PN40DN300双缸气动弹性单闸板闸阀设计

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。

AbstractThevalveinthevarioussectorsofthenationaleconomyhasbeenwidelyused.Valveinstalledinthevariouskindsofpipingsystemisusedtocontrolthefluidpressure,flowanddirectionofflow.Duetothefluidpressure,flowrate,temperatureanddifferentphysicalandchemicalproperties,ofthefluidsystemcontroldemandsanduseisalsodifferent,sothevalvetypesandvarietiesofspecifications.Thispaperemphaticallyintroducesthegate,thegateofavarietyofimportantcomponentsforcalculation,theoreticalcalculationiseligibletouseinordertoachieve.Incomputing,instrictaccordancewiththereferenceandthestepsofthemanual,andshallensurethatthedesignproductmaterialislow.Keywords：Valve,SlideValve,Account.

目录摘要 1Abstract 2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AutoCAD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（gatevalve）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2°52'。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1/2－1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。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17-4PH[7]。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(0.4～0.6)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P≥2.5MPa，介质温度T≤200℃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/T12226-2005《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/T12221-2005《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GB9113.4-88，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P36~37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4~5mm；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JB5211-2008-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=300±1.0，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；σL—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=108mm3.7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=357L1=355l=337l1=335b=14±0.5b1=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[σL]=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。