出口端密封。
（2）單面強(qiáng)制密封：即當(dāng)通過閥桿軸向力作用在閘板后，進(jìn)口端介質(zhì)達(dá)到某一壓力后流入中腔，然后通過楔緊力和介質(zhì)作用力作用下出口端密封。
（3）雙面強(qiáng)制密封：即當(dāng)通過閥桿軸向力作用在閘板后，由于楔緊力而使進(jìn)出口均密封。
2、特點(diǎn)
重量輕：本體采用高級球黑鑄鐵制成，重量較傳統(tǒng)閘閥重量減輕約20%~30%，安裝維修方便。
1.1.3 閘閥優(yōu)點(diǎn)
1、流體阻力小 ：閥體內(nèi)部介質(zhì)通道是直通的，介質(zhì)流經(jīng)閘閥時(shí)不改變其流動方向。
2、啟閉所需的力矩較小，較省力。但是與截止閥相比而言，因?yàn)闊o論是開是閉，閘板運(yùn)動方向均與介質(zhì)流動方向垂直。
3、可以使用在介質(zhì)向兩方向流動的環(huán)網(wǎng)管路上，即介質(zhì)流向不受限制 , 不擾流、降低壓力。
4、形體簡單 , 結(jié)構(gòu)長度短，制造工藝性好，適用范圍廣。
5、楔式閘閥閥體內(nèi)部介質(zhì)通道是直通的，介質(zhì)流經(jīng)閘閥時(shí)不改變其流動方向，因此流動阻力較小。
6、啟閉時(shí)閘板運(yùn)動方向與介質(zhì)流動方向相垂直，因而啟閉較為省力。
7、介質(zhì)流動方向不受限制，可以兩側(cè)任意方向流過，均能達(dá)到充通或截?cái)嗟哪康摹１阌诎惭b，適用于介質(zhì)的流動方向可能改變的管路中。
8、明桿楔式閘閥的傳動螺紋在閥體外部，便于潤滑和不受流體腐蝕。因此可根據(jù)閥桿的運(yùn)動方向和位置直觀地判斷閥所處的啟閉位置，不致因誤操而造成運(yùn)行故
1.1.4 閘閥的缺點(diǎn)
1、密封面之間易引起沖蝕和擦傷，維修比較困難。
2、外形尺寸較大，開啟需要一定的空間，開閉時(shí)間長。
3、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,一般閘閥都有兩個密封副，給加工研磨和維修增加了一些困難。
4、密封面易磨損，影響使用壽命。啟閉時(shí)，閘板與閥座兩個密封面相互摩擦滑動，要介質(zhì)壓力作用下易產(chǎn)生擦傷磨損，影響密封性能，縮短使用壽命
1.2選題意義
氣動閘閥從八十年代進(jìn)入我國。在不到二十年的時(shí)間里，其使用范圍從普通領(lǐng)域擴(kuò)展到了更為廣闊的各行各業(yè)。從礦山電廠的選煤、排矸、排渣。發(fā)展到了城市的污水處理，從一般的工業(yè)管道發(fā)展到了食品、衛(wèi)生、醫(yī)藥等專業(yè)管道系統(tǒng)。超薄型的刀閘閥以其體積小、流阻小、重量輕、易安裝、易拆卸等優(yōu)點(diǎn)徹底解決了普通閘閥、平板閘閥、球閥、截止閥、調(diào)節(jié)閥、蝶閥等類閥門的流阻大、重量大、安裝難、占地面積大等的疑難問題。
隨著機(jī)電一體化的趨勢，以及微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這些電動閥門在使用中出現(xiàn)越來越多的問題。比如控制精度不高、現(xiàn)場調(diào)試不方便、故障診斷方法不完善等，這就使得原有的電動閥門越來越無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，必將被淘汰。因此對電動閥門這一重要的工業(yè)用機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行有效的改造，提高其智能化程度，使其控制過程計(jì)算機(jī)化、通訊功能數(shù)字化、故障診斷處理智能化、檢測遠(yuǎn)程化，都有著非常重要的意義。
氣動閥門的設(shè)計(jì)需要綜合考慮閥門、執(zhí)行器、氣動元件以及閥門功能等多種因素，目前設(shè)計(jì)水平和制造水平與一流執(zhí)行器閥門制造商還是有一定的差距，需要虛心學(xué)習(xí)，不斷提高。
國內(nèi)外在提高閥門使用性能和使用壽命等方面進(jìn)行了大量的研究工作包括閥門的可靠性分析、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)和提高閥門可靠性的各種方法。許多學(xué)者針對閥門進(jìn)行了深入的研究研究內(nèi)容主要部分為兩大部分，一部分是關(guān)于具體型號閥門失效模式的研究；另一部分是從理論的角度對一些故障機(jī)制和可靠性方法進(jìn)行研究。目前在閥門可靠性研究領(lǐng)域密封問題、振動噪聲問題和可靠性試驗(yàn)問題是人們關(guān)注的焦點(diǎn)也是難點(diǎn)。同時(shí)閥門作為典型的機(jī)械產(chǎn)品種類相當(dāng)多，目前尚未有統(tǒng)一的規(guī)范來指導(dǎo)閥門的可靠性研究。因此，閥門可靠性技術(shù)研究的總結(jié)和展望對今后系統(tǒng)地進(jìn)行閥門可靠性研究有重要的理論現(xiàn)現(xiàn)實(shí)意義。
1.3 國內(nèi)外閥門的發(fā)展
1.3.1 國外閥門的發(fā)展
國外閥門研究機(jī)構(gòu)對閥門的設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)理論、新材料、新工藝、產(chǎn)品性能、可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化的研究十分重視。國外閥門的科研特點(diǎn)如下:
(1)試驗(yàn)研究與新產(chǎn)品開發(fā)密切結(jié)合。
(2)內(nèi)部研究課題與引進(jìn)國外技術(shù)密切。
(3)重視高新技術(shù)在閥門上的應(yīng)用研究。
(4)重視高參數(shù)和特殊工況用閥門的試驗(yàn)研究。
(5)重視閥門基礎(chǔ)理論的研究工作。
