k301單座調(diào)節(jié)閥畢業(yè)論文

1、采大學(xué)畢業(yè)論文作 者： 郝永吉 學(xué)號：2014412040108學(xué)院：機械工程學(xué)院專業(yè)：機電一體化技術(shù)題0： k301單座調(diào)節(jié)閥設(shè)計指導(dǎo)者： 張筱潔副教授評閱者：2017年6月 吉林題目：k301單座調(diào)節(jié)閥設(shè)計摘 要工程自動控制和儀器為我國國民經(jīng)濟和每個部門重要基礎(chǔ)技術(shù)裝備。在生 產(chǎn)過程中，調(diào)節(jié)閥在弱動力級和執(zhí)行流動流體控制所需的強動力級功能之間， 實現(xiàn)了必需的能量擴大功能，為控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，對維續(xù)現(xiàn)代 工程制造的產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約成木，降低功耗，提升效益相當(dāng)重要。木課題在詳細調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)外目前調(diào)節(jié)閥技術(shù)的發(fā)展情況和 已有調(diào)節(jié)閥的性能水平。通過對國外調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的技術(shù)特點與

2、優(yōu)勢的調(diào)研，舉 例指出了現(xiàn)階段傳統(tǒng)單座調(diào)節(jié)閥的缺點和短板。根據(jù)實際工況和我國工業(yè)生產(chǎn) 的特點，引進國外單座調(diào)節(jié)閥的領(lǐng)先科技，研發(fā)出新式的更適合現(xiàn)代工業(yè)需求 的單座調(diào)節(jié)閥。木課程設(shè)計主要攻克的關(guān)鍵技術(shù)為：閥體內(nèi)采用s型介質(zhì)流通 方案，因為流線式流道可以明顯降低壓降損耗，并使閥體通流性能增強。閥體 內(nèi)主要零件設(shè)計，降低調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體泄漏，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少制造成木。提供更 高的流量可調(diào)范圍。相信不遠的未來，隨著各方面技術(shù)的不斷進步和提高，將有更多創(chuàng)新技術(shù) 的調(diào)節(jié)閥問世。目 錄觀i第1章緒論-1-1.1 問題的提出-1 -1.2單座調(diào)節(jié)閥設(shè)計的目的及意義-1 -1.3國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平概況-2-1.4論文

3、的主要內(nèi)容-3-第2章調(diào)節(jié)閥總體方案的設(shè)計計算-5-2.1閥體形式的選擇與設(shè)計-5-2.1.1閥體結(jié)構(gòu)形式-5-2.1.2壁厚的選擇與計算-7-2.2閥體連接形式的選擇與設(shè)計-9-2.3上閥蓋設(shè)計-9-2.4閥芯設(shè)計-10-2.5閥芯導(dǎo)向型式-11-2.6閥座設(shè)計-11-2.7閥桿設(shè)計-11-2.8執(zhí)行機構(gòu)的選擇及內(nèi)零件簡介-12 -第3章單座調(diào)節(jié)閥的流s特性及其選擇-16-3.1可調(diào)范圍-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章調(diào)節(jié)閥的發(fā)展與展望-21-街侖-22-醐-23-詩捕-24-第1章緒論1.1問題的提出現(xiàn)代化工業(yè)主要以先進的

4、自動化生產(chǎn)為基礎(chǔ)。根據(jù)自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷程 和技術(shù)革新來分析，控制技術(shù)的創(chuàng)新和進步意義重大。雖然多種新型的控制技 術(shù)接連涌現(xiàn)，但是最核心的控制技術(shù)不會改變。不斷更新?lián)Q代的只是技術(shù)工具。 傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制方式已不能完善的調(diào)控現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)用模擬電路、 數(shù)字化過程控制、微機編程軟件控制等先進技術(shù)的應(yīng)用進行創(chuàng)新?，F(xiàn)代數(shù)字化 儀表的研制和應(yīng)用加快了工業(yè)自動化的腳步。代表性的自動化控制系統(tǒng)主要分 為三個部分：檢測、控制和執(zhí)行?，F(xiàn)階段，數(shù)字技術(shù)與微型處理器技術(shù)對監(jiān)測 與控制技術(shù)的影響巨火，對相關(guān)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域帶來的促進作用已是眾所周知， 尤其是為成產(chǎn)過程提供控制的產(chǎn)品調(diào)節(jié)閥，更有飛速的進步。雖然傳統(tǒng)的

