插板阀的结构设计
经典qq心情-
毕
专
业：<
/p>
班级学号：
学生姓名：
指导教师：
业
设
计
机械设计制造及其自动化
机自
0812
洪平
吕天
讲师
二〇一二年六月
本科生毕业设计
插板阀的结构设计
The Design and Motion Simulation of
Opened
Gate Valve
专业班级：机自
0812
学生姓名：
洪平
指导教师：
吕天
讲师
系
别：机械工程学院
2012
年
06
月
摘
要
阀门是一种机械装置，用于在闭式管路如管道和管线内流体的截断或进、出的流量
控制。
本文主要介绍了敞开式插板阀的结构特点
、工作原理并对主要构件进行设计和校
核计算，
并以
CAD/CAM/CAE
集成化软件
Solidw
orks
为设计平台，进行了敞开式插板阀
的建模、装配、运动
仿真，对阀体尺寸和结构进行优化。通过
Solidworks
强大完善的功
能对阀门进行运动仿真分析，缩短了产品的设计周期，减少了软件间的数据
交换。整个
阀门从建模、装配、运动仿真到优化设计在同一个软件中进行，减少了物理样
机的制造、
试验等过程，提高了工作效率，缩短了产品的设计周期。
关键词
：
插板阀；
Solidworks
；运动
仿真
ABSTRACT
A valves is a
mechanical device to shut off flow or control the
rate of flowing into, or out of
such
enclosed
conduits
as
piping
and
This
paper
introduced
the
character
structure
and operating principle of open-type
gate valve, which to design and check analog with
the major
part, with the platform of
CAD
／
CAM/CAE integrated swith
the result that the dimension and
structure of valve body
are
optimized.
The
advantage of
the powerful functions of Solidworks
software
is
made
to
ody
are
optimized.
Entity
valve
from
modeling,
assembling,
motion
simulation
and
optimality
design
will
be
processed
in
the
same
software.
That
shortens
the
process
of
manufacture
and
test
for
physical
prototype,
improves
efficiency
and
reduces
the
product design period.
Keywords
：
Open-wide Gate Valve;
Solidworks; Mmotion and Simulation
目
录
1
绪
论
.
.........................................
..................................................
.....................
1
1.1
介绍几种插板闸阀的结构特点
..................................................
......................................
1
1.1.1
联动组合式插板阀
...................
..................................................
.............................
1
1.1.2
中心推杆式插板阀
...................
..................................................
.............................
1
1.1.3
电动扇形插板阀
....................
..................................................
................................
2
1.1.4
封闭式插板阀
.....................
..................................................
...................................
3
1.2
Solidwork
介绍
.....
..................................................
..................................................
.......
3
2
敞开式插板阀设计
.......
..................................................
.....................................
5
2.1
敞开式插板阀结构介绍
.................
..................................................
.................................
5
2.2
阀门主要零件材料
...................
..................................................
.......................................
5
2.2.1
阀体、阀盖和阀板（阀瓣）的材料
............
..................................................
........
5
2.2.2
密封面材料
......................
..................................................
......................................
6
2.2.3
阀杆和阀杆螺母材料
..................
..................................................
..........................
7
2.2.4
紧固件、填料及垫片材料
..................................................
....................................
8
2.3
敞开式插板阀设计参数及整体构思
............
..................................................
..................
9
2.4
阀门通用部分计算式
...
..................................................
.................................................
1
0
2.4.1
壁厚计算式
.....
..................................................
..................................................
...
1
0
2.4.2
密封圈比压计算
...
..................................................
...............................................
1
1
2.4.3
阀杆强度计算
....
..................................................
..................
错
误！未定义书签。
2.4.4
阀杆稳定性验算
...
..................................................
...............
错
误！未定义书签。
2.4.5
闸板厚度计算
....
..................................................
..................
错
误！未定义书签。
2.4.6
阀杆与阀杆螺母中梯形螺纹强度计算
................................
错
误！未定义书签。
2.4.7
阀体压盖强度验算
..
..................................................
............
错
误！未定义书签。
2.4.8
支架强度计算
....
..................................................
..................
错
误！未定义书签。
3
传动装置设计
< br>............................................... ..........................
错误！未定义书签。
3.1
电动机的选择
.....................
..................................................
...........
错
误！未定义书签。
3.1.1
电动装置的输出转矩与转速
................................................
错
误！未定义书签。
3.2
电动装置结构设计
....
..................................................
....................
错
误！未定义书签。
3.3
阀门操作转矩的确定
...
..................................................
.................
错
误！未定义书签。
3.3.1
插板阀操作转矩的计算
..................................................
