DN80 25MPa双闸板平板闸阀的设计Word文档格式.docx
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双闸板平板闸阀（撑开式，上顶楔）的基本原理：
当闸阀关闭时，闸板下降到底后，阀杆继续推动顶楔向下移动，使两块闸板撑开，并紧压在两侧阀座的密封面上，达到强制密封。
当阀门开启的时候，阀杆首先带着顶楔向上移动，使两块闸板和阀座脱离，然后带动闸板上升，从而起到开闸的目的。
双闸板平板闸阀具有如下结构特点：
1.阀门采用两块互相平行的闸板及其楔紧装置组成的密封结构取代传统的楔式闸阀结构。
2.阀门密封机构各零件相互分离，即使在温度变化时引起变形也仍能保证密封，且不会因高温膨胀而使闸板挤住打不开。
3.阀门密封采用耐磨、耐腐蚀材料制成，延长了阀门的使用寿命。
4.在高温、高压情况下，进口一侧闸板设计为可泄压方式、防止由于温度变化而引起的腔内压力异常升高的现象，保证使用安全。
5.全封闭结构，防护性能好，可全天候使用。
双闸板平板闸阀具有密封性好，安全性好，寿命长等诸多优点。
其发展水平也到了一定的高度。
目前市场上有各种类型的双闸板平板闸阀，分别用于不同的领域，也有各自不同的结构特点。
最传统的双闸板平板阀的结构形式有自密封式（不适用于高压环境，逐渐被替代）和撑开式，撑开式又分上顶楔式与下顶楔式。
这些结构的双闸板闸阀各有特点，其成本﹑制造工艺也有所不同，并且各有优缺点。
闸阀的设计也趋向多样化，不过也是有规律可循，目前市面上的双闸板平板闸阀大体上可以分为两大类。
一类是由两闸板和楔块结构组成，两者相对独立，共同完成密封作用。
另一类则是楔块与闸板的结合为一体，由闸板自身作为楔块结构，挤压而形成自密封。
相比之下，第二类结构有着比较好的稳定性，因为这样的结构在功能相同的情况下，零部件就少了很多。
从而大大提高了稳定性。
设计时还应考虑到实际运用过程中可能会遇到的情况，根据不同的情况设计合适的结构。
此次课题研究的平板阀主要用于石油工业，因此有必要设计一个安全可靠，密封性能良好，强度大的结构。
第2章双闸板的方案设计
我们知道双闸板闸阀的性能好坏，主要取决于两个闸板的设计。
根据双闸板闸阀的一般特点，并加上一些总结和归纳。
双闸板的设计方案如下：
2.1方案一
在上文中我
们总结得出把闸
板自身作为楔块
结构的闸阀比传
统的闸阀要有优
势。
因此，在方
案一当中闸板自
身具备楔块结构
和功能。
图2-1中图2-1
打粗剖面线的是两块闸板，左侧闸板受阀杆的推力，通过斜面把右侧的闸板向右侧挤压同时左侧闸板也通过反作用力达到与左侧的密封圈紧密接触的效果。
两块闸板之间的连接用弹簧实现。
用弹簧有以下几个好处：
1.不仅实现了两块闸板的连接，还能保证两闸板有足够的相对位移。
2.能有效的避免双闸板在关闭时可能会产生的自锁现象。
为了防止在使用过程中两块闸板位置的相互错开，两块闸板都具有类似筋板的结构，使得两块闸板之间只发生上下左右的位置变动。
2.2方案二
方案二也是一种闸板
与楔块一体的结构。
不难发现，这种结构
的闸板相对于方案一
来说要简单了一点。
这个方案的最大特点
就是闸板下端的斜面。
它有两个斜面，上端
的斜面用来关闭阀门
时候的密封，下端的
斜面用来阀门在开启
状态下的对阀腔与介质图2-2
之间的密封隔离作用。
那么，为什么要这样做呢？
在实际的应用过程中，阀门的开启和关闭的频率往往不会特别频繁，并且阀门开启状态下的时间往往不会少于阀门关闭状态下的时间。
也就是说，有相当大的一段时间里，阀门是开启状态的。
我们知道，在开启状态，介质会充满整个阀腔。
导致介质对闸板还有阀杆和阀腔的冲刷。
从而给阀腔的密封带来巨大的压力，也使得阀腔内零件的寿命大打折扣。