5、調(diào)節(jié) 閥產(chǎn)品已經(jīng)投入到工業(yè)成產(chǎn)屮，但現(xiàn)代化工業(yè)所需的是更為優(yōu)秀的調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品, 所以如何生產(chǎn)出適用于現(xiàn)代機電一體化控制技術(shù)的單座調(diào)節(jié)閥，并能提高調(diào)節(jié) 閥的質(zhì)量等級，更有效更安全地進行操作，更充分地利用與節(jié)約能源和保護生 態(tài)環(huán)境，都將給調(diào)節(jié)閥的設(shè)計提出新的課題，人們己經(jīng)對調(diào)節(jié)閥的設(shè)計提出更 嚴格、更高標準的設(shè)計要求。放眼未來，人們將要面對的難題還會很多，例如生產(chǎn)原料供應(yīng)不足，煤、 石油、天然氣等化石能源的越用越少。人類社會對生產(chǎn)力的需求。人們對好的 工作條件的需求。人類社會的可持續(xù)發(fā)展等。為解決這些與人類生活息息相關(guān) 問題，都要改善和改造原有的過程控制系統(tǒng)，或是創(chuàng)造出更先進的過程控制元 件，而這樣

6、的控制系統(tǒng)的誕生就要求有更先進的調(diào)節(jié)閥技術(shù)1。1.2單座調(diào)節(jié)閥設(shè)計的目的及意義提升調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量、功能和適用范圍，對現(xiàn)代化工業(yè)的意義非同尋常，而 生產(chǎn)制造出可以適合各個方面要求的新型調(diào)節(jié)閥則是當(dāng)務(wù)之急。因單座調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)形式的限制，其只能在大部分工況中適用。本課題設(shè)計目的是使單座調(diào)節(jié) 閥向著現(xiàn)代化工業(yè)所需求方向設(shè)計：穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品質(zhì)量，安全便捷的操作。在成產(chǎn)過程控制中，調(diào)節(jié)閥與控 制管路中的流體相直接接觸，如果發(fā)生故障，后果十分嚴重。在石油工業(yè)中， 再整條生產(chǎn)線中，多種生產(chǎn)設(shè)備密集地集中檢測與調(diào)制。多數(shù)操控都是在高溫 低壓或高溫高壓中完成的，介質(zhì)大部分為易燃易爆的油品。因此，調(diào)節(jié)閥的安 全可靠和

7、防火防爆性能應(yīng)該受到高度重視。在化工廠內(nèi)，過程控制更為復(fù)雜， 溫度、壓力、流量和液體位置的四大熱工變量對調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量要求更為苛刻。 在電力生產(chǎn)中，火力發(fā)電廠耍對鍋爐進行控制，鍋爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)對水位的控制， 都要求調(diào)節(jié)閥具冇高的控制精確度與控制的靈敏性。自然生活環(huán)境的保護與資源的充分利用也是調(diào)節(jié)閥設(shè)計中應(yīng)該考慮的問題。調(diào)節(jié)閥可能對環(huán)境造成人氣污染和噪?yún)鸬葐栴}，所以本課題的設(shè)計應(yīng)解決 或改善以下問題。第一，設(shè)備泄漏直接造成了原料與能源浪費，并造成環(huán)境的 污染，對員工的健康造成威脅，還可能引起重大安全事故。大氣污染的防止， 要求閥座密封良好。因此，密封方法與材料的選用應(yīng)該達到密封要求。當(dāng)流通 介質(zhì)存在毒

8、性時，如一氧化氮、二氧化硫等介質(zhì)，就應(yīng)用波紋管密封或更安全 可靠的密封方法。第二，調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)中，噪音污染比較嚴重。因為調(diào)節(jié)閥的 應(yīng)用一定會造成流體壓強降低。速度變化與閥體振動，所以噪聲不可避免，在 過程控制中，電動機、葉片、變速器、煤爐、調(diào)節(jié)閥等，調(diào)節(jié)閥的噪音a比例 較大。所以本課題研究的0的是要控制它的噪音等級的大小?，F(xiàn)如今社會對能源的消費和需求越來越大，人們也在尋找節(jié)約傳統(tǒng)能源和 制造新能源途徑，所以單座調(diào)節(jié)閥還要以節(jié)約能源和適應(yīng)于新能源為0的方向 設(shè)計和制造。也只冇這樣才能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)制造業(yè)的資源節(jié)約與新能源的應(yīng)用 需求，同時還能為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本。1.3國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平概況全球閥門