Ⅰ-Ⅰ断面弯曲应力（3.7）式中：所以由《阀门设计手册》P264查得IG25的[σW]=99.96MPa所以σW1<[σW]Ⅱ-Ⅱ断面弯曲应力（3.8）式中：所以由《阀门设计手册》P264查得IG25的[σW]=99.96MPa所以σW1<[σW]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b’M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b’M较bM大，一般取=0.5~1.0，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=2×1×sin5，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=2×1sin5，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+2×18=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=16h=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+6×6+6+(2~5)=53mm（5.2）其中h1—单圈填料与阀杆接触的高度；Z1—填料圈数；f—填料与阀杆的摩擦系数，约为0.05~0.1，取f=0.1计算得。所以，5.1.2开启时楔式闸板作用于阀杆的力由《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：（5.3）式中：K3、K4—由《实用阀门设计手册》P681表3-31查得K3=0.41、K4=0.62—同关闭时。所以5.2阀杆的直径估算由《阀门设计》P197公式10-26的直径估算公式（5.4）式中：Q—阀杆的最大轴向力，即[σY]—阀杆材料的许用应力，查《阀门设计》P185表9-8得到，2Cr13的[σY]=245MPa。所以但又由《实用阀门设计手册》P1456表9-40查得阀杆的最小直径为40mm，所以最终确定阀杆直径dF=40mm。5.3阀杆的强度校核5.3.1阀杆的总扭矩阀杆的轴向力通常是由驱动装置的扭矩产生的，因此计算阀杆的扭转矩对阀杆的强度计算，螺母与阀杆的螺纹之间的摩擦力矩的计算都是不可缺少的。由于阀杆的轴向力通过螺母凸肩作用在支架上，此处设有推力轴承，所以轴承与支架产生的摩擦力矩并不作用在阀杆上。明杆闸阀的阀杆为开降杆，即在启闭过程中只做直线运动，所以填料没有阻力矩，阀杆的受力分布如下图：图5-1阀杆的受力分布因为开启时阀杆的轴向力最大，也就是说开启时阀杆的总扭矩也最大，所以下面计算只算开启时的总扭矩。由《实用阀门设计手册》P1027与P1028查得阀杆受力图及强度验算公式，对于装有推力球轴承的明杆闸阀阀杆的总扭矩为：（5.5）式中RFM—螺纹的摩擦半径，由《实用阀门设计手册》P665查得所以开启时阀杆的总扭矩为5.3.2阀杆的强度计算阀杆开启时阀杆的强度计算开启时阀杆的受载情况如上图所示上阀杆的危险截面为螺纹退刀槽出，因此此处的横截面最小，因该校核此处拉应力、扭转应力和合成应力。a.拉应力(MPa)为（5.6）式中：Fs—阀杆最小截面积(mm2)；按有退刀槽处的FT计算，由《实用阀门设计手册》P667查得为624mm2；[σL]—阀杆材料的许用拉应力(MPa)，由《实用阀门设计手册》P607查得为240MPa。b.扭转应力(MPa)为240MPa；（5.7）式中：Ws—阀杆最小抗扭截面系数(mm3)，有螺纹退刀槽则为退槽处的抗扭界面系数WT，4500mm3，由《实用阀门设计手册》P667查得；[τN]—阀杆材料的许用扭转应力(MPa)，由《实用阀门设计手册》P607查得为145MPa。c．合成应力(MPa)为（5.8）式中：[σΣ]—阀杆材料的许用合成应力(MPa)，由《实用阀门设计手册》P607查得为230MPa。综上，阀杆的强度是合格的。下阀杆的强度校核和尚阀杆相同，且下阀杆的最小截面大小和上阀杆最小截面大小差不多，但是下阀杆没有气缸的摩擦力，因此下阀杆的校核可以省去，且我们认为它是和上阀杆一样强度是合格的。5.4阀杆的稳定性校核5.4.1影响因素稳定性是指受压杆件发生横向的弯曲破坏，影响阀杆的稳定性的主要因素有：a.