完整版毕业设计说明书修订后韩会永1157.docx

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完整版毕业设计说明书修订后韩会永1157

直通式截止阀的设计

摘要：

直通式截止阀是通用机械的重要分支，其产品做为流体控制的关键设备广泛应用于石油、化工、冶金、电力、城建、环保等行业。

本次设计的主要工作包括：

确定直通式截止阀的结构形式、主体结构尺寸，并确定主要零、部件的结构尺寸。

首先，进行阀体壁厚的计算，主要进行了阀杆、阀瓣、中法兰、中法兰螺栓和支架的强度验算，以及对这些零部件的校核。

其次，对这些零部件进行结构设计。

关键词：

直通式截止阀；阀体；强度验算；结构设计；应力校核

Thedesignofthestopvalve

ABSTRACT:

Thestopvalveisanimportantbranchofgeneralmachinery，itsproductsasfluidcontrolofkeyequipmentwidelyusedinpetroleum，chemical，metallurgy，electricpower，urbanconstruction，environmentalprotection，etc.Thedesignofthemaintasksare:

determinethestructureofthestopvalve，bodystructuresize，anddeterminethemainpartsofthestructuresize.Firstofall，forthebodywallthicknesscalculation，mainlystemanddisc，flange，flangeboltsandsupport，andtheintensityoftheseparts.Secondly,forthesepartsstructuredesign.

KEYWORDS:

thestopvalve;valvebody;Strengthcalculation;Structuredesign;Stresstest

1前言1

1.1本次毕业设计课题的目的与意义1

1.1.1本次毕业设计课题的目的1

1.1.2本次毕业设计课题的意义1

1.2直通式截止阀国内外现状1

1.2.1截止阀的发展现状1

1.2.2截止阀技术和产品的新进展2

2直通式截止阀概况3

2.1直通式截止阀的优缺点3

2.2直通式截止阀的结构组成3

2.3直通式截止阀的发展趋势4

3直通式截止阀的设计和校核计算5

3.1工艺参数5

3.2截止阀阀体壁厚的计算5

3.3阀体密封面上总作用力及计算比压5

3.4主阀瓣导阀密封面上总作用力及计算比压6

3.5阀杆强度验算7

3.6主阀瓣强度验算9

3.7中法兰连接螺栓强度验算10

3.8阀体中法兰强度验算12

3.9阀盖强度验算式14

3.10阀盖的壁厚计算15

3.11阀盖支架的设计16

3.12手轮设计17

4结论19

符号说明20

参考文献21

致谢22

外文翻译23

附件50

1前言

1.1本次毕业设计课题的目的与意义

1.1.1本次毕业设计课题的目的

（1）掌握直通式截止阀的基本构造和工作原理；

（2）掌握直通式截止阀的设计方法；

（3）会在基本设计的基础上进行变型和优化设计。

1.1.2本次毕业设计课题的意义

通过毕业设计强化对基本知识和基本技能的理解和掌握，培养收集资料和调查研究的能力，一定的方案比较、论证的能力，一定的理论分析与设计运算能力，进一步提高应用计算机绘图的能力以及手工绘图的能力。

同时通过直通式截止阀的设计，培养综合运用所学知识进行工程设计的能力，使学生能熟练掌握机械零件的设计过程：

掌握资料的收集和分析、相关规范的选择和运用；掌握阀门零件的确定、零件的布置和计算、设计方案的选择、成果图的绘制以及设计文本的编写全过程。

另外还培养了学生独立思考问题和解决问题的能力，为今后工作做好技术储备。

1.2直通式截止阀国内外现状

截止阀技术和产品的市场需求必将进一步增长，随着世界泵业的进一步发展和各用泵工业自动化的日益完善。

应用领域也将有更大的拓展。

1.2.1截止阀的发展现状

二十世纪九十年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，传统的泵制造业已向模块化、节能化、智能化、现代化的方向发展。