(6)重視現(xiàn)場試驗(yàn)與改進(jìn)工作[5]。
在 50 年代以前，國外的一些國家就已經(jīng)形成了獨(dú)立閥門專業(yè)及其行業(yè)體系，有了閥門行業(yè)組織或者閥門專業(yè)學(xué)術(shù)組織。像美國、英國、東歐、西歐等都有了閥門行業(yè)協(xié)會，日本也有閥門工業(yè)會和閥門研究會，前蘇聯(lián)則有閥門設(shè)計(jì)研究院。這些閥門行業(yè)和專業(yè)組織，都是為了提高生產(chǎn)技術(shù)和對外競爭的需要而建立起來的。國際閥門貿(mào)易市場在最近幾年中十分活躍，競爭也相當(dāng)激烈，實(shí)力較強(qiáng)的國家則是德國和美國，其中德國是世界最大的閥門出口國[6]。
隨著高壓技術(shù)的廣泛使用, 超高壓系統(tǒng)中的超高壓閥門性能直接影響整個系統(tǒng)工作的可靠性、安全性、工作效率和使用壽命，所以對閥門的材料選擇和結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。美國 HIP 公司的超高壓針閥, 工作壓力為690MPa的采用奧氏體316不銹鋼,工作壓力 1034MPa 的采用馬氏體型沉淀硬化不銹鋼17- 4PH[7]。
1.3.2 國內(nèi)閥門的發(fā)展
閥門是隨著流體管路的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。人類使用閥門已經(jīng)有近 4000 年的歷史了。中國古代從鹽井中吸鹵水制鹽時(shí)，就曾在竹制管路中使用過木塞閥。公元前 1800 年，古埃及人為了防止尼羅河泛濫而修建大規(guī)模水利時(shí)，也曾采用過類似的木制旋塞來控制水流的分配。這些都是閥門的雛形。工業(yè)用閥門的大量應(yīng)用，是從瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)以后才開始的。二十世紀(jì)初出現(xiàn)了鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、不銹鋼、鉻鉬鋼、黃銅、球墨鑄鐵等各種 材質(zhì)的閥門。應(yīng)用于各個行業(yè)，各種工礦。國內(nèi)最早引進(jìn)國外閥門生產(chǎn)技術(shù)的公司不 多，后引進(jìn)國外生產(chǎn)技術(shù)，使得國內(nèi)閥門生產(chǎn)技術(shù)突破，質(zhì)量提高，壽命加長[8]。隨著工業(yè)用陶瓷技術(shù)的開發(fā)成功，也出現(xiàn)了陶瓷材料閥門。陶瓷材料在低沖角下具有高的抗沖蝕性能[9]。目前中國四大閥門未來發(fā)展前景及趨勢：
（1）工程節(jié)能閥門走向系列；
（2）水力控制閥一閥多用；
（3）智能電動調(diào)節(jié)閥瞄準(zhǔn)搖控；
（4）閥門邁向通用化[10]。
2009 年 1-12 月，全國累計(jì)生產(chǎn)閥門 4,583,935.72 噸，比 2008 年增長了 3.74%；2010年 1-12 月，我國閥門產(chǎn)量累計(jì)為 5,390,394.75 噸；2011 年 1-12 月，我國閥門的產(chǎn)量為5,958,729.61 噸；2012 年 1-4 月我國閥門產(chǎn)量達(dá) 2,041,987.98 噸。
在我國目前的閥門市場上，除低壓閥門達(dá)到國際市場能接受的水平外，高壓閥門仍然需要依靠進(jìn)口[11]。從產(chǎn)品情況來看，我國閥門行業(yè)目前已經(jīng)能生產(chǎn)十幾大類產(chǎn)品，如閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、安全閥、止回閥、節(jié)流閥、旋塞閥、減壓閥、隔膜閥、疏水閥、緊急切斷閥等，最高使用溫度達(dá)到 570℃，最低為-196℃，最高壓力為 600MPa，最大通徑達(dá)到 5350 毫米[12]。閥門產(chǎn)品市場的強(qiáng)勁需求，國有經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，固定資產(chǎn)投資逐步擴(kuò)大。尤其是幾項(xiàng)世紀(jì)工程“西氣東輸”、“西電東送”、“南水北調(diào)”等項(xiàng)目的開工需要大量的閥門產(chǎn)品配套；另外，我國正面臨著工業(yè)化時(shí)代的到來，石化行業(yè)、電力部門、冶金部門、化工行業(yè)和城市建設(shè)等使用閥門大戶將增強(qiáng)對閥門產(chǎn)品的需求[13]。西氣東輸為代表的油氣輸送管線的建設(shè)和快速發(fā)展，我國高壓管線閥門的設(shè)計(jì)制造技術(shù)有了重要突破，特別是成功研制開發(fā)了用于主管線口徑為 NPS40 和 NPS48、壓力為 Class600 和 Class900 的高壓大口徑全焊接球閥，打破了國外閥門企業(yè)對于該領(lǐng)域的壟斷[14]。
電動和氣動兩種驅(qū)動形式的閘閥，是現(xiàn)在使用最為廣泛的閘閥類型，電動閘閥和氣動閘閥隨著閥門技術(shù)的不斷進(jìn)步，向著高技術(shù)、高規(guī)格、抗腐蝕、壽命長的方向發(fā)展，兩者工作性能的提高，使其在行業(yè)中占的比重越來越大，得到更多的市場發(fā)展空間[15]。
第二章 雙缸式氣動楔式閘閥結(jié)構(gòu)及使用注意事項(xiàng)
2.1 工作原理及特點(diǎn)
該氣動閥以(0.4～0.6)MPa（表壓）凈化壓縮空氣作為工作動力，推動活塞，帶動閘板作垂直于流體的位移，實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉閥門的目的。
2.1.1 雙層氣缸和緩沖機(jī)構(gòu)
雙層氣缸和緩沖機(jī)構(gòu)的工作原理，按閘閥工作的四個階段分述如下（見圖1）。