......
错
误！未定义书签。
3.3.2
计算过程的分析
...
..................................................
...............
错
误！未定义书签。
4
基于
S
olidWorks
的敞开式插板阀设计
...............................
错误！未定义书签。
4.1
插板阀结构设计
....................
..................................................
........
错
误！未定义书签。
4.1.1
创建阀体实体
....
..................................................
..................
错
误！未定义书签。
4.1.2
创建阀板实体
....
..................................................
..................
错
误！未定义书签。
4.1.3
创建阀杆实体
....
..................................................
..................
错
误！未定义书签。
I
4.1.4
创建阀杆螺母实体
...................
.............................................
错
误！未定义书签。
4.2
敞开式插板阀的装配设计
.
..................................................
...........
错
误！未定义书签。
4.2.1
创建电动装置装配图
.
..................................................
.........................................
1
3
4.2.2
创建插板阀总装配体
.
..................................................
.........................................
1
4
4.3
SolidworksCOSMOSMotion
的运动仿真介绍
.........................
..................................
1
5
4.3.1
运动仿真介绍
....
..................................................
..................................................
1
5
4.3.2
机构的组成
.....
..................................................
..................................................
...
1
5
4.3.3
机构自由度的计算
..
..................................................
............................................
1
6
4.4
插板阀
Solidworks
运动仿真
的具体步骤
.
..........
..................................................
.........
1
6
4.4.1
整体仿真过程的安排
.
..................................................
.........................................
1
7
4.4.2
仿真设置
......
..................................................
..................................................
......
1
8
结
论
.
...
..................................................
..................................................
.............
22
参考文献
.
..................................................
..................................................
..............
23
附录
英文
原文
.....................................
