插板阀的结构设计【含5张CAD图纸、说明书】
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插板阀的结构设计
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的设计【含CAD图纸】
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毕 业 设 计专 业： 机械设计制造及其自动化 班级学号：学生姓名：指导教师： 本科生毕业设计插板阀的结构设计The Design and Motion Simulation of Opened Gate Valve 专业班级：学生姓名：指导教师：系 别： 摘 要阀门是一种机械装置，用于在闭式管路如管道和管线内流体的截断或进、出的流量控制。 本文主要介绍了敞开式插板阀的结构特点、工作原理并对主要构件进行设计和校核计算，并以CAD/CAM/CAE集成化软件Solidworks为设计平台，进行了敞开式插板阀的建模、装配、运动仿真，对阀体尺寸和结构进行优化。通过Solidworks强大完善的功能对阀门进行运动仿真分析，缩短了产品的设计周期，减少了软件间的数据交换。整个阀门从建模、装配、运动仿真到优化设计在同一个软件中进行，减少了物理样机的制造、试验等过程，提高了工作效率，缩短了产品的设计周期。关键词： 插板阀；Solidworks；运动仿真ABSTRACTA valves is a mechanical device to shut off flow or control the rate of flowing into, or out of such enclosed conduits as piping and tubing.The This paper introduced the character structure and operating principle of open-type gate valve, which to design and check analog with the major part, with the platform of CADCAM/CAE integrated swith the result that the dimension and structure of valve body are optimized. The advantage of the powerful functions of Solidworks software is made to ody are optimized. Entity valve from modeling, assembling, motion simulation and optimality design will be processed in the same software. That shortens the process of manufacture and test for physical prototype, improves efficiency and reduces the product design period.Keywords： Open-wide Gate Valve; Solidworks; Mmotion and Simulation目 录1 绪 论11.1 介绍几种插板闸阀的结构特点11.1.1 联动组合式插板阀11.1.2 中心推杆式插板阀21.1.3 电动扇形插板阀21.1.4 封闭式插板阀31.2 Solidwork介绍42 敞开式插板阀设计72.1 敞开式插板阀结构介绍72.2 阀门主要零件材料82.2.1 阀体、阀盖和阀板（阀瓣）的材料82.2.2 密封面材料92.2.3 阀杆和阀杆螺母材料102.2.4 紧固件、填料及垫片材料112.3 敞开式插板阀设计参数及整体构思132.4 阀门通用部分计算式142.4.1 壁厚计算式142.4.2 密封圈比压计算162.4.3 阀杆强度计算172.4.4 阀杆稳定性验算202.4.5 闸板厚度计算212.4.6 阀杆与阀杆螺母中梯形螺纹强度计算222.4.7 阀体压盖强度验算232.4.8 支架强度计算243 传动装置设计273.1 电动机的选择273.1.1 电动装置的输出转矩与转速273.2 电动装置结构设计283.3 阀门操作转矩的确定303.3.1 插板阀操作转矩的计算303.3.2 计算过程的分析324 基于SolidWorks的敞开式插板阀设计334.1 插板阀结构设计334.1.1 创建阀体实体334.1.2 创建阀板实体344.1.3 创建阀杆实体354.1.4 创建阀杆螺母实体354.2 敞开式插板阀的装配设计364.2.1 创建电动装置装配图374.2.2 创建插板阀总装配体384.3 SolidworksCOSMOSMotion的运动仿真介绍404.3.1 运动仿真介绍404.3.2 机构的组成404.3.3 机构自由度的计算414.4 插板阀Solidworks运动仿真的具体步骤424.4.1 整体仿真过程的安排424.4.2 仿真设置43结 论48参考文献49附录 英文原文50致 谢61391 绪 论在各种类型的阀门中，闸阀是应用最广泛的一种。插板阀是闸阀中的一种,敞开式插板阀的阀板和阀杆是外露的，通过阀杆螺母的旋转运动传递给阀杆做直线行程运动带动阀板的启闭。敞开式插板阀可应用于大型管道启闭控制的装置。其驱动形式包括电动气动手动或者和驱动综合使用。其优点主要为重量轻,占用空间尺寸小,密封性好,操作维护方便、抗腐蚀、寿命长、阀板滑动灵活的特点。本设计主要基于Solidworks的模块设计和运动仿真。