（1） 閘閥開啟前階段：上層氣缸的活塞（以下簡稱上活塞）和下層氣缸的活塞（以下簡稱下活塞）同時(shí)受力，閥桿在上 、下活塞的推動下，以單活塞近二倍的提升力，克服閘板密封面和閥體密封面之間的最大靜摩擦力，帶動閘板上升。
壓縮空氣由上氣缸的下氣室，經(jīng)由設(shè)置在隔板內(nèi)的特定通道，通過連通管，到達(dá)下氣缸的下氣室，推動上下活塞同時(shí)工作。下氣缸上氣室中的氣體，經(jīng)過設(shè)置在隔板內(nèi)的另—特定通道排出氣缸體外。
（2） 閘閥開啟的后階段：在閘板稍開啟以后，下活塞就運(yùn)行到了上死點(diǎn)，閘板在上活塞帶動下，繼續(xù)提升，直至到了全開位置。
（3） 閘閥關(guān)閉的前階段：在上活塞的推動下，閘板離開全開位置，開始下降。
（4） 閘閥關(guān)閉的后階段：當(dāng)上活塞碰到下活塞凸臺，并帶動下活塞一起繼續(xù)下降時(shí)，由于下氣缸上氣室的進(jìn)氣通道和下氣缸下氣室的排氣通道設(shè)有阻礙，明顯地減慢了下行的速度，直至閘板下降到了全關(guān)位置。減緩閘板下行的沖擊，自行可關(guān)嚴(yán)閥門，又不使間板楔得過緊，同時(shí)還保護(hù)了密封面，免受猛烈沖擊而損壞。
1.1.2 關(guān)閥時(shí)間可調(diào)
通過調(diào)整，安裝在隔板上的緩沖機(jī)構(gòu)，還可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整閘閥關(guān)閉的時(shí)間。
1.1.3 可配用回訊器（見圖2）
本閥可以配用電的或氣的回訊器，用以發(fā)送閥門開關(guān)狀態(tài)信息。因此，使用本閥可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制和自動控制。
1.1.4 耐腐防蝕的氣缸
本閥的氣缸選用無縫鋼管制造，內(nèi)表面鍍鉻，并經(jīng)拋光處理，具有摩擦力小、不易銹蝕、高硬度、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
1.1.5 氣缸中的密封圈
采用耐油橡膠O形密封圈，密封性能可靠，維修時(shí)更換方便。
圖1 氣動閥的工作狀況
圖2 氣動閥的控制電路
2.2 氣動閥的結(jié)構(gòu)及使用方法
2.2.1 氣動閥的結(jié)構(gòu)（見圖3）
該閥主要由閥體、閥蓋、閘板、閥桿、密封圈、雙層氣缸及其活塞，活塞桿、隔板連同緩沖機(jī)構(gòu)、手動機(jī)構(gòu)、氣動——手動轉(zhuǎn)換裝置和閥蓋填料箱裝置等部分組成。
2.2.2 使用方法
閥門氣動時(shí)，上活塞行至行程上端點(diǎn)可頂上上回訊器，使之發(fā)訊；下活塞行至行程下端可頂下下回訊器，使之發(fā)訊，以作為閘閥開閉信息在中央操作室的模擬儀表盤上進(jìn)行顯示。
2.3氣動閥的維護(hù)注意事項(xiàng)
(1) 本閥在使用中，要求將閘板全開全關(guān)，不允許將閘閥打開一部分作為調(diào)節(jié)流量的節(jié)流閥使用。否則，在介質(zhì)流速的沖刷下使密封面損壞。
(2) 閥在使用期間，經(jīng)常檢查氣源的分水過濾器、減壓閥和油霧器。必要時(shí)應(yīng)定期在氣缸內(nèi)壁加注少量潤滑油。
(3) 閥在使用期間，應(yīng)視其動作頻繁程度進(jìn)行定期檢查和維護(hù)。
(4) 供氣故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)將氣動轉(zhuǎn)換為手動，轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)先將轉(zhuǎn)換手柄向外拉出定位銷，手柄沿逆時(shí)針方向扳轉(zhuǎn)，并適度轉(zhuǎn)動手輪使手柄扳到位后，即可對閥門進(jìn)行手動控制。當(dāng)手動轉(zhuǎn)換為氣動時(shí)，手柄沿順時(shí)針方向扳轉(zhuǎn)復(fù)位。在操作中必須注意氣動手動不得混亂，特別是轉(zhuǎn)換手柄在手動的位置時(shí)，不許進(jìn)行氣動。
圖3 氣動楔式閘閥結(jié)構(gòu)示意圖
第三章 閥體的設(shè)計(jì)與計(jì)算
閥體是閥門的重要結(jié)構(gòu)要素，是連接管道的重要部件。閥體的設(shè)計(jì)時(shí)比較重要的一個部分，主要計(jì)算部分包括：閥體的壁厚，閥座密封面等。詳細(xì)計(jì)算見下文。
3.1 閥體的功能
閥體是閥門的重要部件之一，閥體的重量是整個閥門重量的 70%左右，對于雙氣缸氣動楔式閘閥中閥體的重量會比通常小些。
閥體的主要功能：
作為工作介質(zhì)的流體通道；
承受工作介質(zhì)的壓力、溫度、沖蝕和腐蝕；
在閥體內(nèi)部構(gòu)成一個空間，設(shè)置閥座以及容納啟閉件，閥桿等零件；
在閥體端部設(shè)置法蘭連接結(jié)構(gòu)，滿足閥門與管道系統(tǒng)的安裝要求；
承受閥門啟閉載荷和在安裝使用過程中，因溫度變化、震動、流體沖擊等影響產(chǎn)生的附加載荷；
安裝過程中作為閥門總裝配的基礎(chǔ)。
3.2 閥體的選材
制造閥門的材料必須根據(jù)下列因素來選擇：
（1）工作介質(zhì)的壓力、溫度和特性；
（2）該零件的手里情況和在結(jié)構(gòu)中應(yīng)起的作用；
（3）有較好的工藝性（包括鑄造、加工、熱處理、焊接工藝性）；
（4）成本和國家資源情況。
可供制造閥門零件用的材料牌號很多，包括各種不同的鋼材、有色金屬及其合金，各種非金屬材料等。但是為了減少供應(yīng)儲備上的困難，我們已經(jīng)進(jìn)行了材料選用方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作，便于既滿足與設(shè)計(jì)要求，又方便生產(chǎn)。目前，我國有關(guān)部門正在對新材料進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，如新的鋼種、工程塑料和新的密封面堆焊材料等，這些材料的出現(xiàn)無疑亦給閥門制造業(yè)創(chuàng)新提供了條件。