而方案二的结构可以使阀门在开启状态下能防止介质进入阀腔，绝对避免了介质对阀腔内零件的冲刷，从而提高了阀门的寿命。
两块闸板之间有一个压紧弹簧，作用如下：
1.在阀门开启的时候，弹簧的弹力用来克服左侧闸板的自身重力。
2.始终形成一个预紧力，使得两块闸板与密封圈不至于太松懈，进一步减启闭过程中少量介质的流出。
两块闸板与密封圈的接触面均有定位槽结构用来固定两块闸板的位置关系。
2.3方案的确定
两种方案均是理想的楔块结构。
有着各自的优点，通过对比，方案二比较有优势。
表现在以下方面：
1.方案二能避免介质对腔内零部件的冲刷，寿命长。
2.方案二在开启和关闭的两个常态下都阻止了介质浸入阀腔，因此，大大降低了对阀门的密封要求，减少了成本。
3.方案二的闸板设计较方案一的简单，并且强度大，非常适合高压闸阀。
第3章DN8025MPa双闸板平板闸阀的设计
上面已经确定了双闸板的设计方案，下面就需要对已经确定的方案进行具体的结构设计。
3.1阀体的设计
已经确定了方案二
设计为25MPa的高压闸阀，由于闸板是狭长的矩形，且
作为高压闸阀，密封面与闸板接触
的压力比较大。
所以这里把闸阀设
计成扁体,这样比较节省阀体材料。
图3-1
3.1.1法兰结构长度：
法兰的连接结构长度按GB12221的规定，上面规定.......
3.1.2阀体最小壁厚设计：
查GB1224-89,公称直径为80mm，公称压力为25MPa的钢制闸阀的最小壳体厚度为23.8mm，这里我们取最小部位的厚度为24mm。
3.1.3法兰连接：
法兰应与阀体整体铸造或锻造而成，也可以采用焊接而成。
焊接的法兰应是对焊形式，焊接要求应符合GB150的规定，焊工应按有关部门规定考试合格。
这里为加强整体强度就采用整体铸造的方法加工法兰。
3.1.3阀体的连接法兰和中法兰：
阀体的连接法兰和中法兰其背面应加工或按GB152.1——152.4的规定锪平。
3.1.4阀座的内径设计：
阀座的内径应设计成与阀体的通径一致为80mm。
3.1.5阀座与阀体的连接：
阀座与阀体的连接形式有多种，主要有螺纹连接，胀接，焊接等。
也可以在阀体上堆焊。
其焊层在加工后不小于2mm。
对于奥氏体不锈钢阀门，阀座也可以直接在阀体上加工。
这里涉及到高压闸阀，所以需要一个强度大，结构可靠的阀座。
因此最佳的选择就是采用焊接，这样不仅强度有保证，维修成本也低。
3.1.6阀体放泄孔的设计：
阀体放泄孔应按照GB12224的规定，其尺寸和位置应在订货合同中注明。
3.1.7阀腔的设计：
3.18尺寸：
000000000000000000000000000000000000000
3.2阀盖的设计
图3-2
3.2.1阀盖的壁厚：
阀盖与阀体同属壳体，所以它们的壁厚是相同的，都按照规定是24mm。
3.2.2阀盖与阀体的连接
与阀体法兰连接的密封面型式，公称压力
2.5Mpa的阀门可以采用平面式。
其他压力级的阀门应为凹凸式、榫槽式和梯形槽式。
这里我们设计的是高压闸阀，并且主要作用是定位，因此采用凹凸槽就可以满足要求了。
原本规定的PN25Mpa以下或DN65mm的阀门才可以采用非圆形的法兰连接方式。
在这里，由于结构的特殊性，介质对阀腔的影响很小。
因此采用非圆形法兰连接。
阀盖与阀体连接的螺柱不得少于4个，其直径按表3-1的规定：
螺柱根部总截面的拉力是公称压力作用于垫片有效外缘的面积上计算（如果是梯形槽连接，则按中径计算），其拉应力应不超过62Mpa。
如果用户指定的螺柱材料其屈服应力小于或等于207Mpa，则产生的拉应力应不超过48Mpa。
这里我们根据要求，取螺柱直径为M12。
根据闸阀的具体体积，取螺栓数为10个。
表3-1mm