应该说，泵的设计、制造、运行、维护以及选型、销售等各方面，都存在着智能化技术应用的空间和发展潜力。

但从目前的开发和应用看，截止阀技术和产品最明显的优点是节能和自动控制。

将离心泵的调节和运行维护带人了崭新的现代化模式，因此可以说是泵系统工程和管理上的一次革命，而最早提出截止阀技术和产品需要的也是因为节能。

截止阀技术和产品的出现，也是世界泵业技术发展的必然趋势。

截止阀技术和产品近年来在国外得以应用并逐渐推广的主要因素包括：

（1）西方发达国家近年来陆续颁布并实施了越来越严格的环保和能效方面的法律法规；

（2）各用泵行业为了应对日益严格的法律法规不得不寻求和采用更可靠和更先进的泵系统来降低能耗和减少维护。

同时越来越多的泵使用用户从长远利益出发日益重视泵的平均故障间隔时间和泵寿命周期成本；

（3）信息技术和材料技术日新月异的发展以及各用泵行业工业自动化进程的完善。

1.2.2截止阀技术和产品的新进展

近年来世界主要泵公司相继推出了各自具有不同特点的截止阀新技术和新产品。

现将其中比较典型的介绍如下。

（1）ITT公司PS系列截止阀控制器

ITT公司推出的具有以14项专利技术为基础的Ps系列截止阀控制器（PumpSmart）集合了化工泵、化工工艺流程、变频器三方面的技术和专长。

优化和保护整个泵送系统，稳定流程工艺，减少故障维修，延长泵送系统寿命，提高泵送效率，节能降耗。

可以将能量消耗和维护成本降低30％～70％。

这种截止阀控制器具有泵干运转保护、最小流量保护和汽蚀保护功能，并可以对流程系统内仪表故障进行诊断和应急控制，可以在那些导致泵和机械密封损坏的异常工况下，对泵进行保护并维护泵送流程。

这种截止阀控制器可以使泵以较低转速在最佳效率点附近运行。

延长泵的使用寿命。

而离心泵转速降低20％，则可以减少50％的电能消耗。

第5代截止阀控制器产也在近2年得以推出。

新推出的截止阀控制器对泵的控制和保护功能更加强大，其中具有代表陛的专利功能可以在无任何仪表检测设备的情况下实时计算泵送流量，并将误差控制在正负5％以内。

此项技术的推出，泵的控制领域可谓具有重大意义。

继截止阀控制器成功地取消管路上的调解阀后，用户进而可以不再需要流量仪表了

（2）美国福斯集团截止阀系统

美国福斯集团研制开发出的IPSTempo系列产品是一种预先设计的截止阀优化控制和保护系统。

这种新型截止阀能够调整泵的流量、压力、温度和液位的变化。

其特点是改进泵性能，少泵使用周期成本，降低能耗可达50％，同时可提高平均故障间隔时间。

这种新型截止阀适用于石油化工、水工业、采矿和一般工业等领域。

这种新型截止阀采用了变频驱动器技术、泵的具体优化软件、工业级电力驱动器。

（3）德国威乐泵集团截止阀

具有节能、高效、降低噪音、抗卡转、运行可靠、设置和安装方便、方便替换旧泵等特点。

与普通泵比较，德国威乐泵集团推出的Strato系列截止阀采用了高效的电子整流电机、水力模型（叶轮）等高新技术。

节能达80％。

该系列产品在欧洲被成功应用于供暖系统，被评为最佳节能产品，获得欧洲能量等级A级标识。

威乐泵集团Strato系列产品可以在流体温度范围为-10110oC环境中运行，除供暖市场外。

还可用于消毒热水系统、冷凝器、热泵、太阳能系统等，传统供暖市场之外也具有巨大的节能潜力。

2直通式截止阀概况

2.1直通式截止阀的优缺点

截止阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。

当介质由阀瓣下方进入阀门时，操作力所需要克服的阻力，是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力，关阀门的力比开阀门的力大，所以阀杆的直径要大，否则会发生阀杆顶弯的故障。