本文就是介绍一下如何应用Solidworks软件建立其三维实体模型和虚拟的机械系统装配模型，然后应用运动分析模块创建运动方案和运动环境对其进行运动仿真分析，对其结构设计和性能参数进行优化，从而不需要通过实物实验就可以进行产品的优化设计，降低产品开发费用、缩短开发周期。1.1 介绍几种插板闸阀的结构特点1.1.1 联动组合式插板阀该运行中的不同步及传动机构繁复等技术问题，可用来替代现有的插板阀 。其具体图片如下：图1.1 联动式插板阀1.1.2 中心推杆式插板阀该阀门适用于冶金、化工、市政系统的煤气管道，是一种理想的气体隔断设备。 特点：结构紧凑，机械传动效率高，体积小。与传统敞开式插板阀相比，顶开、压紧机构大大简化，彻底解决了传统插板阀多条丝杠运行中的不同步及传动机构繁复等技术问题，用来代替现有的插板阀。图 1.2 中心推杆式插板阀1.1.3 电动扇形插板阀阀门的使用范围：适用于冶金、矿山、化工、市政、电力等行业的煤气、空气管道，是一种理想的气体隔断设备。 阀门的特点 ：采用防爆电动装置，链式转动，并附有手动、运转灵活，密封胶圈在阀板上密封可靠，便于更换，同时可远距离遥控。 阀门实体照片如下图 1.3 电动扇形插板阀1.1.4 封闭式插板阀适用介质：煤气及有毒、有害、易燃气体 该阀适用于冶金、化工、市政系统的煤气管线，供管道可靠隔断之用。 图1.4 封闭式插板阀1.2 Solidwork介绍Solidwork以其强大业，可以方便的与其它cad软件进行数据交换，这就在某种程度上加快了设计的开发进程。并且它能保证图面的真实性和效果的正确性，缩短设计开发周期，有效支持模具加工与产品生产。1、用户界面SolidWorks软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，但SolidWorks公司还是努力地改进软件的用户界面，使得设计工作更加自动化。Solidworks去掉了一些多余的对话框，而以隐含的右键菜单所代替，最明显的是能够将特征管理器沿水平拆分。这使得进行某些特殊命令操作时，如检查装配关系，而不会迷失在特征树的位置。这对于大型装配体和复杂零件的操作也非常重要，因为零件复杂以后，特征管理树会很长，有时很难同时观察特征树的最上端和特征树的最下端。有了特征管理器的拆分功能，这一切都成为可能。2、大型装配用户不仅用SolidWorks软件来解决一般的零部件设计问题，越来越多的用户开始用SolidWorks软件处理系统级的大型装配设计，对大型装配体上载的速度也是要求越来越高。面对用户的需要，SolidWorks公司的研发部门设法从不同的角度对大型装配体的上载的速度进行了改进，包括分布式数据的处理和图形压缩技术的运用，使得大型装配体的性能提高了几十倍。在新版中，还增加了智能装配功能，能够在装配过程中自动捕捉装配关系，而无须用户另行指定。在装配过程中，还新增加了球面的配合关系和圆锥面的配合关系，这就使得将球插到孔里的操作变得更加容易。Solidworks是一个非常优秀的软件产品。SolidWorks公司在技术上的投入和技术的先进性不断保持SolidWorks软件在机械三维设计领域的领先地位。2 敞开式插板阀设计阀门作为管道系统中的一个重要组成部分，应保证安全可靠地执行管道系统对阀门提出的使用要求。本次设计的敞开式插板阀其基本参数如下：1、公称直径：1200mm2、电动插板式闸阀适用于高炉热风炉系统的烟道、冷风、助燃空气、燃烧及煤气等管道，可对烟气、煤气、空气进行有效地切断。 3、驱动方式：采用电机驱动。 4、电动敞开式插板阀压力： 0.25MPa 5、适用温度：25 6、阀体材质为铸钢 7、适用介质：含尘高炉煤气2.1 敞开式插板阀结构介绍敞开式插板阀为敞开式设计结构，具有重量轻，易维护（密封胶圈更换、电液动装置维护检查、更换、阀门的局部维护均在外部，不影响阀门正常运行），阀门的运动过程、开关状态直观性好，启闭后检查完成状态极为方便，具有封闭式不可替代的优越，缺点是启闭时有少量的煤气外漏。现今流行的控制方式包括手动、电动、液动、混合控制的控制方式，其中比较流行的方式为电动。2.2 阀门主要零件材料制造阀门零件材料很多，包括各种不同牌号的黑色金属和有色金属及其合金、各种非金属材料等。 制造阀门零件的材料要根据下列因素来选择： 工作介质的压力、温度和特性。该零件的受力情况以及在阀门结构中所起作用。 有较好的工艺性。 在满足以上条件情况下，要有较低的成本。2.2.1 阀体、阀盖和阀板（阀瓣）的材料阀体、阀盖和闸板（阀瓣）是阀门主要零件之一，直接承受介质压力，所用材料必须符合“阀门的压力与温度等级”的规定。常用材料有下面几种： 一、灰铸铁：灰铸铁适用于公称压力 PN1.0MPa，温度为10200的水、蒸汽、空气、煤气及油品等介质。灰铸KTH33008、KTH35010。 鉴于目前国内工艺水平，以及有关数据资料显示，建议 PN2.5MPa，阀门还是采用钢制阀门为安全。因此本设计的插板阀的阀体、阀盖用铬钼铸钢（ZGCr5Mo）材料。2.2.2 密封面材料阀门的密封面是指阀座与关闭件互相接触而进行关闭的部分它是阀门最关键的工作面。由于阀门在使用过程中密封面在进行密封中要受到冲刷和磨损，所以阀门的密封性能随使用时间而减低。因此，密封面质量的好坏关系到阀门的使用寿命，通常密封面材要考虑耐腐蚀，耐擦伤，耐冲蚀，抗氧化等因素。 通常分两大类： 软质材料 即软密封1、 橡胶（包括丁睛橡胶，氟橡胶等） 2、 塑料（聚四氟乙烯，尼龙等）在使用软密封面中，接触的两密封面可以单独，也可全部使用如塑料，橡胶这样的软质材料。由于这种材料性能，使接触面容易配合，故软质密封的阀门能达到极高程度的密封性。而且这种密封性可以重复达到。缺点是这种材料受到介质适应性及使用温度的限制。软质密封材料有时会受到异常升压的限制，压缩产生的热量足以使软质密封材料脱落。表24列出可能产生温度升高的范围，该表是开始处在大气压下15摄氏度的氧气受到突然压缩后试验确定的温度升值。