1、 毕 业 论 文 作 者： 郝永吉 学 号： 2014412040108 学 院： 机械工程学院 专 业： 机电一体化技术 题 目： K301 单座调节阀设计 指导者： 张筱洁 副教授 评阅者： 2017 年 6 月 吉 林 摘 要 I 题目： K301 单座调节阀设计 摘 要 工 程 自动控制和仪 器为我国 国民经济 和每 个部门重要基础技术装备 。 在生产过程中，调节阀在 弱动力 级和执行流动流体控制所需的 强动力 级功能之间，实现 了必 需 的 能量扩 大 功能 ， 为 控制系统 中至关重要 的组成部分，对 维续 现代工 程制造 的产品质量， 节约 成本， 降低功 耗，提 升 效益 相当
2、 重要。 本 课题在详细调研的基础上，分析了 国内外 目前调节阀 技术 的发展 情 况 和已有调节阀的性能水平。通过对 国外 调节阀 产品 的 技术特点 与 优势 的调研 ， 举例指出 了 现阶段 传统单座调节阀的 缺点和短板 。 根据 实际 工 况 和我 国 工业生产的特点 ， 引进 国外 单座 调节阀的 领先科技 ， 研发出 新 式 的 更适合现代工业需求的 单座调节阀。本 课程 设计 主要攻克 的关键技术 为 ：阀体 内采用 S 型 介质 流 通方案 ， 因为流线式流道可以明显降低 压降损 耗 ， 并使 阀体通 流性能增 强 。阀体内 主要 零件设计， 降低 调节阀 内流体 泄漏，优化结
3、构， 减少制造 成本 。 提供更高 的 流量 可调范围。 相信不 远 的 未 来，随着各方面技术的不断 进步 和 提高 ， 将 有更 多创新技术的调节阀 问世 。 关键词 ： 单座调节阀 ； 阀内件结构 ； 可调范围 目 录 II 目 录 摘要 . I 第 1 章 绪论 . - 1 - 1.1 问题的提出 . - 1 - 1.2 单座调节阀设计的目的及意义 . - 1 - 1.3 国内外技术发展水平概况 . - 2 - 1.4 论文的主要内容 . - 3 - 第 2 章 调节阀总体方案的设计计算 . - 5 - 2.1 阀体形式的选择与设计 . - 5 - 2.1.1 阀体结构形式 . - 5
4、 - 2.1.2 壁厚的选择与计算 . - 7 - 2.2 阀体连接形式的选择与设计 . - 9 - 2.3 上阀盖 设计 . - 9 - 2.4 阀芯 设计 . - 10 - 2.5 阀芯导向型式 . - 11 - 2.6 阀座 设计 . - 11 - 2.7 阀杆 设计 . - 11 - 2.8 执行机构的选择 及内零件简介 . - 12 - 第 3 章 单座调节阀的 流量特性及其选择 . - 16 - 3.1 可调范围 . - 16 - 3.2 流量特性 . - 18 - 3.2.1 理想流量特性 . - 18 - 3.2.2 工作流量特性 . - 19 - 第 4 章 调节阀的发展与展
5、 望 . - 21 - 结论 . - 22 - 致谢 . - 23 - 参考文献 . - 24 - 第 1 章 绪 论 - 1 - 第 1章 绪 论 1.1 问题的提出 现代化工业 主要以先进的自动化生产 为 基础 。 根据 自动化系统的发展历 程和 技术革新 来 分析 ， 控制技术 的 创新和进步意义重大 。 虽然多 种 新型 的控制 技术接连涌 现，但 是最核心 的控制 技术不会 改变 。不断更新换代的只是技术工具 。传统的生产控制方式已不能完善的调控现代化工业生产系统，现 用模拟电路、数字化 过程控制 、微机 编程软件控制 等先进技术 的应用 进行 创 新。 现代数字化仪表的研制和 应