..................................................
................
24
致
谢
.
.........................................
..................................................
.......................
27
II
2008
届本科生毕业设计
1
绪
论
在各种类型的阀门中，闸阀是应用
最广泛的一种。插板阀是闸阀中的一种
,
敞开
< br>式插板阀的阀板和阀杆是外露的，
通过阀杆螺母的旋转运动传递给阀杆做直线行程
运
动带动阀板的启闭。
敞开式插板阀可应用于大型管道启闭控制
的装置。
其驱动形式包
括电动气动手动或者和驱动综合使用。其
优点主要为重量轻
,
占用空间尺寸小
,
密封性
好
,
操
作维护方便、
抗腐蚀、
寿命长、
阀板滑
动灵活的特点。
本设计主要基于
Solidworks
的模块设计和运动仿真。
本文就是介绍一下如何应用
Solidworks
软件建立其三维实体
模型和虚拟的机
械系统装配模型，
然后应用运动分析模块创建运动方案和运动环境对
其进行运动仿真分析，
对其结构设计和性能参数进行优化，
从而不需要通过实物实验
就可以进行产品的优化设计，降低产品开发费用、缩短开发周期
。
1.1
介绍几种插板闸阀的结构特点
1.1.1
联动组合式插板阀
该运行中的不同步及传动机构繁复等技术问题，可用来替代现有的插板阀
。其
具体图片如下：
图
1.1
联动式插板阀
1.1.2
中心推杆式插板阀
该阀门适用于冶金
、化工、市政系统的煤气管道，是一种理想的气体隔断设备。
特点：结构紧凑，机械传动效率高，体积小。与传统敞开式插板阀相比，顶开、压紧
机构
大大简化，
彻底解决了传统插板阀多条丝杠运行中的不同步及传动机构繁复等技
术问题，用来代替现有的插板阀。
1
2008
届本科生毕业设计
图
1.2
中心推杆式插板阀
1.1.3
电动扇形插板阀
阀门的使用范围：适
用于冶金、矿山、化工、市政、电力等行业的煤气、空气管
道，是一种理想的气体隔断设
备。
阀门的特点
< br>：采用防爆电动装置，链式转动，并
附有手动、运转灵活，密封胶圈在阀板上密封
可靠，便于更换，同时可远距离遥控。
阀门实体照片如下
图
1.3
电动扇形插板阀
2
2008
届本科生毕业设计
1.1.4
封闭式插板阀
适用介质：煤气及有毒、有害、易燃气体
该阀适用于冶金、化工、市政系统的
煤气管线，供管道可靠隔断之用。
图
1.4
封闭式插板阀
1.2
Solidwork
介绍
Solidwork
以其强大业，可以方便的与其它
cad
软件进行数据交换，这就在某种
程度上加快了设计的开
发进程。
并且它能保证图面的真实性和效果的正确性，
缩短设<
/p>
计开发周期，有效支持模具加工与产品生产。
1
、用户界面
SolidWorks
软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，但
SolidWorks
公司
还是努力地改进软件的用
户界面，使得设计工作更加自动化。
Solidworks
去掉
了一些
多余的对话框，
而以隐含的右键菜单所代替，
最明显的是能够将特征管理器沿水平拆
分。
这使得
进行某些特殊命令操作时，
如检查装配关系，
而不会迷失在特征
树的位置。
这对于大型装配体和复杂零件的操作也非常重要，
因
为零件复杂以后，
特征管理树会
很长，
有时很难同时观察特征树的最上端和特征树的最下端。
有了特征管理器的拆分
功能，这一切都成为可能。
2
、大型装配
用户不仅用
SolidWorks
软件来解决一般的零部件设
计问题，越来越多的用户开
3
2008
届本科生毕业设计
始用
SolidWorks
软件处理系统级的大
型装配设计，对大型装配体上载的速度也是要
求越来越高。
面对
用户的需要，
SolidWorks
公司的研发部门设法从不同
的角度对大型
装配体的上载的速度进行了改进，
包括分布式数据
的处理和图形压缩技术的运用，
使
得大型装配体的性能提高了几
十倍。
在新版中，
还增加了智能装配
功能，
能够在装配过程中自动捕捉装配关系，
而无
须用户另行指定。在装配过程中，还新增加了球面的配合关系和圆锥面的配合关系，
< br>这就使得将球插到孔里的操作变得更加容易。
Soli
dworks
是一个非常优秀的软件产品。
SolidWork
s
公司在技术上的投入和技术
的先进性不断保持
SolidWorks
软件在机械三维设计领域的领先地位。
< br>
4
2008
届本科生毕业设计
2
敞开式插板阀设计
阀门作为管道系统
中的一个重要组成部分，
应保证安全可靠地执行管道系统对阀
门
提出的使用要求。本次设计的敞开式插板阀其基本参数如下：
1
、公称直径：
1200mm
2