本次設(shè)計(jì)中適用于壓力 P≥2.5MPa，介質(zhì)溫度 T≤200℃的低壓閥門，常用牌號有HT20-40、HT25-47、HT30-54 等，其機(jī)械性能按照 GB/T 12226-2005《通用閥門 灰鑄鐵件技術(shù)條件》的規(guī)定。但是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使用鑄鐵的成本和使用鑄鋼的成本不相上下了，使用 IG-25 的鋼材能夠獲得更好的機(jī)械性能。本設(shè)計(jì)中決定使用 IG25，其機(jī)械性能等查《閥門設(shè)計(jì)》P321頁，GB979-67。
3.3 閥體的結(jié)構(gòu)形式和制造方法
由閘閥的公稱壓力 PN=40MPa，公稱通徑 DN=300mm，通常情況閥體在結(jié)構(gòu)允許的條件下使用圓形中腔，圓形中腔較之其他形狀的中腔受力較好。閥體與閥蓋按要求選擇法蘭連接，閥體采用整體鑄造的制造形式，流道采用全通形式。
3.4 確定閥體的結(jié)構(gòu)長度和連接尺寸
GB/T 12221-2005《金屬閥門結(jié)構(gòu)長度》表 7 法蘭連接閘閥結(jié)構(gòu)長度，參考公稱設(shè)計(jì)參數(shù)確定公稱壓力PN=40MPa，公稱通徑DN=300mm的楔式閘閥結(jié)構(gòu)長度為1321mm。
閥體與管道采用法蘭連接，根據(jù)閥門的公稱壓力與公稱通徑查 GB 9113.4-88，選取凸面整體鋼制法蘭。材料為Q345R標(biāo)準(zhǔn)號GB713，其結(jié)構(gòu)及尺寸查P36~37圖8.2.1、表8.2.1-1得：
圖 3-1 整體法蘭
表 3-1-1 整體法蘭
3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.5.1 閥座密封面的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1）閥座密封面內(nèi)徑和寬度的選取
閥座密封面內(nèi)徑，對于堆焊的密封面，由于堆焊工藝的要求，一般取比內(nèi)徑大4~5mm；對于非堆焊的密封面，去與閥座內(nèi)徑相等。本設(shè)計(jì)屬于堆焊，故取閥座密封面內(nèi)徑D=300+5=305mm。
閥座密封面的寬度一般取公稱通經(jīng)的~，并且隨著公稱通經(jīng)的增大，密封面寬度與工程通徑之比逐漸減小。除了采用如鈷鉻鎢硬質(zhì)合金等較好的材料密封面寬度取較小之外，一般閥座密封面寬度最好不小于5mm。故取閥座密封面寬度bm=10mm。
由JB 5211-2008-T《閥門零部件 閘閥閥座》確定的閥座結(jié)構(gòu)如下：
圖3-2 閥座
其中b=8， D=300±1.0， D1=336， D2 = 303， D3=305， C=3
H=24
2）密封面形式的選取
按照介質(zhì)靜壓力與介質(zhì)密封力的不同關(guān)系，閘板與閥座之間的密封有三種形式：自動密封、單面強(qiáng)制密封、雙面強(qiáng)制密封。
本設(shè)計(jì)采用單面強(qiáng)制密封。這種形式的密封在介質(zhì)進(jìn)口端閘板與閥座密封面之間是不密封的，這里或者根本沒有比壓力，或者只有比密封比壓小的比壓力；在介質(zhì)出口一邊閘板與閥座密封面之間的密封性由閥桿軸向力來強(qiáng)制地加以保證，當(dāng)沒有介質(zhì)時(shí)，密封面上的額比壓力不得小于密封比壓。這是在介質(zhì)靜壓力小于密封力時(shí)所必須采取的強(qiáng)制密封的一種，也是通常采用的一種。
3）單面強(qiáng)制密封的受力分析和密封面比壓的計(jì)算
作用在閥門上的出口端閥座密封面的比壓要比進(jìn)口端大，其值按下列公式計(jì)算：
密封面上介質(zhì)靜壓力
（3.1）
其中：DMN—密封面內(nèi)徑 bM—閥座密封面寬度
P—計(jì)算壓力 QMJ—密封面上介質(zhì)靜壓力
介質(zhì)密封力
（3.2）
其中：qMF—密封壓力，由《閥門設(shè)計(jì)》P170表8-1查得
（3.3）
密封面上的總作用力：
（3.4）
密封面上的比壓計(jì)算：
（3.5）
密封面材料使用 2Cr13，由《閥門設(shè)計(jì)》P171 查得需用比壓[q]=45MPa，所以
qMF < q < [q]
故閥體密封比壓校驗(yàn)合格。
3.6 閥體壁厚的設(shè)計(jì)與計(jì)算
閥體壁厚的計(jì)算方法與它的形狀有關(guān)，不同類型的閥體的形狀亦有所不同。一個閥 體又往往由幾種形狀所組成，即使是同一形狀，尺寸亦不一樣，例如抵押閘閥的閥體， 通道兩端是圓形，而中腔確是橢圓形；中壓和高壓閘閥的閥體雖然通道兩端與中腔都是 圓形，但圓的內(nèi)徑又不一樣。按理說，一個閥體的計(jì)算要根據(jù)它的形狀和尺寸一部分一部分地單獨(dú)進(jìn)行，但實(shí)際應(yīng)用上并不需要這樣做，因?yàn)榉珠_計(jì)算比較復(fù)雜，并且一個閥體中通常亦不取幾個不同的壁厚。另外需要注意的是：閥體壁厚的計(jì)算除了考慮強(qiáng)度之外，還應(yīng)考慮其剛度，否則同樣會出現(xiàn)因受力變形而報(bào)廢的現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)采用的是WCB級的鑄鋼，屬于塑性材料因此按照塑性材料計(jì)算其壁厚
根據(jù)《閥門計(jì)算》P117得壁厚計(jì)算公式：
（3.6）
其中：DN—中腔直徑；
P—設(shè)計(jì)壓力一般去公稱壓力 PN；