公称通径DN
最小螺柱直径
25——65
M10
80——200
M12
M16
3.2.2支架设计；
阀门的支架可以与阀盖设计成整体，也可以分成两个件来连接。
如果设计成整体，则必须考虑在拆卸阀杆螺母的时候，不需要将阀盖从从阀门上取下来。
由于设计的是高压闸阀，为了保证强度，所以如图3-2所示，将阀盖与支架设计成一个整体。
3.2.3支架尺寸的设计：
000000000000000000000000000000
3.3闸板的设计：
闸板的设计是阀门设计中最重要的环节之一。
闸板结构如图3-3（进口端闸板），图3-4所示（出口端闸板）。
两闸板都有导向槽，使闸阀在操作时，保证两块闸板在任何位置始终保持与阀杆成一条直线，保证良好的稳定性。
闸板的斜面角度为5
，可以保证出口端闸板先下或向上移动时，进口端闸板也能跟着一起移动。
闸板下端的通孔直径加工成76mm，与公称通径80mm的百分比为95%，满足要求。
闸板的宽度为118mm，其中两处导向槽的边缘宽度均为6mm，因此留给密封圈的空间有了限制，我们取密封圈与两个导向槽边缘的间隙都为2mm，则密封圈的最大直径为98mm，除去80mm的通径，密封圈的厚度为9mm。
进口端闸板（图3-3）上端的结构是用来扶正闸板的，阀杆穿过上端的结构，与导向槽一起完成闸板的导向作用。
出口端闸板（图3-4）上段的“T”型结构则是为了与阀杆的连接。
其加工尺寸根据阀杆接头的尺寸来定，两者一般取间隙配合。
闸板的长度
图3-3
图3-4
3.4阀座密封圈的设计：
阀座密封圈的种类有很多，因设计的是高压闸阀，所以必须选择加工一个适合高压环境的密封圈。
在密封圈上堆焊铬不锈钢或硬质合金压入阀体，然后再把密封圈尾部焊在阀体上。
这种密封圈适用于中高压闸阀阀体。
这种连接方式比螺纹，挤压等连接方式加工环节更少使阀体外形简单，内腔紧凑。
但是不可避免的堆焊飞溅物会嵌在过于狭小的阀体内腔难以剔除并除尽，给密封副划伤留下了隐患。
因此必须提高堆焊的质量，并在易飞溅区域刷涂石灰水以降低飞溅物的附着力。
接触面端口应留有足够的加工余量，因为密封圈安装以后需要进行二次加工以得到准确的安装精度。
3.5阀杆的设计：
键的材料采用强度极限不小于600MPa的碳素钢，通常用45钢。
当轮毂使用非铁金属或者非金属材料的时候，键可以使用20或者Q235钢。
因为此时轴和轮毂都已经选用金属材料，所以决定把键的使用材料定为45钢。
键的截面尺寸按照轴径选择的键
，
。
3.4弹性挡圈的选择
在轴上零件的定位方面，两次用到轴用弹性挡圈，一次用到孔用弹性挡圈。
前面已经提到，主要是因为轴向定位的时候无法采用轴肩或者套筒进行定位，同时零件受到的轴向力很小。
采用的轴用弹性挡圈的规格分别为挡圈50GB894-86、挡圈90GB894-86，采用的孔用弹性挡圈的规格是挡圈80GB893-86。
弹性挡圈的材料采用65Mn。
3.6弹簧的选择
弹簧的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用下产生变形时，把机械功转变为形变能；
在恢复变形的时候，把形变能转变成为动能或者机械功。
弹簧的失效形式主要有以下几方面：
（1）塑性变形 在外载荷的作用下，材料的内部产生的弯曲应力或者扭转应力超过材料本身的屈服应力以后，弹簧发生塑性变形。
外载荷去掉以后，弹簧不能恢复到原始的尺寸和形状。
（2）疲劳断裂 在交变应力的作用下，弹簧表面缺陷（裂纹、折叠、刻痕、夹杂物）处产生疲劳源，裂纹扩展以后造成断裂失效。
（3）快速脆性断裂 某些弹簧存在材料缺陷（如粗大夹杂物，过多脆性相）、加工缺陷（如折叠、划痕）、热处理缺陷（淬火温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够）等，当受到过大的冲击载荷的时候，突然发生脆性断裂。