、电动插板式闸阀适用于高炉热风炉系统的烟道、冷风、助燃空气、
燃烧及煤
气等管道，可对烟气、煤气、空气进行有效地切断。
3
、驱动方式：采用电机驱动。
4
、电动敞开式插板阀压力：
0.25MPa
5
、适用温度：
≤
25
℃
6
、阀体材质为铸钢
7
、适用介质：含尘高炉煤气
2.1
敞开式插板阀结构介绍
敞开式插板阀为敞开式设计结构，具有重量轻，易维护（密封胶圈更换、电液动
装置维护检查、更换、阀门的局部维护均在外部，不影响阀门正常运行）
，阀
门的运
动过程、
开关状态直观性好，
启
闭后检查完成状态极为方便，
具有封闭式不可替代的
优越，
缺点是启闭时有少量的煤气外漏。
现今流行的控制方式包括手动、<
/p>
电动、
液动、
混合控制的控制方式，其中
比较流行的方式为电动。
2.2
阀门主要零件材料
制造阀门零件材料很多，
包括各种不同牌号的黑色金属和有色金属及其合
金、
各
种非金属材料等。
工作介质的压力、温度和特性。
该零件的受力情况以及在阀门结构中所起作用。
有较好的工艺性。
在满足以上条件情况下，要有较低的成本。
制造阀门零件的材料要根据下列因素来选择：
2.2.1
阀体、阀盖和阀板（阀瓣）的材料
阀
体、阀盖和闸板（阀瓣）是阀门主要零件之一，直接承受介质压力，所用材料
5
2008
届本科生毕业设计
必须符合“阀门的压力与温度等级”的规定。常用材料有下面几种：
一、灰铸铁：灰铸铁适用于公称压力
PN
≤
1.0MPa
< br>，温度为－
10
℃～
200
℃的水、
蒸汽、空气、煤气及油品等介质。灰铸
KTH330
—
08
、
KTH350
—
10<
/p>
。
鉴于目前国内工艺水平，以及有关数据资料显示，建议
PN
≤
2.5MPa
，阀门还是
采用钢制阀门为安全。因此本设计的插板阀的阀体、阀盖用铬钼铸钢（
ZGCr5Mo
）
材料。
2.2.2
密封面材料
阀门的密封面是指阀座与关闭件互相接触而进行关闭的部分它是阀门最关键的
工作面。
由于阀门在使用过程中密封面在进行密封中要受到冲刷和磨损，
所以阀门的
密封性能随使用时间而减低。
因此
，
密封面质量的好坏关系到阀门的使用寿命，
通常
密封面材要考虑耐腐蚀，耐擦伤，耐冲蚀，抗氧化等因素。
通常分两大类：
软质材料
即软密封
1
、
橡胶（包括丁睛橡胶，氟橡胶等）
2
、
塑料（聚四氟乙烯，尼龙等）
在使用
软密封面中，
接触的两密封面可以单独，
也可全部使用如塑料，
橡胶这样
的软质材料。
由于这种材料性
能，
使接触面容易配合，
故软质密封的阀门能达到极高
程度的密封性。
而且这种密封性可以重复达到。
缺点是这种材料受到介质适应性及使
用温度的限制。
软质密封材料有时会受到异常升压的限制，
压缩产生的热量足以使软质密
封材料
脱落。
表
2
－
4
列出可能产生温度升高的范
围，
该表是开始处在大气压下
15
摄氏
度的氧
气受到突然压缩后试验确定的温度升值。
表
2
－
4
温度升高值
压力突然升高
值
/MPa
2.5
5
10
硬密封材料
即金属密封
6
温度升值
/
℃
375
490
630
压力突然升高
值
/MPa
15
20
温度升值
/
℃
730
790
2008
届本科生毕业设计
1
、
铜合金（用于低压阀门）
2
、
铬不锈钢（用于普通高中压阀门）
3
、
司太立合金（用于高温高压阀门及强腐蚀阀门）
4
、
镍基合金（用于腐蚀性介质）
2.2.3
阀杆和阀杆螺母材料
<
/p>
阀杆在阀门开启和关闭过程中，承受拉、压和扭转作用力，并与介质直接接触，
同时和填料之间还有相对的摩擦运动，
因此阀杆材料必须保证在规定温度下
有足够的
强度和冲击韧性，有一定的耐腐蚀性和抗擦伤性，以及良好的工艺性。
常用的阀杆材料有以下几种。
一、碳素钢
用于低压和介质温度不超过
300<
/p>
℃的水、
蒸汽介质时，
一般选用
A5
普通碳素钢。
用于中压和介质温度不超过
450<
/p>
℃的水、
蒸汽介质时，
一般选用
35
优质碳素钢。
二、合金钢
用于中压和高压，介质温度不超过
450
℃的水、蒸汽、石油
等介质时，一般选用
40Cr
（铬钢
）
。
用于高压、
介质温度不超过
540
℃的水、
蒸汽等介质时，
可选用
38CrMoALA
渗
氮钢。
用于高压、
介质温度不超过
570
℃的蒸汽介质时，
一般选用
25Cr2MoV
A
铬钼钒
钢。
三、不锈耐酸钢
< br>用于中压和高压、介质温度不超过
450
℃的非腐蚀性介
质与弱腐蚀性介质，可选
用
1Cr13
、
2Cr13
、
3Cr13
铬不锈钢。
用于腐蚀性介质时，可选用、
Cr1
8Ni12Mo2Ti
、
Cr18Ni12Mo3Ti
等不锈耐酸钢和
PH15-7Mo
沉淀硬化钢。
四、耐热钢
用于介质温度不超过
600
℃的高温阀门时，
可选用
4Cr10Si2Mo
马氏体型耐热钢
和
4Cr14Ni14W2Mo
奥氏体型耐热钢。
阀杆螺母在阀门开
启和关闭过程中，
直接承受阀杆轴向力，
因此必须具备一定的<
/p>