材料的机械性能特别是其抗弯曲性能是影响稳定性的重要因素，具体体现在弹性模数E的值；b.杆件截面积及界面形状阀杆截面积越大，截面形状越有利于抗弯，则其稳定性越好，综合界面积与形状的影响，反映在计算中的位界面的惯性矩，而结合材料性能，即为杆件的抗弯强度；c.杆件的长度杆件的长度越大，其受压的稳定性越差；d.杆件的外界约束条件主要是杆件两端的固定方式和中间支撑状况，两端的自由度越大，则稳定性越差，在计算中反映为长度折算系数。5.4.2上阀杆的稳定性校核手动关闭式阀杆与开合螺母连接，可以认为是固定连接，下端部与T型槽连接属球星连接，属于有自由度连接，长度系数μλ取0.699。阀杆的细长比(即柔度)按下式计算：λ=4μλ⋅l式中：dF—阀杆直径为40mm；lF—阀杆计算长度，对于升降杆是从上端阀杆螺母螺纹全高中点至阀杆下端面的距离，lF=940mmμλ—长度系数，与支撑形式有关，这里取为0.699。所以，λ=65.7。由《阀门设计》P154查得常温时阀杆中细长比的下界λ1=40，λ2=78.2，所以有即（5.10）所以上阀杆满足稳定性条件。式中：σY—阀杆的压应力；[σY]W1—中细长比压杆的稳定性许用应力；a、b—依赖于材料性质的系数，由《阀门设计》P154查得a=6442,b=23.6；nW—稳定安全系数，取2.5。5.4.3下阀杆的稳定性校核下阀杆是一端活塞通过螺母固定，属固定端，端部与T型槽以铰链连接，同上阀杆，阀杆的细长比(即柔度)按下式计算：(5.11)式中：lF—阀杆计算长度，对于升降杆是从上端阀杆螺母螺纹全高中点至阀杆下端面的距离，lF=814.3mm；μλ—长度系数，与支撑形式有关，对于具有中间支撑，查《阀门设计》P153得μλ=0.410。所以，由上已知λ1=40，即λ<λ1，所以下阀杆为低细长比压杆，不需要进行稳定性验算。5.5阀杆主要尺寸的确定5.5.1下阀杆端部结构尺寸由《实用阀门设计手册》P1297查得下阀杆端部结构与尺寸如下：图5-2阀杆端部结构D=200d0=46SR=200h=19h1=30H=62b=28B=455.5.2下阀杆头部结构尺寸下阀杆头部结构较复杂，有螺双连接和键的连接，还有密封圈沟槽和退刀槽，具体尺寸确定如下：设计时务必考虑键的安装，一定要保证能装进去螺栓为M36，密封圈内径26。5.5.3上阀杆的结构尺寸上阀杆的T型槽螺纹处部分为Tr38×5-7H，下端的尺寸和下阀杆端部尺寸相同。

第六章阀盖及填料装置的设计与计算6.1阀盖的设计与计算闸阀的阀盖一般设计成带开口的阀盖，为了设计填料函，保证中腔的密封，阀盖的椭圆形中部即为开孔处安装上密封座。对阀盖进行强度计算时，通常应检验Ⅰ-Ⅰ断面的拉应力和Ⅱ-Ⅱ断面的剪应力，开孔阀盖的结构如图所示：图6-1开孔阀盖由《实用阀门设计手册》P1066表5-130得开孔阀盖的强度验算如下：a.Ⅰ-Ⅰ断面的拉应力：(6.1)式中：DN—压紧面的内径，为380mm；[σL]—IG25的许用拉应力，为240.36MPa；所以所以，Ⅰ-Ⅰ断面拉应力满足强度要求。b.Ⅱ-Ⅱ断面剪应力：(6.2)式中：dr—填料函外径为，内径D+2SB=90mm；[τ]—IG25的许用剪应力，为49.98MPa；所以所以，Ⅱ-Ⅱ断面剪应力满足强度要求。综上，阀盖的设计满足强度要求。6.2填料压盖的设计与计算6.2.1填料选择及填料函尺寸的确定填料箱孔的直径与阀杆直径和填料宽度有关，而填料宽度bT(mm)，通常在(1~1.6)的范围内选取，结构尺寸参照《实用阀门设计手册》。a.填料和填料垫在本次设计中选择聚四氟乙烯为填料，这主要从经济和摩擦力两方面考虑。填料的结构尺寸按形式如下图所示，尺寸按JB/T17122008中表4规定。图6-2上填料图6-3中填料填料垫结构形式如图所示，尺寸按JB/T17122008中表5规定。图6-4-3填料垫填料函尺寸的确定由《实用阀门设计手册》P1294查得填料函部分尺寸，如图下：图6-5填料函部分尺寸其中D=58d0=16C=1.5A=120r=16B=44b=22Z≥76.2.2填料压盖的设计与强度校核a.填料压盖填料压盖也不完全是标准件，它也是一方面参照《实用阀门设计手册》中的尺寸，一方面考虑实际确定的，填料压盖的结构形式和尺寸如下：图6-6填料压盖填料压盖的材料选为2Cr13。b.填料压盖的强度校核根据《实用阀门设计手册》P1062和P1063可知填料压盖的强度校核应对Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ断面进行弯曲应力校核。