6、用 加快了 工业自动化 的脚步 。 代表性的 自动化控制系统 主要分为 三个 部分： 检测、控制和执行。 现阶段 ，数字技术 与 微 型 处理器技术 对 监测与 控制 技术的影响巨大 ， 对相关工业技术领域带来的促进作用已是众所周知 ，尤其 是 为成产过程提供控制的 产品调节阀， 更有飞速 的进步。 虽然传统的调节阀产品已经投入到工业成产中 ，但现代化工业 所需的是更为优秀的调节阀产品 ，所以如何生产出适用于现代机电一体化控制技术的单座调节阀 ， 并能 提高 调节阀的 质量 等级 ，更有效更安全地 进行 操作，更充分地利用 与节约能 源 和 保护生态环境，都 将给调节阀的设计 提出新的课题，
7、人们已经对调节阀 的设计 提出更严格、更高 标准 的 设计 要求。 放眼 未来， 人们将要 面 对 的 难 题 还会很 多 ，例如生产 原料供应 不足 ， 煤 、石油 、 天然气等化石能源 的 越用越少。人类 社会 对 生产力 的需求。人们对好的工作条件的 需 求 。人类社会的可持续发展等 。 为 解决这些 与人类生活息息相关问题， 都 要 改善和改造原有的过 程控制系统，或 是 创造出更 先进 的过程控制 元件 ， 而这样的控制系统的诞生就要求有更先进的调节阀技术 1。 1.2 单座调节阀设计的目的及意义 提升调节阀的质量、 功能 和 适用范围，对现代化工业的意义 非同寻常 ，而生产制造 出
8、 可以适合 各 个 方面 要 求的 新型 调节阀 则 是 当务之急 。因 单座调节阀结构形式的限制， 其 只能在大部分 工况中适 用 。 本 课题设计 目的是使 单座 调节阀向着 现代化工业所需求 方向设计： 稳定可靠 的产品质量 ，安全 便捷的操作 。在 成产 过程控制中，调节阀 与 控制 管路中的 流体相 直接 接触， 如果 发生故障，后果 十分严重 。在石油工业中，再整条生产线中 ， 多 种生产 设备密集 地集中检测 与调 制 。多数 操 控 都是在高温低压或高温高压中 完成的 ，介质 大部分为 易燃易爆的油品 。 因此，调节阀的 安全 可靠和防火防爆 性能应该受到高度重视 。在化工 厂
9、内 ，过程 控制更为复杂 ，温度、压力、流量和液体位置 的 四大热工变量 对调节阀的质量要求更为苛刻 。在电力 生产 中，火力发电厂要对锅炉进行控制，锅炉调节系统 对水位的控制 ，东北电力大学毕业论文 - 2 - 都要求调节阀具有高的控制精确度与控制的灵敏性 。 自然生活环境的 保护与资源的充分利用也是调节阀设计中应该考虑的问题 。调节阀 可能 对环境造成大气污染和噪音等问题，所以本课题的设计应解决或改善 以下 问题。第一，设备泄漏 直接造成了原料与 能源 浪费 ， 并造成 环境 的污染， 对员工的健康造成威胁 ， 还可能引起重大安全事故 。大气污染 的防止 ，要求 阀座密封 良好 。 因此，
10、 密封方法 与 材料的选用 应该达到密封要求 。 当 流通介质存在 毒性时，如 一氧化氮、二氧化硫 等介质，就 应 用波纹管密封或更 安全可靠的密封方法。第二，调节阀在 系统 中，噪 音污染比较严重 。因为调节阀的应 用 一定会 造成流体 压强降低。 速度变化 与阀体 振动， 所以 噪声 不可避免 ，在过程 控制 中，电动机、 叶片 、 变速器 、 煤 炉、调节阀等，调节阀的噪 音 占 比例较大 。所以本课题研究的目的是要控制它的噪 音等 级的大小。 现如今社会对能源的消费和需求越来越大，人们也在寻找节约传统能源和制造新能源途径，所以单座调节阀还要以节约能源和适应于新能源为目的方向设计和制造。