强度。同时它与阀杆是螺纹传动，要求摩擦系数小，不生锈和避免咬死现象。
五、铜合金
铜合金的摩擦系数较小，
不生锈，<
/p>
是目前普遍采用的材料之一。
对于
Pg<1.6Mpa
的低压阀门可采用
ZHMn58-2-2
铸黄铜。对于
Pg16-6.4Mpa
的中压阀门可采用
ZQAL9-4
无锡青铜。对于高压阀门可采用
ZHAL66-6-3-2
铸黄铜。
7
2008
届本科生毕业设计
2.2.4
紧固件、填料及垫片材料
一、紧固件材料
< br>紧固件主要包括螺栓、
双头螺栓和螺母。
紧固件在阀门上
直接承受压力，
对防止
介质外流起关重要作用，
因此选用的材料必须保证在使用温度下有足够的强度与冲击
韧性。选用合金钢材
料时必须经过热处理。对紧回件有特殊耐腐蚀要求时，可选用
Cr17Ni2
、
2Cr13
、
1Cr1
8Ni9
等不锈耐酸钢。
二、填料材料
在阀门上，
填料是用来充填阀盖填料室的空间，
以防止介质
经由阀板和阀盖填料
室空间泄漏。
填料可分为软质填料及硬质填料两种：
1
、软质填料：系由植物质，即大麻
、亚麻、棉、黄麻等，或由矿物质，即石棉
纤维，
或由石棉纤维
内夹金属丝和外涂石墨粉等编织的线绳，
也有压成的成型的填料，
以及近年来新发展的柔性石墨填料材料。
植物质填料较便宜，
常用于
100
℃以下的低压阀门；
矿物质填料可用于<
/p>
450-500
℃
的阀门。
近年来使用橡胶
O <
/p>
型圈做填料的结构在逐步推广，但介质温度一般限制在
60
℃
下。
高温高压阀
门上的填料也有采用纯石棉加片状石墨粉压紧而成的。
1
）油浸石棉绳；
2
）橡胶石棉绳；
< br>3
）石墨石棉绳：石棉绳上涂有石墨粉，可用温度
450
℃以上，压力可以达到
16Mpa
，一般适用于高压蒸汽上。近后来又逐步采用了压
成人字型填料，单圈放置，
密封性好。
4
）聚四氟乙烯：这是一种目前使用
较广的一种填料。特别适用腐蚀性介质上，
但温度不得起过
200
℃。
三、垫片材料
垫片是用来充填两个结
合面（如阀体和阀盖之间的密封面）间所有凹凸不平处，
以防止介质
从结合面间泄漏。
1
、对垫片的要求
垫片材料在工作温度下具有一定的弹性和塑性以及足够的强度
，
以保证密封。
同
时要具有良好的耐腐
蚀性。
2
、垫片材料的种类和选择
金属垫片的材料一般用
08
、
10
、
20
优质碳素钢和
1Cr13
< br>、
1Cr18Ni9
不锈钢，
加工精度和表面光洁度要求较高，适用于高温高压阀门。
非金属垫片材料一般塑性
8
2008
届本科生毕业设计
较好，用不大的压力就能达到密封。适用于低温低压阀门。
综合以上材料总结，
根据本次设计的
插板阀阀体的工作压力、
工艺流体、
温度等
进行主要零件材料的选用见表
2
－
5
。
<
/p>
表
2
－
5
插板阀门主要零件材料
零件名称
阀体、
阀盖、
支架
材料名称
铬钼铸钢
铬钼钒铸钢
铬钼钢
NiCu
合金
牌号
ZGCr5Mo
ZG20CrMoR
G15Cr1Mo1V
1Cr5Mo
NiCu
、
2
GB/T1221-199
2
布
氏
硬
度
250HB
标准号
GB/T8492-200
阀杆
2.3
敞开式插板阀设计参数及整体构思
本设计的敞开式插板阀主要参数如下：
1
：公称通径
DN
：
1200mm
；
2
：公称压力：
0.25Mpa
；
3
：适用温度：
≤
250
摄氏度；
4
：适用介质：含尘高炉煤气；
5
：驱动方式：电动。
其中阀板为竖直升降线性运动确定了阀体为长方形截面结构，
通过联接器将阀
板
与阀杆连接在一起，
在阀门的启闭过程中阀杆与阀板是连与一
体进行直线运动。
电动
机构通过传动装置将传动输至输出轴套上
，
阀杆螺母安装与输出轴套上，
这样就能通
过阀杆螺母的旋转运动传递给阀杆使阀杆做直线行程。
本次设计的敞开式插板阀的结
构如下图
3.1
所示。
9
2008
届本科生毕业设计
1
－阀体
2
－阀板
3
－闸板
4
－密封圈
5
－填料函
6
－填料压套
7
－连接阀板的
螺母
8
－连接器盖螺栓
2.4
阀门通用部分计算式
2.4.1
壁厚计算式
本次设计的敞开式插板阀的阀杆属于矩形截面阀体，
其阀体的壁厚计算式
（图
2
－
1
和表
2
－
1
）
10
2008
届本科生毕业设计
图
2
－
1
阀体截面
表
2
－
1
阀体壁厚计算
序
号
1
名称
符号
式中符号
公式或索引
单位
最大合成应力（
A
点）
A
B
3
p
Pa
2
2
(
K
a
)
t
B
C
(
t
B
C
)
2
3
p
Pb
2
2
(
K
b
)
t
B
C
(
t
B
< br>C
)
2
PN
设计给定，
0.25MPa
MPa
2
3
最大合成应力
(B
点
)
计算压力
P
MPa
MPa
注：
A
≤
L
，
B
≤
Y
，
B
≤
L
< br>，
A
≤
Y
为
合格。
2.4.2
密封圈比压计算
计算图形及参数见（
图
2
－
1
和表
2
－
2
）
11