表24 温度升高值压力突然升高值/MPa温度升值/压力突然升高值/MPa温度升值/2.53751573054902079010630 硬密封材料 即金属密封1、 铜合金（用于低压阀门） 2、 铬不锈钢（用于普通高中压阀门） 3、 司太立合金（用于高温高压阀门及强腐蚀阀门） 4、 镍基合金（用于腐蚀性介质）2.2.3 阀杆和阀杆螺母材料阀杆在阀门开启和关闭过程中，承受拉、压和扭转作用力，并与介质直接接触，同时和填料之间还有相对的摩擦运动，因此阀杆材料必须保证在规定温度下有足够的强度和冲击韧性，有一定的耐腐蚀性和抗擦伤性，以及良好的工艺性。 常用的阀杆材料有以下几种。 一、碳素钢 用于低压和介质温度不超过 300的水、蒸汽介质时，一般选用A5 普通碳素钢。 用于中压和介质温度不超过 450的水、蒸汽介质时，一般选用35 优质碳素钢。 二、合金钢 用于中压和高压，介质温度不超过450的水、蒸汽、石油等介质时，一般选用 40Cr（铬钢）。 用于高压、介质温度不超过 540的水、蒸汽等介质时，可选用38CrMoALA 渗氮钢。 用于高压、介质温度不超过 570的蒸汽介质时，一般选用25Cr2MoVA 铬钼钒钢。三、不锈耐酸钢 用于中压和高压、介质温度不超过450的非腐蚀性介质与弱腐蚀性介质，可选 用 1Cr13、2Cr13、3Cr13铬不锈钢。 用于腐蚀性介质时，可选用、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr18Ni12Mo3Ti 等不锈耐酸钢和 PH15-7Mo沉淀硬化钢。 四、耐热钢 用于介质温度不超过600的高温阀门时，可选用 4Cr10Si2Mo 马氏体型耐热钢和 4Cr14Ni14W2Mo 奥氏体型耐热钢。阀杆螺母在阀门开启和关闭过程中，直接承受阀杆轴向力，因此必须具备一定的强度。同时它与阀杆是螺纹传动，要求摩擦系数小，不生锈和避免咬死现象。 五、铜合金 铜合金的摩擦系数较小，不生锈，是目前普遍采用的材料之一。对于 Pg1.6Mpa的低压阀门可采用 ZHMn58-2-2 铸黄铜。对于 Pg16-6.4Mpa 的中压阀门可采用 ZQAL9-4 无锡青铜。对于高压阀门可采用 ZHAL66-6-3-2铸黄铜。 2.2.4 紧固件、填料及垫片材料一、紧固件材料 紧固件主要包括螺栓、双头螺栓和螺母。紧固件在阀门上直接承受压力，对防止介质外流起关重要作用，因此选用的材料必须保证在使用温度下有足够的强度与冲击韧性。选用合金钢材料时必须经过热处理。对紧回件有特殊耐腐蚀要求时，可选用Cr17Ni2、2Cr13、1Cr18Ni9 等不锈耐酸钢。 二、填料材料 在阀门上，填料是用来充填阀盖填料室的空间，以防止介质经由阀板和阀盖填料室空间泄漏。 填料可分为软质填料及硬质填料两种： 1、软质填料：系由植物质，即大麻、亚麻、棉、黄麻等，或由矿物质，即石棉纤维，或由石棉纤维内夹金属丝和外涂石墨粉等编织的线绳，也有压成的成型的填料，以及近年来新发展的柔性石墨填料材料。植物质填料较便宜，常用于 100以下的低压阀门；矿物质填料可用于450-500的阀门。 近年来使用橡胶O 型圈做填料的结构在逐步推广，但介质温度一般限制在60下。 高温高压阀门上的填料也有采用纯石棉加片状石墨粉压紧而成的。1）油浸石棉绳； 2）橡胶石棉绳；3）石墨石棉绳：石棉绳上涂有石墨粉，可用温度 450以上，压力可以达到 16Mpa ，一般适用于高压蒸汽上。近后来又逐步采用了压成人字型填料，单圈放置，密封性好。 4）聚四氟乙烯：这是一种目前使用较广的一种填料。特别适用腐蚀性介质上，但温度不得起过 200。三、垫片材料垫片是用来充填两个结合面（如阀体和阀盖之间的密封面）间所有凹凸不平处，以防止介质 从结合面间泄漏。 1、对垫片的要求 垫片材料在工作温度下具有一定的弹性和塑性以及足够的强度，以保证密封。同时要具有良好的耐腐蚀性。 2、垫片材料的种类和选择 金属垫片的材料一般用 08、10、20 优质碳素钢和1Cr13、1Cr18Ni9 不锈钢，加工精度和表面光洁度要求较高，适用于高温高压阀门。 非金属垫片材料一般塑性较好，用不大的压力就能达到密封。适用于低温低压阀门。 综合以上材料总结，根据本次设计的插板阀阀体的工作压力、工艺流体、温度等进行主要零件材料的选用见表25。表25插板阀门主要零件材料零件名称材料名称牌号标准号阀体、阀盖、支架铬钼铸钢ZGCr5MoGB/T8492-2002铬钼钒铸钢ZG20CrMoR、G15Cr1Mo1V铬钼钢1Cr5MoGB/T1221-1992阀杆NiCu合金NiCu布氏硬度250HB2.3 敞开式插板阀设计参数及整体构思本设计的敞开式插板阀主要参数如下：1：公称通径DN：1200mm ；2：公称压力：0.25Mpa； 3：适用温度： 250摄氏度；4：适用介质：含尘高炉煤气；5：驱动方式：电动。其中阀板为竖直升降线性运动确定了阀体为长方形截面结构，通过联接器将阀板与阀杆连接在一起，在阀门的启闭过程中阀杆与阀板是连与一体进行直线运动。电动机构通过传动装置将传动输至输出轴套上，阀杆螺母安装与输出轴套上，这样就能通过阀杆螺母的旋转运动传递给阀杆使阀杆做直线行程。本次设计的敞开式插板阀的结构如下图3.1所示。 1阀体 2阀板 3闸板 4密封圈 5填料函 6填料压套 7连接阀板的螺母 8连接器盖螺栓 2.4 阀门通用部分计算式2.4.1 壁厚计算式 本次设计的敞开式插板阀的阀杆属于矩形截面阀体，其阀体的壁厚计算式（图21和表21）图21 阀体截面表21 阀体壁厚计算序号名称符号式中符号公式或索引单位1最大合成应力（A点）MPa2最大合成应力 (B点)MPa3计算压力PPN设计给定，0.25MPaMPa注：， ，为合格。2.4.2 密封圈比压计算计算图形及参数见（图21和表22）图22 密封圈截面图表22 密封圈比压计算序号名称符号公式或索引单位1密封面上总作用力N2密封面处介质作用力N3密封面内径设计给定，取1200mmmm4密封面宽度设计给定,取100mmmm5计算压力pPN设计给定0.25MPaMPa 注： 为合格。