近年来，从自密封的阀门出现后，截止阀的介质流向就改由阀瓣上方进入阀腔，这时在介质压力作用下，关阀门的力小，而开阀门的力大，阀杆的直径可以相应地减少。

同时，在介质作用下，这种形式的阀门也较严密。

这主要是由于它具有以下优点：

（1）结构简单，制造和维修比较方便；

（2）工作行程小，启闭时间短；

（3）密封性好，密封面间磨擦力小，寿命较长。

截止阀的缺点如下：

（1）流体阻力大，开启和关闭时所需力较大；

（2）不适用于带颗粒、粘度较大、易结焦的介质；

（3）调节性能较差。

随着直通式截止阀在设计、制造等方面不断地采用新技术、新结构和新工艺，上述缺点是会逐渐得到克服的。

2.2直通式截止阀的结构组成

直通式截止阀是由下列主要构件所组成：

（1）阀体：

它是直通式截止阀中的一个主要零部件；直通式截止阀阀体通常采用铸造工艺生产阀体。

与阀芯以及阀座密封圈一起形成密封后能够有效承受介质压力。

阀体的材质根据不同的工艺介质，选用不同的金属材料，本直通式截止阀采用不锈钢。

（2）阀杆：

阀门重要部件，用于传动，上接执行结构或者手柄，下面直接带动阀芯移动或转动，以实现阀门开关或者调节作用。

（3）阀瓣：

是截止阀的启闭件，为塞形，密封面呈平面或锥面，阀瓣沿流体的中心线作直线运动。

（4）阀盖：

装有阀杆密封件的阀零件，用于连接或是支撑执行机构，阀盖与阀体可以是一个整体，也可以分离。

（5）手轮：

手动阀门的零件，借助手轮，可以人工操纵阀门的动作。

当阀门启闭力矩较大时，可在手轮和阀杆之间设置此轮或蜗轮减速器。

必要时，也可以利用万向接头及传动轴进行远距离操作。

2.3直通式截止阀的发展趋势

随着国外大型成套技术的发展，出现了一系列新型成套设备与单机。

与阀门有关的新型成套设备发展的特点是大型化、高参数化、高性能自动化和成套化，与这些成套设备的控制方式相适应。

近20年来，国外阀门的控制方式也有很大发展。

除一般手动、机动、电动、气动、液动传动之外，电液连动、气液连动、自动控制的阀门品种不断增多，并有进一步发展的趋势。

3直通式截止阀的设计和校核计算

3.1工艺参数

公称压力MPa:

PN4.0；

公称直径mm:

DN100；

介质：

水、蒸汽、油品；

型式：

直通式截止阀、手动；

法兰连接；

仿照100J41W1.6截止阀进行设计。

3.2截止阀阀体壁厚的计算

阀体材料选用ZG1Gr18Ni9Ti。

计算厚度:

=（3-1）

其中p取公称压力为4.0MPa，计算内径设计给定为130mm，许用拉应力为105MPa，附加裕量C取3mm。

代入数据，则:

=5.2mm

即实际厚度设计选定为11mm，

﹤

所以设计合理。

3.3阀体密封面上总作用力及计算比压

密封面总作用力：

=+（3-2）

密封面处介质作用力：

=（3-3）

密封面上密封力：

=（3-4）

密封面上计算比压：

=（3-5）

其中密封面内径由设计给定为130mm，密封面宽度由设计给定为15mm，计算压力P取公称压力4.0MPa，密封面上必须比压取值为5.7MPa，密封面许用比压取150

计算得出:

=699113.15N

=660185N

=38928.15N

=102.4MPa

校核：

因为：

=5.7MPa，

=102.4MPa，

=150MPa，

所以，。

即设计合理。

3.4主阀瓣导阀密封面上总作用力及计算比压

密封面上总作用力：

=+（3-6）

密封面上密封力：

=（3-7）

密封面处介质作用力：

=（3-8）

密封面计算比压：

=（3-9）

其中设计给定密封面内径为50mm，密封面宽度为1mm，阀杆直径为36mm，计算压力p为4.0MPa，取密封面必须比压为22.8MPa，密封面许用比压为150

计算得出：

=7748.892N

=3651.192N

=4097.7N

=48.39MPa

校核：

因为：

=22.8MPa；

=48.39MPa；

=150MPa，

所以，，即设计合理。

3.5阀杆强度验算

升降杆截止阀阀杆结构和受力分析如图3-1。

关闭时阀杆总轴向力：

=（3-10）

密封面上总作用力：

=（3-11）

阀杆与填料摩擦力：

=（3-12）

关闭时阀杆总力矩：

=（3-13）

图3-1截止阀阀杆结构及受力分析

II-II断面合成应力：

=（3-14）

II-II断面压应力：

=（3-15）

II-II断面扭应力：

=（3-16）

III-III断面合成应力：

=（3-17）

III-III断面压应力：

=（3-18）

III-III断面截面积：

=（3-19）

III-III断面扭应力：

=（3-20）

III-III断面断面系数：

=（3-21）

其中，开启时阀杆总轴向力取值，密封面内径为50mm，密封面宽度为1mm，计算压力取4.0MPa，无石棉填料系数为2.24，填料深度为60mm，填料宽度为8mm，阀杆直径为36mm，螺纹升角a为关闭时螺纹摩擦半径为5.15mm，开启时螺纹摩擦半径为3.12mm，阀杆球头半径为60mm，材料弹性模量E为MPa，阀杆头部摩擦系数为0.3，I-I断面断面系数为9331，II-II断面截面积为624，阀杆头部最小直径取29mm。