σL—材料ZG25的許用拉應(yīng)力
C—考慮鑄造偏差、工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素而附加的裕量，查《閥門設(shè)計(jì)》P119，表7-5得C=5mm；
根據(jù)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1442表9-18查得法蘭和對焊連接鋼 制閘閥的殼體最小壁厚為108mm。
所以最后取SB=108mm
20
3.7 中法蘭的設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.7.1中腔尺寸 DN 確定
閘閥閥體中法蘭是指閥體與閥蓋連接的法蘭，這樣的連接形式在閥門上是十分普遍的。中法蘭的設(shè)計(jì)必須保證在工作溫度和工作壓力下有足夠的強(qiáng)度與密封性。對在高溫下工作的閥門，應(yīng)按常溫、初加溫和高溫三種工況分別鹽酸，當(dāng)介質(zhì)溫度≤300℃時(shí)，只按照常溫工況計(jì)算。
中腔尺寸的確定可參考楔式閘閥閥體、閘板軌道和軌道槽的形式
根據(jù)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1281圖7-8得該形式的示意圖及尺寸如下：
圖3-3 楔式閘閥閥體、閘板軌道和軌道槽的形式
其中：L=357 L1=355 l=337 l1=335 b=14±0.5 b1=16
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定中腔直徑DN=360mm
3.7.2 中法蘭墊片尺寸和材料的選擇
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1224 選擇墊片（二），材料為 X5200，尺寸由《閥門設(shè)計(jì)》P124確定如下：
墊片系數(shù)mDP=2
內(nèi)徑 d=360，外徑D=430，厚度 t=3
比壓qYJ=10MPa。
3.7.3 中法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的確定
同時(shí)參考中法蘭墊片尺寸和標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸得中法蘭結(jié)構(gòu)同圖3-1，尺寸如下：
表3-2 中法蘭
3.7.4 螺栓的總計(jì)算載荷
當(dāng)工作溫度小于等于200℃是，直接計(jì)算并校核。
1）工作時(shí)（操作時(shí)總作用力）
式中：QDJ—墊片處的介質(zhì)壓力，
QDF—墊片密封力，
QDT—墊片彈簧力，
所以
2）最小預(yù)緊力
而
式中：qYJ—密封面預(yù)緊比壓；
KDP—碘片形狀系數(shù)，按圓形取1
所以，
螺栓計(jì)算載荷
5、螺栓的強(qiáng)度校核
螺栓的材料選為35號鋼，根據(jù)《使用閥門設(shè)計(jì)手冊》P617查得[σL] =135MPa，單個螺栓底直徑面積為3.816cm2。
所以，
所以，選擇35號鋼的螺栓是符合設(shè)計(jì)需求的。
6、中法蘭的強(qiáng)度計(jì)算
圖3-4 中法蘭尺寸
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1059 查得中法蘭強(qiáng)度校驗(yàn)公式如下：斷面拉應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。
Ⅰ-Ⅰ斷面彎曲應(yīng)力
（3.7）
式中：
所以
由《閥門設(shè)計(jì)手冊》P264查得IG25的[σW]=99.96MPa
所以σW1<[σW]
Ⅱ-Ⅱ斷面彎曲應(yīng)力
（3.8）
式中：
所以
由《閥門設(shè)計(jì)手冊》P264查得IG25的[σW]=99.96MPa
所以σW1<[σW]
綜上，中法蘭的設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。
第四章 閘板的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1 閘板密封面寬度和內(nèi)徑的選取
閘板密封面寬度b’M應(yīng)取得較閥座密封面寬度bM大，這基于以下幾個方面考慮：
閥門在經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，閘板與閥座密封面之間有磨損。
關(guān)閉閥門時(shí)，往往容易過于用力。
這兩點(diǎn)必然導(dǎo)致閘板的下竄。
對于明桿閘閥，閥體導(dǎo)軌與閘板之間徑向間隙對閘板與閥座密封面之間接觸面積有一定影響。間隙量越大，實(shí)際接觸面積就越有可能較理論接觸面積為小。
考慮到以上三點(diǎn)，為了保證閘閥密封面能夠與整個閥座密封面接觸，就必須去b’M較bM大，一般取=0.5~1.0，大口徑、高壓力取較小值，故取bM18mm。
閘板密封面平均直徑應(yīng)取得與閥座密封面平均直徑相等，這樣便于得出閘板密封面內(nèi)徑。
4.2 閘板與閥體檔寬及相應(yīng)公差的計(jì)算
對于楔式閘閥，其閥座的檔寬Lk已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，可以由閥門的公稱通經(jīng)DN，公稱壓力PN直接查到。由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1283 表 7-12 查得LK=80mm。
所謂檔寬就是指閥座或閘板兩密封面在其中心線上的距離。正確的設(shè)計(jì)應(yīng)使閘板密封面邊緣（最低點(diǎn)）與閥座密封面下緣重合。由于閥座與閘板的檔寬名義尺寸不等，所以在全關(guān)的位置上，閘板的中心線不會與閥座的中心線重合，而是由一定的距離
