1、1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。2AbstractThe valve in the various sectors of the national economy has been widely used. Valve i
2、nstalled 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 va
3、rieties 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 th
4、at the design product material is low.Keywords：Valve, Slide Valve, Account.3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.
5、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 .1843.6 阀体壁厚的设计与计算 .203.7 中法兰的设计与计算 .213.7
6、.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
7、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 .355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
8、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 .486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
9、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
10、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
11、，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 Auto CAD 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
12、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。71.1 闸阀的定义闸阀（gate valve）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
13、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 252 。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 ,
14、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
15、现锁死现象 , 通常在开到顶点位置上 , 再倒回 1/21 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。81.1.2 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
16、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
17、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，9要介质压力作用下易产生擦
18、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
19、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
20、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。10(3)重视高新技术在阀门上
21、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
22、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- 4PH7。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。
23、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。