11、也只有这样才能适应现代生产制造业 的资源节约与新能源的应用需求，同时还能为企业节约生产成本。 1.3 国内外技术发展水平概况 全球阀门市场 总值 约为 400 亿美元 。随着历史的发展， 工业自动化 成度的提高调节阀的技术水平也突飞猛进 ，从 原理较为 简单的自力式稳压器发展到全智能 数字 化的控制阀 ，大约历经 100 年的时间 。目前调节 阀在 工业生产 中 地位已非常 重要， 自 简 易 的热 互 换器温度 调节 阀到 复杂的调控 系统 的正常工作， 都必须要有调节阀的调控 。以下列举了两个调节阀技术较为发达的国家和我国的调节阀发展过程。 美国是 全球 经济高度发达的国家 ，一直以来 是
12、的阀门 生产制造 强国 。 在 第二次世界大战 后期 成产研发 了 大约 全世界 一 半的阀门，但 后来由于其他国家阀门自产能力的提高 美国阀门产品在世界上的 比例呈 减少 趋势 。近几年美国阀门行业增长甚微，某些增长因素被某些行业的萎缩相抵消了，虽然如此，美国阀门公司依然占据了全球阀门市场的 40%。 TYCO 国际公司是美国一家全球五百强企业，其下属的 TYCO 流体控制公司是世界最大的阀门、执行器生产企业，此公司名下有六十 多个 自主 的品牌， 可以制造 最完 备 的 调节 阀 类成 品， 拥有完善 的阀门 调控技术链条 。美国的 FLOWSERVE 公司 为 世界 最早的可以自主研发流
13、体控制 元件和 相关维 护与更新 服务的公司 。其 最 早研发 了 调节 阀顶部导向 和底部导向技术 ， 最 早 研 发 了 首台 通用 调节 阀 ， 最 早 发明了用于控制阀口径计算与工作 过程中 可以准确的 测 量 其噪 声 的方法 。 大大简化了阀门口径的设计概念。 英国是最 先完成 工业化的国家 ，是 世界 工业 制造业基地。在阀门的国际贸第 1 章 绪 论 - 3 - 易中英国 的 阀门 销量处于领先地位 ，几乎 全部 的制造厂在阀门设计和制造方面都应 用了自动设计系统 与 工艺过程自动化控制系统。其中英国 ABB 公司 为研发与 生产控制阀门的 技术处于领先地位 ， 如今也 是欧洲
14、最大的控制阀生产企业之一。 HOPKINGSANS 历经近半个世纪的积累与发展 ，阀门 研发 经验 也非常成熟 。英国的 SPARAX 公司，该公司历史悠久，目前为全球最大的蒸汽系统阀门生产和供应商，其产品广泛，主要有锅炉控制系统、 单项截流阀 、自力式温度压力控制阀、蒸汽疏水阀、凝结水回水泵、流 速 计、换热器 模块 、洁净蒸汽 机、 截止阀、止回阀等产品 、 气动电动控制阀和控制器。 我国在 20 世纪 40 年代，角形 调节 阀、蝶阀、隔膜 调节 阀 和 球阀 先后问世 。20 世纪 50 年代，球阀 的 使用 很受工业生产的欢迎。还使用 三通阀 替代 两台单座阀投入系统 使用 。 20
15、 世纪 60 年代，套筒阀 的研发 很快 受 到重视 且 成为主 流产品。 20 世纪 70 年代，偏心旋转阀问世。 20 世纪 80 年代中期，我国从日本引进了 CV3000 精小型阀。主要特点是小型化 和 高容量化。从 此以 后 我 国 开始拥有了自 主研发 的精小型阀 类 产品。 20 世纪 90 年代末，全功能超轻型调节阀问世，这是 首 个由中国人自 主研发 的 新种类阀门 。 21 世纪，智能 数字化 阀门的 问世 ，为调节阀 历史掀 开 了崭 新的一页。 目前 智能 数字 化调节阀的制造更能适应现代化工业的 工况 需求 。 电动调节阀 和 气动 调节阀 ，都 能够研制成 智能化 控