（4）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效
（5）高温使弹簧材料的弹性模量和承载能力下降，高温下使用的弹簧容易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。
针对以上容易出现的问题，对弹簧的性能要求如下：
（1）高的强度极限和高的屈服比
（2）高的疲劳强度
（3）好的材质和表面质量
（4）某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性
根据以上的分析，对于主体内部承受负荷为抽汲液和抽油杆柱的负荷的总和的弹簧，采用的材料是70Si3MnA,加工的工艺路线为：
热轧钢带（板）冲裁下料－压力成型－淬火－中温回火－喷丸强化。
因为主体内部的弹簧承受的负荷为抽汲液和抽油杆柱的负荷的总和，负荷很大，所以在这里决定使用碟形弹簧。
因为碟形弹簧有以下一些优点：
（1）刚度大，缓冲吸振能力强。
适用于负荷大，而轴向空间要求小的地方。
（2）具有变刚度的特性。
根据设计选用的内锥高度（单个A型碟簧的极限行程）
3.7主要零部件的材料选择
对其材料可以有以下的性能要求：
（1）良好的综合机械性能：
足够的强度、塑性和一定的韧性，以防止过载断裂、冲击断裂。
（2）高的疲劳强度，对应力集中的敏感性低，以防止疲劳断裂。
（3）足够的淬透性，热处理后表面要有高强度、高耐磨性，以防止磨损失效。
（4）良好的切削加工性能，价格便宜。
轴类零件选材时主要考虑强度，同时也要考虑材料的冲击韧性和表面耐磨性。
强度设计以一方面可以保证轴的承载能力，防止变形失效，另一方面由于疲劳强度与拉伸强度大致成正比的关系，也可以保证轴的耐疲劳性能，并且对耐磨性有利。
为了兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力，轴一般使用经过锻造或者轧制的低、中碳钢或者合金钢制造。
由于碳钢比合金钢便宜，并且有一定的综合机械性能、对应力集中敏感性较小，所一般轴类零件使用较多。
常用的优质碳结构钢有：
35、40、45、50钢等，其中45钢最常用。
为改善其性能，这类钢一般要经过正火、调质或者表面淬火热处理。
合金钢比碳钢具有更好的力学性能和热处理性能，但是对应力集中敏感性较高，价格也比较贵，所以当载荷较大并且要求限制轴的外形、尺寸或者重量，或者轴颈的耐磨性等等要求高的时候采用合金钢。
采用合金钢必须采取相应的热处理才能充分发挥其作用。
在一般的温度下，碳钢和合金钢的弹性模量相差很少，所以采用合金钢并不能提高轴的刚度。
根据以上的分析比较，初步选定轴的材料为45号钢。
经过模锻、调质、切削加工以后，再进行表面淬火处理。
3.1.2的结构设计
轴的结构设计包括轴的合理结构和全部尺寸。
轴的结构形状取决于轴上零件的类型和布置，要保证所设计的轴具有合理的结构形状应满足一下要求：
（1）轴和轴上零件要有准确的工作位置、固定可靠。
（2）具有良好的制造工艺性。
3.2轴承的选择
轴颈位置需要使用轴承对轴进行径向定位，根据主体内壁的位置以及轴承的标准，选定合适的轴承，轴承的型号选为6018，此时安装上的轴承需要进行定位，轴承的顶端可以通过采用轴肩进行定位，轴肩的尺寸按照标准（参照机械零件设计手册［12］表19-5）确定，轴承的底端由于无法采用轴肩或者套筒进行定位，所以采用轴用弹性挡圈进行定位。
此处空心轴的尺寸参照标准（参照新编机械设计手册［13］表9-4）确定。
由于轴的长度比较大，所以在轴的底端也需要。