取许用拉应力=90MPa，许用压应力=80MPa，许用扭应力=50MPa，许用合成应力=85MPa。

计算得出：

=4.12N

=153.86N

=2580.48N

=46807.322

=46937.426

=21.22

=12.85

=46370.68

=415.422N

=553.896N

=0.4mm

=5.01MPa

=5.03MPa

=43MPa

=MPa

=10.43MPa

=0.06MPa

=MPa

=660.186

=0.06MPa

=9156.24

校核：

因为：

=MPa﹤=80MPa，

=MPa﹤=80MPa，

=5.01MPa﹤=50MPa，

=10.43MPa﹤=50MPa，

=0.06MPa﹤=50MPa，

=43MPa﹤=85MPa，

=0.06MPa﹤=85MPa。

所以，设计合理。

3.6主阀瓣强度验算

截止阀阀瓣结构见图3-2。

I-I断面剪应力：

=（3-22）

代入公式3-2：

=+

代入公式3-3：

=

代入公式3-4：

=

II-II处弯曲应力：

=（3-23）

其中，密封面内径为50mm，密封面宽度为1mm，计算压力取4.0MPa，密封面必须比压为22.8MPa，阀瓣颈部直径d为70mm，阀瓣实际厚度为26mm，附加裕量C取2mm，密封面平均半径R为110mm，阀瓣颈半径r为35mm，取圆板应力系数为0.41，许用剪应力为40MPa，许用弯曲应力为20。

图3-2截止阀阀瓣结构图

计算得出：

=0.224MPa

=11818.332N

=8167.14N

=3651.19N

=8.4MPa

校核:

因为：

=8.4MPa，

=0.224MPa，

所以，﹤，﹤，

即设计合理。

3.7中法兰连接螺栓强度验算

操作下总作用力：

=（3-24）

垫片处介质作用力：

=（3-25）

垫片上密封力：

=（3-26）

垫片弹性力：

=η·（3-27）

关闭时阀杆总轴向力：

=（3-28）

代入公式3-3：

=

代入公式3-4：

=

阀杆径向截面上介质作用力：

=（3-29）

代入公式3-12：

=

必须预紧力：

=（3-30）

螺栓拉应力：

=（3-31）

螺栓总截面积：

=（3-32）

螺栓间距与直径比：

=（3-33）

其中，最小预紧力取，垫片平均直径为160mm，计算压力为4.0MPa，垫片宽度为15mm，密封面内径为130mm，密封面宽度为15mm，阀杆直径36mm，无石棉填料系数为2.24，填料深度为60mm，填料宽度为8mm，螺栓数量Z为8个，螺栓直径为20mm，螺栓孔中心圆直径为190mm。

取垫片有效宽度为1，系数η为0.2，阀杆轴向力计算系数=0.2，=0.3密封面必须比压为9.18MPa，取许用拉应力=135。

计算得出：

=161246.86N

=80384N

=26124.8N

=16076.8N

=38662.06N

=66018.5N

=62694.8N

=4069.44N

=2580.448N

=81891.2N

=89MP

=1801.6

=14.915

校核：

因为：

=89MP，

=135MPa，

=1.884，

﹤，

2.7﹤﹤4，

所以，设计合理。

3.8阀体中法兰强度验算

截止阀中法兰结构见图3-3。

图3-3截止阀中法兰结构

代入公式3-24：

=

代入公式3-25：

=

代入公式3-26：

=

代入公式3-27：

=η·

代入公式3-28：

=

代入公式3-4：

=

代入公式3-5：

=

代入公式3-29：

=

代入公式3-12：

=

代入公式3-30：

=代入公式3-31：

=

代入公式3-32：

=

I-I断面弯曲应力：

=（3-34）

力臂：

=（3-35）

I-I断面断面系数：

=（3-36）

II-II断面弯曲应力:

=（3-37）

力臂：

=（3-38）

II-II断面断面系数：

=（3-39）

其中，介质工作温度为200℃，最小预紧力取，垫片平均直径为160mm，计算压力为4.0MPa，垫片平均直径为160mm，垫片系数为6.5，密封面内径为130mm，密封面宽度为15mm，阀杆直径36mm，无石棉填料系数为2.24，填料深度为60mm，填料宽度为8mm，螺栓数量Z为8个，单个螺栓截面积为225.2，螺栓直径为20mm，螺栓孔中心圆直径为190mm。

取垫片有效宽度为1，中法兰根部直径为160mm，计算内径为130mm，阀杆轴向力计算系数=0.2，=0.3密封面必须比压为9.18MPa，取许用弯曲应力=110。