上述的是理想情況的名義尺寸，即為沒有任何偏差的情況下。但實(shí)際上閘板與閥座的加工都會有偏差的存在，使得閘板與閥座裝配時(shí)的實(shí)際關(guān)閉位置上，即閘板的實(shí)際位置可能上移或者下移。一次要對閥座和閘板規(guī)定適當(dāng)?shù)墓罘秶员ＷC他們能夠良好的密封，得到最佳的密封性能，達(dá)到設(shè)計(jì)的最小磨損裕量行程。
閘板與閥座的密封面磨損后，閘板的關(guān)閉位置下移至二者的密封面上緣(最高點(diǎn))對齊時(shí)，即為極限位置，這是尚能使兩者密封面全面積接觸，當(dāng)兩者密封面繼續(xù)磨損下移， 則認(rèn)為兩者不能保證密封，認(rèn)定此閥門損廢。
密封面的公差確定：
閘板密封面的檔寬LB的確定應(yīng)使閥門在設(shè)計(jì)關(guān)閉時(shí)閘板密封面與閥座密封面下端對齊，這樣便得出
（4.1）
由于閥體檔寬上下偏差LK=80，設(shè)閘板公差為LB=80.70；
由于閘板按其公差上限的最大檔寬于閥座按其公差下限的最小檔寬相結(jié)合，若閘板上移1mm，
即0.13-x=2×1×sin5，x=+0.04；
由于閘板按其公差下限的最大檔寬于閥座按其公差上限的最小檔寬相結(jié)合，若閘板下移但仍能保證最小磨損形成，
即0.28+y=2×1sin5，y=-0.08；
所以，閘板密封面的檔寬LB=80.70。
4.3 閘板主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定
4.3.1 閘板與閥桿頭部相配合的 T 型槽尺寸
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1289 圖 7-21 和表 7-22 以及已知的公稱通徑、閥桿直徑確定閘板 T 形槽結(jié)構(gòu)與尺寸如下：
圖 4-1 閘板 T 形槽結(jié)構(gòu)
如圖：
4.3.2 閘板密封面外徑
閘板密封面外徑為297+2×18=333mm。
4.3.3 閘板其他機(jī)構(gòu)尺寸
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1284 圖 7-14 表 7-14 確定閘板其他結(jié)構(gòu)尺寸如下：
圖4-2 閘板尺寸
其中L=， D1=297， b=18， d=218， S=16
h=22， A=80， B=75， D=345， H=176
4.4 閘板密封面比壓計(jì)算
閘板密封面大于閥座密封面，則當(dāng)閘閥關(guān)閉時(shí)，兩則接觸面積即為受壓面積，及閥座密封面，所以閘板密封面比壓于閥座密封面比壓相q’=25.688MPa。
4.5 閘板強(qiáng)度的校核
閘板的單邊厚度 SB 原則上應(yīng)使閘板厚度能滿足強(qiáng)度和剛度的要求，但是閘板并非均勻厚度的圓板，形狀不規(guī)則，故難以建立起強(qiáng)度和剛度的精確計(jì)算工時(shí)。設(shè)計(jì)時(shí)刻根據(jù)下面的強(qiáng)度近似計(jì)算式確定。
公式為：
（4.2）
式中RB—中間薄板根部處半徑
C—腐蝕裕量，取3；
—IG25的許用應(yīng)力，《閥門設(shè)計(jì)手冊》P264 查得
IG25的= 99.96MPa。
所以閘板強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
第五章 閥桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1 閥桿總軸向力
5.1.1 關(guān)閉時(shí)楔式閘閥作用于閥桿上的力
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1028 表 5-87 得關(guān)閉時(shí)閥桿總軸向力計(jì)算公式如下：
（5.1）
式中K1、K2—由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P681 表 3-31 查得
K1=0.29、K2=0.77；
QP—閥桿徑向截面上介質(zhì)作用力，且
QT—閥桿與填料摩擦力，由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1464 查得填料函內(nèi)徑58mm，填料寬度10mm。填料材料選為聚四氟乙烯，其結(jié)構(gòu)及尺寸由《閥門設(shè)計(jì)》P528 查得，單填料（上、中填料）高度為6mm，填料墊為6mm，最后根據(jù)填料函的結(jié)構(gòu)尺寸以及填料的結(jié)構(gòu)尺寸，確定中填料的個數(shù)為6。所以，填料空的深度H=6+6×6+6+(2~5)=53mm
（5.2）
其中 h1—單圈填料與閥桿接觸的高度；
Z1—填料圈數(shù)；
f—填料與閥桿的摩擦系數(shù)，約為 0.05~0.1，取 f=0.1
計(jì)算得。
所以，
5.1.2 開啟時(shí)楔式閘板作用于閥桿的力
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1028 表 5-87 得關(guān)閉時(shí)閥桿總軸向力計(jì)算公式如下：
（5.3）
式中：K3、K4—由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P681 表 3-31 查得
K3=0.41、K4=0.62
—同關(guān)閉時(shí)。
所以
5.2 閥桿的直徑估算
由《閥門設(shè)計(jì)》P197 公式 10-26 的直徑估算公式
（5.4）
式中：Q—閥桿的最大軸向力，即
[σY]—閥桿材料的許用應(yīng)力，查《閥門設(shè)計(jì)》P185 表 9-8 得到，2Cr13 的
[σY] = 245MPa。
所以