16、制系统 。气动调节阀执行机构上配以全电子式阀位定位器， 并 用 先进的 电子元件代替磁力马达，就 能够应用 PID（比例 积分 微分）运算。 先进的 智能化调节阀把阀体、执行机构、电气转换定位器 结合 在 了 一起， 且配备 现场显示 仪 、微机 处理器、 液位感应仪 、温度、位置传感 仪 、 先进的 数字量 子 输入输出 电路模块。并可以与 计算机 和电脑传输数据端连接 。 现行研制的 智能 数字化调节阀已 可以把全部 控制 系统整合 在阀上， 统一为 一个 完善地 现场 数字 控制 一体化 系统 2。 1.4 论文的主要内容 （ 1） 论文分析了调节 技术发展 的现状，针对调节阀的技术背景
17、和发展趋势进 改进与设计 ，并与传统单座阀比较，分析其 综合 性能，适用范围及对实际使用工况的适用能力，提出单座调节阀的设计 方向 。 （ 2）对 单座调节阀结构形式 的研究与优化 ， 制定 设计 内容 ， 优化比较单座调节阀内部主要零件 ， 分析调节阀的适用工况环境 ， 对阀内主要零件分别进行设计 ， 提高其使用寿命与使用范围 ， 还要 对 核心元 件 地主要研究内容设列 数学模型，进行理论分析 与公式计算 。 （ 3） 对单座调节阀 进行流量研究设计 ， 并对各种流量特性经行分析。关键对阀体 零件件进行 壳体 密封 试验 、 上密封试验 与 整机密封试验。在流量试验中，东北电力大学毕业论文
18、 - 4 - 根据 两 类 流量特性的试验数据的分析计算， 列出 流量特性 表格 。 （ 4） 对 设计 结果进行 罗列研究 ，总结调节阀的 工作表现和理论计算的偏差。找出偏差成 因， 然后进行完善 。 （ 5） 通过本次课程设计 ， 对单座调节阀技术提出一些遇到的实际问题，并表明看法 。 第 2 章 调节阀总体方案的设计计算 - 5 - 第 2 章 调节阀总体方案的设计计算 2.1 阀体形式的选择与设计 单座 调节阀 是管路中关键的组成单位 ， 确保调控 管 路 系统 的安全运行，要对阀门的研制工作提出很多难题 。 所以 ， 单座 调节阀的 研制一定要符合 工作 流体 的压力、温度、 腐蚀
19、等介质工况条件 对 单座 调节阀 的使用要求 。 本课题中K301 单座调节阀设计应满足以下条件： （ 1） 阀门口径： 100mm； （ 2） 压力等级： 4Mpa； （ 3） 最大行程： 30mm； （ 4） 适用于有冲刷、气蚀等严峻条件的工况 ； （ 5） 泄漏量小，容易保证密封，泄漏量满足标准 ANSI B16.104 要求； 2.1.1 阀体结构形式 目前单座阀阀体应用比较普遍 ， 因为其 结构简单 ，通流能力良好 。单座阀主要适 用 在闭合时密闭成度高的工况 ， 可以实现本课题的设计适用条件 。单座阀体 变化形式多，可通过改变阀内部件进行修改 ， 用 以减小 或增大 流通能力、降低
20、噪声 和改善 气蚀的 设计要求 。单座阀阀体型式 能制造为 直通式、角形、棒形 和 分体式结构。 角形阀 通常为 单座阀。 其主要适 用 水塔供 水、 制 热 系统排 水 。因其体积较小还 可用 于 弯管的管道连接处。 棒形阀体 主要应用于 化工 厂内的具有高 腐蚀性 的管路介质 。 主其要是用 金属棒料和 有机 塑料 研制生产 。因为稀有金属合金 可以有效的抵抗腐蚀 ，锻造棒形阀体 可以较 铸造阀体 成本低 。 双座阀阀体结构 一般较一样 口径的单座阀阀体流通能力 强 ， 不过 阀座的闭合等级仅 能达到 级。双座阀阀体结构 主要适 用 石油化工调 控高粘度 的 流体 介质 ，或有颗粒、污染物