由表计算式得：2.4.3 阀杆强度计算计算参数见（表23） 表23 阀杆强度计算序号名称符号公式单位1关闭时阀杆总轴向力N2开启时阀杆总轴向力N3阀杆最大轴向力取与中较大值N4系数K1=0.25 K2=0 K3=0.35 K4=05密封面处介质作用力N6密封面上密封力N6阀杆径向截面上作用力N注：因此：2.4.4 阀杆稳定性验算注：1、,不进行稳定性验算。2、,序号11即可。3、计算（从序号1219）。4、=0.56 时。5、值按实际细长比选取，而不是按。如2cr13, =60时213Mpa.2.4.5 闸板厚度计算表25 闸板厚度计算序号名称符号公式或索引单位1计算厚度mm2密封面平均直径(公称通径加密封面厚度)mm3计算压力PPN设计给定0.25MPaMPa注：1、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制定的，故不进行高温核算。 2.4.6 阀杆与阀杆螺母中梯形螺纹强度计算计算参数见（表26）表 26 梯形螺纹强度验算序号名称符号公式或索引单位1挤压应力MPa2阀杆最大轴向力由表33得N3计算螺纹圈数H/P-24计算高度H设计给定1600mmmm5螺矩P设计给定12mmmm6单牙螺纹受挤压面积查得17.727阀杆直径设计给定100mmmm注：2.4.7 阀体压盖强度验算阀体压盖局部截面简图和计算参数见（图27和表27）图 27 阀盖局部截面简图2.4.8 支架强度计算计算参数见（图 28和表 28）图 28 支架结构图表28 支架强度验算序号名称符号公式或索引单位1I-I断面弯曲应力MPa2关闭时阀杆总轴向力由表33序号1得N3框架两重心处距离mm4图示R设计给定取250mm5arccosb/Rmm6b设计给定取100mm7H设计给定取1000mm8III-III断面惯性矩I39图示a设计给定取80mm10D设计给定取350mm11dh设计给定取120设计给定取150mmmm注： 因此，3 传动装置设计3.1 电动机的选择目前用于电动装置的电动机绝大多数都是三相异步电动机。这主要式由于在不同结构形式的电动机中，三相异步电动机的构造简单、效率高、运行可靠和价格低廉。电动装置所使用的电动机是经过专门设计的阀门专用电动机。这主要是由于电动装置控制对象阀门本身的工作特性要求的。阀门的工作特点是：阀门只在开阀和关阀过程中的某一瞬间产生最大负荷。例如，截止阀与闸阀只是在开启和关闭的那一瞬间产生最大负荷，而在开阀和关阀过程中的其他时间内，负荷是较小的。阀门的操作次数相对而言是不频繁的，每次动作的时间也是不长的。为保证阀门密封和不损坏阀门密封面，阀杆的行程要控制得很严格。对于开阀和关阀的操作速度有一定的要求。为了使电动机能适应阀门对电动装置的要求，必须按下列特性设计阀门专用电动机。3.1.1 电动装置的输出转矩与转速输出转矩值是电动装置的重要技术参数之一，也是使用中需要选择的重要参数。如果选用的电动装置输出转矩过大或不足都是不可取的。因为一般情况下，电动装置生产厂在产品出厂时均有关转矩间的关系应按如下原则： 式中： 关于对电动装置输出转速的确定，在阀门对其启闭时间没有严格要求时，应尽量选用较慢的速度：式中 s阀门启闭时间（min）; N-电动装置输出轴转圈数（圈）； n-电动装置输出轴转速（r/min）。目前国内自行开发研制的电动装置，在每个机座号中设计配用的电动机规格数量不多（一般为23转矩和输出转速配比范围相当广泛，转速选择方便。（1）、电动装置的最大推力允许值阀门轴向力由电动装置承担（即阀杆螺母在电动装置中），其推力值不允许超过电动装置的允许值。（2）、阀杆螺母最大转圈数在选用阀门电动装置时必须说明阀门工作时阀杆螺母的最大转圈数，这样可以正确选配电动装置中位置指示机构的有关齿轮速比、以使位置指示有足够的精度满足阀门工作过程中对阀门开、关程度的观察，否则易造成错觉，影响正常工作。式中 N- 阀杆螺母的最大转圈数； DN-阀门实际通径（mm）; T阀杆螺纹的螺矩； Z-阀杆螺纹的头数。3.2 电动装置结构设计电动阀门是由阀门电动装置和阀门共同组成的统一体，它既是管道部件阀门，又是自动化部件电动装置。电动阀门使用电动机作为原动机，电动机通过主传动机构减速后带动阀门的启闭件。最常见的主传动机构的结构形式是正齿轮传动和蜗轮传动的结合。主传动机构输出的转矩通过梯形螺纹转换为推力，去带动阀杆作直线运动的阀门启闭件。通常转矩推力转换用的阀杆螺母都设置在阀杆上作为阀门的一个部件。这时电动装置输出转矩去带动阀杆螺母。但是有时也把梯形螺纹（阀杆螺母）设在电动装置内，使电动装置直接输出推力。本文设计的阀门电动装置机构如图31所示在主传动机构内设有转矩限制机构，行程控制机构和阀位测量机构。转矩限制机构可以用来限制电动装置的输出转矩。当主传动机构输出的转矩达到转矩限制机构的整定值时，转矩限制机构推动转矩开关，发出信号给控制电路去切断电动机的电源。行程控制机构出信号供给其他自动化装置使用，阀位测量机构能以模拟量的形式提供阀门的位置信号，供给运行人员远方监视阀门行程，或者供给其他自动化装置用。为了在必要时可以手动操作电动阀门，在主传动机构内还装有手动电动切换机构和手轮。人工把切换机构切到手动侧就可以使用手轮操作电动阀门，在电动时，电动机一旋转，切换机构就会自动切换电动侧，由电动机操作（称为半自动切换机构）。有的电动阀门，手动电动切换机构是全手动的，即电动时也需要依靠人工把切换机构切到电动侧。在操作转矩小的电动阀门上，手轮通过切换机构可直接与输出轴连接。在操作转矩大的电动阀门上，手轮通过减速后与输出轴连接，使手动操作时具有一定的减速比。电动阀门的控制电路，可以按照运行人员从控制盘送来的命令或者自动化系统送来的命令启动电动机去操作阀门。当阀门的转矩或行程达到事先整定值时，控制电路可以根据转矩限制机构和行程控制机构送来的信号切断电动机的电源，控制电路还具有保护功能，当电动机过载或发生其他故障时能自动切断电源并发出报警信号。