Ⅰ-Ⅰ断面的弯曲应力为(6.3)式中：M1—Ⅰ-Ⅰ断面的弯曲力矩，按下式计算：，为力；FyT为压紧填料的总力，按下式计算：；d为填料压盖的内径，D为填料压盖与填料箱孔配合直径；qT为压紧填料所必须施加于填料上部的比压，qT=ψp，ψ为聚四氟乙烯的最大轴向比压系数3.8；综上计算得M1=213.533KN·mm；W1—Ⅰ-Ⅰ断面的断面系数，按下式计算：b1为Ⅰ-Ⅰ断面的宽度，h1为Ⅰ-Ⅰ断面的高度；[σW1]—压盖材料的许用弯曲应力，为99.96MPa。所以，即Ⅰ-Ⅰ断面校核合格。Ⅱ-Ⅱ断面的弯曲应力为（6.4）式中，MⅡ—Ⅱ-Ⅱ断面弯曲力矩，即，Ⅱ-Ⅱ断面校验合格。故，填料压盖的设计满足强度要求。6.2.3活节螺栓的设计与强度校核活节螺栓主要作用是连接填料压盖与阀盖，材料为35钢，活节螺栓的尺寸由GB798-88所规定，其尺寸如下：d=M16，d1=12，S=18，b=38，D=28，r=10，X=5，l=60活节螺栓所受拉应力为：(6.5)其中，[σL]—为35号钢拉应力，由《实用阀门设计手册》P615查得。所以，螺栓的强度校核合格。6.2.4销的选择与校核销是活节螺栓与填料函的连接部件，材料选为35钢，结构尺寸由《机械课程设计手册》P54查得如下：采用圆柱销B型，d=10，l=44销的校核：销所受到的剪应力为：(6.6)[τ]为35钢的许用剪应力，由《实用阀门设计手册》P607查得为120MPa；所以，销的校核合格。阀盖及填料部分的设计计算已经结束，由于阀盖法兰的部分尺寸与阀体上法兰的尺寸相同，当阀体的中法兰强度合格时，阀盖部分的就不在进行法兰的校核了。6.3上密封座尺寸采用镶座式上密封面的结构形式，其结构尺寸按《实用阀门设计手册》P1277表7-3图7-3设计。图6-7上密封座结构第七章气缸的设计与计算7.1气缸的直径粗估算与选取在进行活塞传动装置力的计算时，首先近似地确定气缸直径d，d的确定可根据启闭阀门所需的阀杆最大轴向力和气源工作压力P，如下：(7.1)式中：d—活塞杆的直径为38mm；P—气源动力，取0.7MPa；故(7.2)又因为气缸中O型密封圈室标准件，所以要考虑密封圈尺寸以保证密封，则密封圈的安装外径和气缸的内径相同。根据《O型密封圈》相关规定，初步确定气缸内径为460mm。但是由于气缸所提供的压力显然比我们所需要的压力大很多，就必须对密封面的强度进行校核。7.2气缸的校核(1)无介质时：实际产生的轴向力(7.3)其中：Q—气源作用在活塞上的力无介质时，介质静压力QMJ=0即（7.4）所以可见。故，无介质时，密封面比压满足要求。(2)有介质时：实际产生的轴向力同无介质时，因为有介质作用，则（7.5）所以，可见。故，有介质时，密封面比压也满足要求。综合上述，有无介质两种情况，气缸的校验合格。

第八章其他主要零件的设计与校核8.1滚动轴承的选取为了减小操作力矩，一般应在阀杆轴向力超过40KN的情况下，在阀杆螺母上装有单向推力球轴承。单向推力球轴承必须根据轴承的工作能力系数来选择。（8.1）式中：n—阀杆转速，当手动时可取n=25r/min；h—轴承寿命，对于阀门可取125h；KR—轴承负荷性质对轴承寿命的影响系数，对于阀门可按轻微冲击力，即短时间超载125%，考虑去1.1；KW—轴承工作温度对轴承寿命的影响系数，对于本设计阀门工作温度为常温，可取1。8.2阀杆螺母的校核阀杆及阀杆螺母通常采用单头标准梯形螺纹，这里阀杆螺母也作为开合螺母，是用来实现手动和气动切换的。工作时阀杆螺母受阀杆轴向力，其强度校核按下面几个方面进行：考虑到开合螺母要求强度高，减磨性要好，选择材料为铝黄铜。由于阀杆启闭过程中，螺纹两面都工作，所以T型螺纹形式采用单头标准梯形螺纹。由于通常阀杆材料的强度大于螺母材料，所以只对阀杆螺母的螺纹进行校核螺纹表面的挤压应力（8.2）式中：QFZ—阀杆总轴向力；n—计算螺纹圈数，Fy—单牙螺纹受挤压面积；由《实用阀门设计手册》P668查得Fy=3.11cm2，Fy=3.71cm2，W=0.251cm2；查得铝黄铜的[σZY]=35MPa，[σW]=135MPa，[τ]=80MPa所以故螺纹表面的挤压应力满足强度要求。a.螺纹表面的剪应力（8.3）故螺纹表面的剪应力满足强度要求。b.螺纹表面的弯曲应力（8.4）式中：XL—力臂，取1.5mm；故螺纹表面的弯曲应力满足强度要求。综上所述，螺纹的强度满足设计要求。8.3上活塞与T型槽接头连接螺栓的校核这个部位螺栓主要承受手动开启的最大轴向力，对此螺栓应校核抗拉强度。（8.5）螺杆的材料选为35钢，则[σL]为140MPa，则σL<[σL]。所以，长螺杆的强度校核满