但又由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1456 表 9-40 查得閥桿的最小直徑為 40mm，所以最終確定閥桿直徑dF=40mm。
5.3 閥桿的強(qiáng)度校核
5.3.1 閥桿的總扭矩
閥桿的軸向力通常是由驅(qū)動裝置的扭矩產(chǎn)生的，因此計(jì)算閥桿的扭轉(zhuǎn)矩對閥桿的強(qiáng)
度計(jì)算，螺母與閥桿的螺紋之間的摩擦力矩的計(jì)算都是不可缺少的。
由于閥桿的軸向力通過螺母凸肩作用在支架上，此處設(shè)有推力軸承，所以軸承與支
架產(chǎn)生的摩擦力矩并不作用在閥桿上。明桿閘閥的閥桿為開降桿，即在啟閉過程中只做
直線運(yùn)動，所以填料沒有阻力矩，閥桿的受力分布如下圖：
圖5-1 閥桿的受力分布
因?yàn)殚_啟時(shí)閥桿的軸向力最大，也就是說開啟時(shí)閥桿的總扭矩也最大，所以下面計(jì)算只算開啟時(shí)的總扭矩。
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1027 與 P1028 查得閥桿受力圖及強(qiáng)度驗(yàn)算公式，對于裝有推力球軸承的明桿閘閥閥桿的總扭矩為：
（5.5）
式中RFM—螺紋的摩擦半徑，由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P665查得
所以開啟時(shí)閥桿的總扭矩為
5.3.2 閥桿的強(qiáng)度計(jì)算
閥桿開啟時(shí)閥桿的強(qiáng)度計(jì)算
開啟時(shí)閥桿的受載情況如上圖所示
上閥桿的危險(xiǎn)截面為螺紋退刀槽出，因此此處的橫截面最小，因該校核此處拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和合成應(yīng)力。
a.拉應(yīng)力(MPa)為
（5.6）
式中：Fs—閥桿最小截面積(mm2)；按有退刀槽處的FT計(jì)算，由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P667 查得為624mm2；
[σL]—閥桿材料的許用拉應(yīng)力(MPa)，由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P607 查得為240MPa。
b.扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)為240MPa；
（5.7）
式中：Ws—閥桿最小抗扭截面系數(shù)(mm3)，有螺紋退刀槽則為退槽處的抗扭界面系數(shù)WT，4500mm3，由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P667 查得；
[τN]—閥桿材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)，由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P607 查得為145MPa。
c．合成應(yīng)力(MPa)為
（5.8）
式中：[σΣ]—閥桿材料的許用合成應(yīng)力(MPa)，由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P607 查得為230MPa。
綜上，閥桿的強(qiáng)度是合格的。
下閥桿的強(qiáng)度校核和尚閥桿相同，且下閥桿的最小截面大小和上閥桿最小截面大小差不多，但是下閥桿沒有氣缸的摩擦力，因此下閥桿的校核可以省去，且我們認(rèn)為它是和上閥桿一樣強(qiáng)度是合格的。
5.4 閥桿的穩(wěn)定性校核
5.4.1 影響因素
穩(wěn)定性是指受壓桿件發(fā)生橫向的彎曲破壞，影響閥桿的穩(wěn)定性的主要因素有：
a.材料的機(jī)械性能
特別是其抗彎曲性能是影響穩(wěn)定性的重要因素，具體體現(xiàn)在彈性模數(shù) E 的值；
b.桿件截面積及界面形狀
閥桿截面積越大，截面形狀越有利于抗彎，則其穩(wěn)定性越好，綜合界面積與形狀的影響，反映在計(jì)算中的位界面的慣性矩，而結(jié)合材料性能，即為桿件的抗彎強(qiáng)度；
c.桿件的長度
桿件的長度越大，其受壓的穩(wěn)定性越差；
d.桿件的外界約束條件
主要是桿件兩端的固定方式和中間支撐狀況，兩端的自由度越大，則穩(wěn)定性越差，在計(jì)算中反映為長度折算系數(shù)。
5.4.2 上閥桿的穩(wěn)定性校核
手動關(guān)閉式閥桿與開合螺母連接，可以認(rèn)為是固定連接，下端部與 T 型槽連接屬球
星連接，屬于有自由度連接，長度系數(shù)μλ取0.699。
閥桿的細(xì)長比(即柔度)按下式計(jì)算：
λ=4μλ?lFdF (5.9)
式中：dF—閥桿直徑為40mm；
lF—閥桿計(jì)算長度，對于升降桿是從上端閥桿螺母螺紋全高中點(diǎn)至閥桿下端面的距離，lF=940mm
μλ—長度系數(shù)，與支撐形式有關(guān)，這里取為 0.699。
所以，λ=65.7。
由《閥門設(shè)計(jì)》P154 查得常溫時(shí)閥桿中細(xì)長比的下界λ1=40，λ2=78.2，所以有
即
（5.10）
所以上閥桿滿足穩(wěn)定性條件。
式中：σY—閥桿的壓應(yīng)力；
[σY]W1—中細(xì)長比壓桿的穩(wěn)定性許用應(yīng)力；
a、b—依賴于材料性質(zhì)的系數(shù)，由《閥門設(shè)計(jì)》P154 查得 a=6442, b=23.6；
nW—穩(wěn)定安全系數(shù)，取 2.5。
5.4.3 下閥桿的穩(wěn)定性校核
下閥桿是一端活塞通過螺母固定，屬固定端，端部與 T 型槽以鉸鏈連接，同上閥桿，閥桿的細(xì)長比(即柔度)按下式計(jì)算：
(5.11)
式中：lF—閥桿計(jì)算長度，對于升降桿是從上端閥桿螺母螺紋全高中點(diǎn)至閥桿下端面的距離，lF=814.3mm；