3.3 阀门操作转矩的确定为了给阀门配用合适的电动装置以组成性能良好的电动阀门。首先必须准确地掌握阀门的最大操作转矩。使电动装置所能提供的输出转矩超过阀门的最大操作转矩，才能保证电动阀门的可靠工作，确定阀门最大操作转矩可以采用计算和实测两种方法，但是这两种此很难取得典型数字。所以从目前情况来看，可以采用计算或实测的方法取得近似的阀门最大操作转矩值，在配用电动装置时留有适当的裕度，以保证电动阀门可靠工作。3.3.1 插板阀操作转矩的计算计算阀门操作转矩时，可以按下列顺序进行。计算介质压力在阀板上的作用力这个作用力是和阀板密封面垂直的。这个力的值按下式计算： 式中： 阀座密封面内径 bM 阀座密封面宽度 Pg 阀门公称压力计算介质密封力QMF,即阀板关闭后为了保证密封面不泄漏所需向密封面施加的力，这个力是和阀板密封面垂直的。计算公式如下：式中 _ 密封比压（N/cm2）。本次设计的阀门用聚氟乙烯胶板材料。密封比压与密封面的材料有关；对于铸铁,青铜和黄铜 ；对于钢和硬质合金；对于铝合金，聚乙烯和聚氟乙烯胶板对于中硬橡胶 计算介质压力作用在阀杆截面积上的推力Qp。计算阀杆螺母的摩擦半径(mm)。摩擦半径是阀杆螺母在螺旋传动中阀杆轴向力和螺母转矩的转换系数（阀杆螺母的转矩等于阀杆轴向力与摩擦半径的乘积），它的大小和阀杆螺纹的规格，螺纹的摩擦系数有关，当阀杆螺母的旋转方向不同时，由于力的方向改变，阀杆螺母的摩擦半径也跟着改变。开阀和关阀时，阀杆梯形螺纹的摩擦半径可分别按下列各式计算：开阀时： 式中： 开阀时密封面间的摩擦系数，0.35 推力轴承摩擦系数，一般在0.0050.01范围内。 推力轴承的平均直径 3.3.2 计算过程的分析 从上面所列举的计算结果可以看出，摩擦力在阀门的操作推力和操作转矩的计算过程中占有很重要的地位。只有正确地选择摩擦系数，才能正确地计算出阀门的操作推力和操作转矩。但是摩擦是一个非常复杂的物理现象，对于一对相互作用的物体之间的摩擦情况，是不能简单地用一个与外界条件无关地不变系数来表示的。摩擦系数就是一个与外界因素有密切关系的变量。润滑条件好的摩擦系数小，不同材料之间摩擦系数不同，在阀门中所表现出来的摩擦力则是随着材料的不同，加工精度的不同，装配情况的不同，使用条件的不同和润滑条件的不同而改变的。4 基于SolidWorks的敞开式插板阀设计4.1 插板阀结构设计4.1.1 创建阀体实体1.创建文件新建文件，选择类型为零件，子类型实体，输入名字阀体，单击确定。如图4-11。图4-11 创建文件界面2.创建阀体的草图并生成实体利用草图绘制菜单，进行零件的草图绘制。应用圆，3点圆孤、中心线、圆用阵列、和智能尺寸等命令绘制草图。草图绘制完成后，选择【特征】，然后利用拉伸、切除、圆角、镜像等特征命令完成如图所示阀体实体图4-12和支架图4-13。图4-12阀体实体图图 4-13 支架实体图4.1.2 创建阀板实体如4.1.1创建过程所示的操作步骤，对阀板进行草图绘制后，选择【特征】【拉伸】生成实体后生成阀板如图4-14所示。图4-14 阀板实体图4.1.3 创建阀杆实体利用草图绘制后选择【特征】【旋转凸台/基体】选定旋转轴生成阀杆实体轮廓，建立螺旋线通过扫描特征完成阀杆螺纹生成如图4-15所示。图4-15 阀杆实体图4.1.4 创建阀杆螺母实体图416阀杆螺母实体图由于敞开式插板阀的零件较多，以上只介绍了插板阀主要零件的实体绘制过程，其他零件的绘制过程就不再一一介绍，总之利用SOLIDWORKS强大的三维设计功能便能顺利完成插板阀的结构设计。 4.2 敞开式插板阀的装配设计 装配是将不同的零件组合成大型器件的过程。装配的概念在工程中非常重要。Solidworks 能够模拟实际工作环境，将零件进行装配合成。将一个零部件放入装配体中时，这个零部件文件会与装配体文件产生链接的关系。同时对零部件文件进行的任何修改都会更新装配体文件。将零件导入装配体环境，并将其安装到正确的位置就是零件装配，是装配操作的基础内容。装配体描述的是零件之间的约束配合关系，设计装配体需要考虑其工程意义，即需要将各个零件按照一定的规则进行相互配合。单击装配体工具栏上的【配合】按钮，选择需要配合的点、线或面，可以使零部件和装配体之间建立联系。零件和约束是装配体的两个基本要素，而有时随着设计意图的调整或者设计方案的改进，零件或配合两个因素可能发生改变，因此需要调整零件或配合的关系。下面就电动装置和插板阀进行装配的介绍。 4.2.1 创建电动装置装配图由于电动装置零件较多在此就不一一例举零件的绘制，通过装配过程呈现电动装置的零件组成。1创建装配体文件单击【文件】【新建】单击【装配体】如图4-21所示，命名为电动装置总成，单击确定图4-21 创建菜单2.插入要装配的文件单击【插入零部件】，选中电动装置下盖，再次单击【插入零部件】选择电动装置下盖后单击【固定】后，同时插入指定的零件，单击【配合】选择要配合的特征，得到装配体如图422所示。 图4-22 电动装置装配图4.2.2 创建插板阀总装配体插板阀的总装配是将各子装配及各零件进行总体的装配过程。其总装配图如图423所示。由于插板阀零件较多，装配过程中的装配关系也较复杂，步骤繁琐，图中列出了一部分的的装配关系。 图423 插板阀的总装配为了更清楚地表现各个零部件间的装配关系，还可以生成插板阀装配体的爆炸视图(如图424)，由于部件较多，生成的爆炸图比较零乱 。图 424 插板阀爆炸图4.3 SolidworksCOSMOSMotion的运动仿真介绍4.3.1 运动仿真介绍近年来,随着计算机的广泛应用,我国在仿真系统的建模与开发方面迅速发展起来, 并取得了很大的成就。在机械工程领域, 建模与仿真技术的应用已扩展到产品的全生命周期:方案论证、设计制造、试验、使用和维护训练。