3.7主要零部件的装配尺寸要求：
3.7.1主体的选材
主体零件的材料一般为HT200-400灰口铸铁。
灰口铸铁有较好的耐磨性、吸振性和良好的铸造性、可加工性，而且价格低廉。
当负荷较大时，可以用ZG200-400、ZG230-450铸钢。
主体零件的毛坯一般都是铸件，因为铸造的方法容易获得复杂的形状、内腔和必要的加强筋、凸边、凸台等。
铸造毛坯的生产视生产批量而定，单件小批量生产采用木模砂型手工造型，毛坯精度低，加工余量大；
大批量生产的时候，常采用金属模机器造坯，毛坯的精度高，加工的余量小。
为消除铸件内应力对机械加工性能的影响，应该安排退火工序或者时效处理。
根据分析，主体采用ZG235进行铸造，铸坯以后经退火处理。
在进行主体的结构设计的时候，由于空心轴与主体的位置关系以及已知主体的内壁位置，所以可以确定主体的外部轮廓。
主体的内部轮廓各个部分的尺寸根据选择好了的轴承与主体内壁的装配以及轴与主体的装配关系进行确定。
为了提高主体的强度和刚度，一般来说，可以采用增加壁厚和设置肋两种方法。
但是增加壁厚的方法并非在任何情况下都能见效，即使见效，也多半不符合经济原则，所以在这里，就采用设置肋的方法来提高主体的强度和刚度。
为了保证拆卸维修的时候，空心轴不直接与地面接触，设计的主体底部凹进去的部分比空心轴伸出部分的尺寸要长。
对于螺栓头以及螺母的支撑面需要设计沉头座，并且铣平，一般取下凹深度为2-3mm，设计的主体的凸台上的沉头座就是按照这一原则加工的。
下图为主体的结构示意图。
第4章 闸阀壁厚和阀杆的的校核
4.1闸阀壁厚的校核
由GB1224-89里规定，公称直径为80mm，25Mpa的阀门壳体（包括阀体与阀盖）所需要的最小壁厚为23.8mm，这里取24mm。
由计算式计算出的最小壁厚为：
4.1.1阀杆的校核
密封状态双闸板的受力分析：
密封状态下双闸板受力如图所示：
闸板1在F、N和阀体底部对闸板的作用力的共同作用下处于平衡状态,其中F是进口端介质对闸板的工作载荷,闸板2使闸板1产生正压力N来平衡工作载荷F。
N是闸板1与闸板2之间的作用力与反作用力。
闸板2受P、F′和N′力的共同作用处于平衡状态,其中F是右阀座对闸板2的作用力,P是阀杆对闸板2的作用力,N′是闸板1与闸板2之间的作用力与反作用力。
在闸板1与左阀座处于临界密封状态下时，进口端闸板受介质的力为F,则在密封状态下，为了保证闸阀有足够的密封力，要求进口端闸板受到密封圈的力至少要有0.5F，则出口端闸板受到密封圈的力为1.5F：
其中P实为密封状态下阀杆需要对闸板2施加的力。
P临为处于临界密封状态下时，阀杆对闸板2施加的力。
强度计算：
阀杆强度必须满足
（
为阀杆危险截面直径。
在设计中是取26mm。
）
阀杆材料的最大容许应力为440MPa安全系数n为2.5所以[σ]为176MPa，dF≥00000000000000mm
阀杆稳定性计算：
阀杆的稳定性与与柔度λ有关，
λ为阀杆的柔度
为阀杆的计算长度单位mm
i为阀杆的惯性半径单位mm
i=
是与阀杆两端支承状况有关的支承系数，
取
=0.5因为阀杆材料为1Cr13
所以阀杆稳定，不需要稳定性计算。
当
>
40时，那就必须进行相关的计算。
如果
时要满足：
a和b与材料有关，a=544.2，b=2.36，
78.2时满足：
E为材料的弹性模量，1Cr13的E=200GPa。
经计算校核，阀体和阀杆均是安全可靠的。
第5章 建模
校核计算所设计的各部分零件满足强度要求以后，为了进一步展示零件的特征和零件与零件之间的装配关系，在本章运用solid
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