21、 和 阀内件有流体污 染物 的 工况条件 。 三通阀体 主要适 用合流或分流 工况条件 。 直通式阀体的材质种类繁多，其口径最大可为 400mm，公称压力可以达到 ANSI2500 等级 。阀体结构简单，能够满足大部分的工况要求，所以本课题 K301单座调节阀应选用直通式单座阀体结构见图 2-1。 东北电力大学毕业论文 - 6 - 图 2-1 单座阀阀体 阀体材料选取多种多样，主要看其工况条件的要求。单座阀阀体结构简单，满足多种的工况要求，且连阀体接端尺寸大，介质通道为流线型，维修简单。阀体流道采用 S型设计 ，可有效减少压降损失，大大增强通流能力。 fc 50426（ 2-1） 式中： F
22、流通面积 ， m 2 阻力系数 ； C 调节阀的通流能力； C值的大小与阀门的结构有关。所以，调节阀的不同结构形式，其阻力与通流能力都不相同。如果阀体的流道设计不正确，阻力系数 升高，调节阀的流通能力也会减小。 调节阀主要有两种阻力损失，第一是阀体流道的阻力损失，表示式为： gvsh vv 22 （ 2-2） 式中： vh 阀体流道部分阻力损失； vs 阀体流道总阻力系数； v 阀体流道内流体平均流速； 第 2 章 调节阀总体方案的设计计算 - 7 - 第二是节流部分局部阻力损失。从上式中可知，希望阀体流道阻力降低，就一定要将阻力系数减小与流体流速下降，主要是流体速度。因为流速与阻力损失成平方
23、关系。之前的阀体通道，内截面积较公称通径截面积小。因此，当流体流入阀体之后平均流速将会升高，通道内的各个部分的介质速度或多或少，流体流向也不停的改变，介质还有可能在死角里形成涡流。 当流体流经节流口阀芯和阀座之间环隙的时候，流道面积减小，造成局部阻力系数 vh 增大，且流速也开始升高阻力损失增大。本课题设计的阀体结构，进口段管口逐渐扩大，流道口截面积按一定比例逐渐变大，而当到出口段时管口逐渐减小， 设计成这样可以实现流体进入阀体后减速的效果。介质流到节流口之前，流道面积比公称通径的截面积至少增大 20%。 这样的设计能使局部阻力系数和介质流速同时降低，有效减少了阀体对于流体的阻力损失。 阀体材
24、料的选择。由表格 2.1中材料 ZG0Cr17Ni12Mo2满足 k301单座调节阀的设计与使用要求。所以阀体材料选用 ZG0Cr17Ni12Mo23。 表 2-1 阀体材料选取标准 美国 ASTM 标准 德国 DIN 17001 中国 GB/T17616 适用温度 WCB 1.0619 ZG25I -10 400 CF8 1.4308 ZG0Cr18Ni9 -200 530 CF8M 1.4408 ZG0Cr17Ni12Mo2 -200 530 WC6 1.7357 ZG15Cr1MoG -10 450 WC9 1.7379 ZG12Cr2MoG -10 450 2.1.2 壁厚的选择与计算 阀体壁厚的设计。已知： T 调节阀最大设计温度； np 调节阀公称压力； 因阀体做整机水压实验时，使用压力为 1.5倍公称压力，故计算阀体壁厚时，P = 1.5PN； 式中： nD 阀体中腔最大内径； L 温度为 T时，阀体材料许用拉应力；