从而在制造企业产品设计和制造过程中运动仿真是Solidworks/CAE模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过Solidworks/CAD的功能建立一个三维实体模型，利用Solidworks/COSMOSMotion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型 。 Solidworks/COSMOSMotion的功能可以将装配约束自动转化为仿真模型的约束，添加必要的驱动力、工作阻力以及COSMOSMotion特有的其他约束，建立仿真模型，就可以模拟机械运行状况，对机器进行运动和动力分析。仿真结果可以用动画、图形、数据等多种形式输出，为创新设计、缩短产品设计周期、节约产品成本，提供了一种切实有效的方法。 4.3.2 机构的组成(1).构件 任何机器都是由许多零部件组合而成的。这些零件中，有的是作为一个独立的运动单元体而运种由两个构件组成的可动连接称为运动副，把两个构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素 。 (3). 自由度和约束 设有任意两构件，它们在没有构成运动副之前，两者之间有6个相对自由度（在直角坐标系中三个移动和三个转动自由度）。4.3.3 机构自由度的计算在机构创建过程中，每个自由构件将引入6个自由度，同时运动副又给机构运动带来约束，常用运动副引入的约束数目如表4.1所示。 机构总自由度数目可用以下计算公式进行计算： 机构自由度总数=活动构件数6-约束总数-原动件独立输入运动数 4.4 插板阀Solidworks运动仿真的具体步骤首先打开Solidworks中的插件功能对话框，勾选COSMOSMotion 2007活动插件并启动确定。如图441所示。图4-41 插件功能对话框4.4.1 整体仿真过程的安排本阀的仿真过程主要包含以下两个方面： 第一步 电动装置中各机构的运动第二步 阀板的开启与关闭在设计树上选择运动分析图标，用右键将阀体设置为【静止零部件】，其余设置为【运动零部件】，如图442所示。图4424.4.2 仿真设置 1. 添加驱动 图443 图4442三维碰撞接触状态模拟 电机齿轮1带动从动齿轮2转动，齿轮2又带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，实际情况是刚体之间的碰撞产生的。下面就对这种状态进行模拟。 图445 图446从模拟结果可以看出，初始状态如图447所示，从运行过程可以分析出各传动件的啮合状态，有无干涉或脱离啮合现象。图4-47 由以上步骤便可完成本阀门第一步（电动执行机构中的构件运动仿真）。接着进行第二步（阀板的开启与关闭运动过程仿真）。3. 添加转动移动耦合单击【约束】前面的号，将蜗轮和阀杆之间添加旋转副（实际上就是阀杆螺母与阀杆之间建立旋转副 Revolue，因为蜗轮与阀杆螺母是配合一体的）。在阀杆和阀板之间添加移动副Translational，然后在旋转副和移动副之间添加一个耦合，使得阀杆螺母的转动与阀杆阀板的移动按照一定的关系运动，如图449和图450所示。图中阀杆的移动副的移动距离为1200mm（实际就是阀门的公称通径），应注意在装配中阀板应与阀体底部配合好，否则运行时将超过运动范围而报错。 图 449 图4504.设置转动函数在蜗轮与阀杆之间添加的旋转副Revolute与阀杆和阀板之间添加移动副Translational中，设置运动关系如图451所示。图451图中函数：STEPTIME,0,0,5,1200+STEPTIME,1,0,2,-1200。表示在仿真过程中，05S，阀杆与阀板移动1200mm即阀门处于开启状态；56S,保持静止；611S,反向移动1200mm即阀门处于关闭状态。5. 仿真模拟仿真帧的数目设置为50 ，如图452所示，勾选仿真时生成动画，点击仿真。仿真运算结束后自动弹出图453对话框，设置对话框中参数点击下一步，跳出图454对话框进行零件间的干涉检查。查看模拟结果可在COSMOSMotion工具栏中单击播放按钮或查看输出的动画。 图452 图453图454结 论本文探索了一种敞开式插板阀的设计和分析方法，以Solidworks软件为设计平台，进行插板阀的建模、装配、关键部分的运动仿真，对阀体尺寸和结构进行优化，加快了开发周期，节约了高额开发费用，降低了研发成本。在具体的研究中，利用Solidworks软件的强大功能，保证了设计和分析计算机模型的一致性，减少了误差的积累，并使设计和分析做到了并行进行。由此，将Solidworks广泛用于产品开发设计全流程，具有多方面的推动和助益作用，保证图面的真实性和效果的正确性，缩短设计开发周期。 有效支持后期加工与产品生产。随着科学技术不断发展，Solidworks将在计算机辅助设计中发挥着越来越重要的作用。 在此设计过程中逐渐接触到了Solidworks这个软件，它的人性化是使我感触很深，体会到了现代设计软件的优异性。 此次设计相对来说参考资料比较少，但是在刘玉山指导老师和同时求学的同学的大力帮助下，得以顺利完成本次毕业设计。本设计肯定有需要加以改进的地方，在此希望老师们能提出宝贵的意见。 参考文献1 饶纪杭. 阀门电动装置. 电力工业出版社. 1982.032 陆陪文. 实用阀门设计手册. 机械工业出版社. 2004. 053 邵彭年. 实用阀门与管件手册. 上海科学技术出版社. 2005.104 宋虎堂. 阀门选用手册. 化学工业出版社. 2007.065 陆培文 孙晓霞. 阀门选用手册. 机械工业出版社. 2005.016 骆江锋 王锦. SolidWorks2006基础教程. 人民邮电出版社. 2007.02.7 江洪 陆利锋. SolidWorks工程制图与管路实例解析. 机械工业出版社. 2007.088 刘国林.阀门选用手册.北京.