计算得出：

=161246.86N

=80384N

=26124.8N

=16076.8N

=38662.06N

=66018.5N

=62694.8N

=4069.44N

=2580.48N

=81891.2N

=1801.3

=7536

=59.68MPa

=35mm

=40526.9

=84.99MPa

=22.5mm

=17073.75

校核：

因为：

=59.68MPa，

=84.99MPa，

﹤，

﹤，

所以，设计合理。

3.9阀盖强度验算式

阀盖结构见图3-4。

图3-4阀盖结构

弯曲应力：

=（3-40）

形状系数：

k=（3-41）

操作下总作用力：

操作下总作用力：

=（3-42）

代入公式3-25：

=

代入公式3-26：

=

代入公式3-27：

=η·

代入公式3-30：

=

力臂：

L=（3-43）

其中，最小预紧力取，垫片平均直径为160mm，计算压力为4.0MPa，垫片平均直径为160mm，垫片系数为6.5密封面内径为130mm，密封面宽度为15mm，螺栓孔中心圆直径为190mm。

取垫片有效宽度为1，系数η为1，垫片系数为6.5，实际厚度为21.5mm，附加裕量c为2mm许用弯曲应力=110。

计算得出：

=1MPa

K=0.6

=188400N

=80384N

=26124.8N

=80384N

=81891.2N

L=15mm

校核：

因为：

=1MPa，

=110，

﹤，

所以，设计合理。

3.10阀盖的壁厚计算

代入公式3-1，计算厚度:

=

其中，p取公称压力为4.0MPa，计算内径设计给定为130mm，许用拉应力为92MPa，附加裕量C取2mm。

则

=4.5mm，

选取实际厚度为=21.5mm，

﹤。

所以，设计合理。

3.11阀盖支架的设计

支架结构见图3-5。

图3-5支架结构

I-I断面弯曲应力：

=

（3-44）

代入公式3-10：

=

代入公式3-11：

=

代入公式3-12：

=

I-I断面惯性矩:

=

（3-45）

III-III断面惯性矩：

=（3-46）

I-I断面拉应力：

=（3-47）

其中，密封面内径为130mm，密封面宽度为15mm，阀杆直径36mm，无石棉填料系数为2.24，填料深度为60mm，填料宽度为8mm，螺纹升角a为3°19′，计算压力为4.0MPa，密封面内径为130mm，密封面宽度为15mm，阀杆直径36mm。

A为24mm，b为12mm，R为80mm，H为124mm，L为100mm，支架上部外径D为80mm，支架上部内径为56mm，支架上部高度为60mm。

取许用拉应力=105MPa，许用弯曲应力=110。

计算得出：

=10.9MPa

=66167.9N

=66018.5N

=2580.48N

=832367.3

=432000

=3.02MPa

校核：

因为：

=10.9MPa，

=3.02MPa，

=105MPa，

=110，

＜，

＜，

所以，设计合理。

3.12手轮设计

手轮结构见图3-6。

图3-6手轮结构

关闭时总转矩:

=（3-48）

开启时总转矩：

=（3-49）

关闭时圆周力：

=（3-50）

开启时圆周力：

=（3-51）

手轮直径为360mm

计算得出：

=46807.3N·mm，

=46937.4N·mm，

=226.7N，

=260.8N。

4结论

在本次设计中，利用直通式截止阀的工作原理，设计了直通式截止阀的阀体、阀杆、阀盖、阀瓣、手轮，并进行了各零部件的验算校核。

现将设计结果列表如下：

表4-1工艺条件

公称压力

公称直径

介质

型式

4.0MPa

DN100mm

水、蒸汽、油品

法兰连接

表4-2直通式截止阀主要尺寸

阀体壁厚

阀杆直径

阀杆长度

手轮直径

=36mm

L=415mm

=360mm

符号说明

符号

意义

计算厚度，

实际厚度，

密封面总作用力，N

密封面介质作用力，

密封面上密封力，N

密封面上计算比压，

关闭时阀杆总轴向力，N

阀杆与填料摩擦力，N

关闭时阀杆总力矩，

断面应力，

A

截面积，

压应力，

断面系数

拉应力，

L

力臂，mm

I

惯性矩，

弯曲应力，

参考文献

[1]陆培文，高凤琴主编．阀门设计手册.第二版．北京：

中国标准出版社，2009．1

[2]孙家孔翻译．阀门手册.第二版．北京：

中国石油出版社，