μλ—長度系數(shù)，與支撐形式有關(guān)，對于具有中間支撐，查《閥門設(shè)計(jì)》P153得μλ= 0.410。
所以，
由上已知λ1= 40，即λ<λ1，所以下閥桿為低細(xì)長比壓桿，不需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。
5.5 閥桿主要尺寸的確定
5.5.1 下閥桿端部結(jié)構(gòu)尺寸
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1297 查得下閥桿端部結(jié)構(gòu)與尺寸如下：
圖5-2 閥桿端部結(jié)構(gòu)
D=200 d0=46 SR=200 h=19 h1=30
H=62 b=28 B=45
5.5.2 下閥桿頭部結(jié)構(gòu)尺寸
下閥桿頭部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有螺雙連接和鍵的連接，還有密封圈溝槽和退刀槽，具體尺寸確定如下：
設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必考慮鍵的安裝，一定要保證能裝進(jìn)去
螺栓為M36，密封圈內(nèi)徑26。
5.5.3 上閥桿的結(jié)構(gòu)尺寸
上閥桿的 T 型槽螺紋處部分為 Tr38× 5-7H，下端的尺寸和下閥桿端部尺寸相同。
第六章 閥蓋及填料裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算
6.1 閥蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算
閘閥的閥蓋一般設(shè)計(jì)成帶開口的閥蓋，為了設(shè)計(jì)填料函，保證中腔的密封，閥蓋的橢圓形中部即為開孔處安裝上密封座。對閥蓋進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，通常應(yīng)檢驗(yàn)Ⅰ-Ⅰ斷面的拉應(yīng)力和Ⅱ-Ⅱ斷面的剪應(yīng)力，開孔閥蓋的結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖6-1 開孔閥蓋
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1066 表 5-130 得開孔閥蓋的強(qiáng)度驗(yàn)算如下：
a.Ⅰ-Ⅰ斷面的拉應(yīng)力：
(6.1)
式中：DN—壓緊面的內(nèi)徑，為380mm；
[σL]—IG25 的許用拉應(yīng)力，為240.36MPa；
所以
所以，Ⅰ-Ⅰ斷面拉應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。
b.Ⅱ-Ⅱ斷面剪應(yīng)力：
(6.2)
式中：dr—填料函外徑為，內(nèi)徑 D+2SB =90mm；
[τ]—IG25 的許用剪應(yīng)力，為49.98MPa；
所以
所以，Ⅱ-Ⅱ斷面剪應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。
綜上，閥蓋的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。
6.2 填料壓蓋的設(shè)計(jì)與計(jì)算
6.2.1 填料選擇及填料函尺寸的確定
填料箱孔的直徑與閥桿直徑和填料寬度有關(guān)，而填料寬度bT(mm)，通常在(1~1.6)的范圍內(nèi)選取，結(jié)構(gòu)尺寸參照《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》。
a.填料和填料墊
在本次設(shè)計(jì)中選擇聚四氟乙烯為填料，這主要從經(jīng)濟(jì)和摩擦力兩方面考慮。
填料的結(jié)構(gòu)尺寸按形式如下圖所示，尺寸按 JB/T1712 2008 中表 4 規(guī)定。
圖6-2 上填料
圖6-3 中填料
填料墊結(jié)構(gòu)形式如圖所示，尺寸按 JB/T1712 2008 中表 5 規(guī)定。
圖6-4-3 填料墊
填料函尺寸的確定
由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1294 查得填料函部分尺寸，如圖下：
圖6-5 填料函部分尺寸
其中 D=58 d0=16 C=1.5 A=120 r=16 B=44 b=22 Z≥7
6.2.2 填料壓蓋的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核
a.填料壓蓋
填料壓蓋也不完全是標(biāo)準(zhǔn)件，它也是一方面參照《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》中的尺寸，
一方面考慮實(shí)際確定的，填料壓蓋的結(jié)構(gòu)形式和尺寸如下：
圖6-6 填料壓蓋
填料壓蓋的材料選為 2Cr13。
b.填料壓蓋的強(qiáng)度校核
根據(jù)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》P1062 和 P1063 可知填料壓蓋的強(qiáng)度校核應(yīng)對Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ斷面進(jìn)行彎曲應(yīng)力校核。
Ⅰ-Ⅰ斷面的彎曲應(yīng)力為
(6.3)
式中：M1—Ⅰ-Ⅰ斷面的彎曲力矩，按下式計(jì)算：，為力；FyT為壓緊填料的總力，按下式計(jì)算：；d為填料壓蓋的內(nèi)徑，D為填料壓蓋與填料箱孔配合直徑；qT為壓緊
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