机械工业出版社，2003.01附录 英文原文BONNETS AND STEM SEALINGThe major path for leakage to the outside is along the moving stem of avalve, but the stationary seal of the customary bonent also can be a path for escape of fluid. The bonnet often must be larg bonnet is adequate. The gasket necessary to seal against leakage leakage through the very narrow helical path along on pressure. Flexible metal-and-asbestos and metal profile-ring type are two choices.Welding the bonnet ernal pressure wedge two sloping surfaces together. The outward thrust must be resisted fairly uniformly, with as little twine condition, however, is impossible for even the pressure seal. If a gate valve can seal on both faces of the disc, then liquid trapped in the bonnet can expand upon slight heating and place excessive load on seal or stem packing. Bonnet overpressurization, which can also occur in some ball valves, many need such remedies as drilling through the upstream disc half or connecting the bonnet interior back into the line via a relief valve.The bonnet usually aslo transfers actuation reactions into the vale body and piping. The actuator thrust or torque.STEM PASSAGEEvery externally actuated valve requires a passage for a moving stem or spindle. The sealing of tne stem clearance against fluid escape is a troublesome problem. For example, the blade of a knife gate has a long perimeter, with corners. Long sliding motion(Os & Y gates) or helical motion(globes)is harder on a stem-seal system than is the simple quarter turn of a small ball valve. Dirt or stem deposits of rust or solids can cut packing in the conventional box.The packing material itself is important.Rings of conventional packing for globe and gate valves can be asbestos, TFE, wire-reinforced asbestos, or graphite foil. Long contact of wet packing with stems can lead to corrosion, so sacrificaial zinc is put in some packings.More nearly hermetic stem seals are the metal-diaphragm variety, for small globe or Y valves with short lift, and the metal bellows for higher lifts.No matter what the type of design, there is at least one welded or gasketed stationary seal that can become a leak path, either directly past the diaphragm edge, through the bellows, or around the mount of either. The design and welding must be of highest grade if the diaphragm or bellows is to last the expected thousands of strokes.Internal leakage in vales can occur around close-fiting inserted components, such as seat rings, or through the more common path of seat/disc interface. In most cases of internal leakage, the full pressure drop from upstream to downstream occurs at some time across the narrow orifice at the leak.Depending on the fluidness and irregularity of leak-passage walls.The valve seat and disc combination are exposed to all these effects not only when there are leakage conditions, but also when the disc is very close to the seat. At that time, the fluid passage, although much wider than for a leak in a fully closed valve, is fluid passage, although much wider than for a leak in a fully closed valve, is nevertheless often very unfavorably arranged from the standpoint of impingement and effects such as cavitation.High-velocity fluid moving through a narrow opening may also set uo a fluttering which can exploit trim resiliency aed in todays central stations.Conditions in the closed valve are different for each type. With the metal disc and seat, the exact picture of conditions during a manor leak is not entirely clear. It is known that excessively fine finish of the surfaces has a bad effect on leaktightness.Removal of particles of metal from seat or disc, as a result of inevitable sliding during closing and opening, worsens original leak conditions in metal-to-metal seats, enlarging leak passages and prevent this effect, which differs from corrosion and galling.Trapping of hard particles between metal seat and disc can not only hold a leak path open but can also break awan the pressure applied to metal seats, and a suitable elastomer will recover fully upon opening. “Drop-tight” sealing has come to mean an elastomer/mr neck connecting disc halves can flex to let the disc halves accommodate to change or tolerances in taper between seats. Beside this, the domed shape of each disc half makes the perimeter region flexible enough to follow out-of-plane seat distortion.Separate metal seat rings are common. The composition can differ from body material, and replacement of worn or damaged seating surface is possible. The mounting of metal seat rings in the valve body is worth close attention. Screwed-in seat rings are one solution. Close tolerances are necessary but are difficult to hold in large sizes. Often the design requires the seat ring to butt tightly against a body surface for sealing but machining or thread-cutting errors cause a g ring itself can be hardfaced and even revesible. As with all hardfacing for metal-to-metal contact, the quality of deposit and the bond to the substrate are critical .Excessive local or general pr
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