9、市場總值約為400億美元。隨著歷史的發(fā)展，工業(yè)自動化成度的 提高調(diào)節(jié)閥的技術(shù)水平也突飛猛進，從原理較為簡單的自力式穩(wěn)壓器發(fā)展到全 智能數(shù)字化的控制閥，大約歷經(jīng)100年的時間。目前調(diào)節(jié)閥在工業(yè)生產(chǎn)中地位 己非常重耍，自簡易的熱互換器溫度調(diào)節(jié)閥到復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)的正常工作，都 必須要有調(diào)節(jié)閥的調(diào)控。以下列舉了兩個調(diào)節(jié)閥技術(shù)較為發(fā)達的國家和我國的 調(diào)節(jié)閥發(fā)展過程。美國是全球經(jīng)濟高度發(fā)達的國家，一直以來是的閥門生產(chǎn)制造強國。在第 二次世界大戰(zhàn)后期成產(chǎn)研發(fā)了大約全世界一半的閥門，但后來由于其他國家閥 門自產(chǎn)能力的提高美國閥門產(chǎn)品在世界上的比例呈減少趨勢。近幾年美國閥門 行業(yè)增長甚微，某些增長因素被某些行業(yè)

10、的萎縮相抵消了，雖然如此，美國閥 門公司依然占據(jù)了全球閥門市場的40%otyco國際公司是美國一家全球五百 強企業(yè)，其下屬的tyco流體控制公司是世界最大的閥門、執(zhí)行器生產(chǎn)企業(yè)， 此公司名下有六十多個自主的品牌，可以制造最完備的調(diào)節(jié)閥類成品，擁有完 善的閥門調(diào)控技術(shù)鏈條。美國的flowserve公司為世界最早的可以0主研發(fā) 流體控制元件和相關(guān)維護與更新服務(wù)的公司。其最早研發(fā)了調(diào)節(jié)閥頂部導(dǎo)向和 底部導(dǎo)向技術(shù)，最早研發(fā)了首臺通用調(diào)節(jié)閥，最早發(fā)明了用于控制閥口徑計算 與工作過程中可以準確的測量其噪聲的方法。大大簡化了閥門口徑的設(shè)計概念。英國是最先完成i:業(yè)化的國家，是世界i:業(yè)制造業(yè)基地。在閥門的國

11、際貿(mào) 易中英國的閥門銷量處于領(lǐng)先地位，兒乎全部的制造廠在閥門設(shè)計和制造方面 都應(yīng)用了自動設(shè)計系統(tǒng)與工藝過程自動化控制系統(tǒng)。其中英國abb公司為研發(fā) 與生產(chǎn)控制閥門的技術(shù)處于領(lǐng)先地位，如今也是歐洲最大的控制閥生產(chǎn)企業(yè)之 一。hopkingsans歷經(jīng)近半個世紀的積累與發(fā)展，閥門研發(fā)經(jīng)驗也非常成熟。 英國的sparax公司，該公司歷史悠久，目前為全球最大的蒸汽系統(tǒng)閥門生產(chǎn) 和供應(yīng)商，其產(chǎn)品廣泛，主要有鍋爐控制系統(tǒng)、單項截流閥、自力式溫度壓力 控制閥、蒸汽疏水閥、凝結(jié)水回水泵、流速計、換熱器模塊、潔凈蒸汽機、截 止閥、止回閥等產(chǎn)品、氣動電動控制閥和控制器。我國在20世紀40年代，角形調(diào)節(jié)閥、蝶閥、隔

12、膜調(diào)節(jié)閥和球閥先后問世。 20世紀50年代，球閥的使用很受工業(yè)生產(chǎn)的歡迎。還使用三通閥替代兩臺單 座閥投入系統(tǒng)使用。20世紀60年代，套筒閥的研發(fā)很快受到重視且成為主流 產(chǎn)品。20世紀70年代，偏心旋轉(zhuǎn)閥問世。20世紀80年代中期，我國從r本引 進了 cv3000精小型閥。主要特點是小型化和高容量化。從此以后我國開始擁 有了自主研發(fā)的精小型閥類產(chǎn)品。20世紀90年代末，全功能超輕型調(diào)節(jié)閥問 世，這是首個由中國人自主研發(fā)的新種類閥門。21世紀，智能數(shù)字化閥門的問 世，為調(diào)節(jié)閥歷史掀開了嶄新的一頁。目前智能數(shù)字化調(diào)節(jié)閥的制造更能適應(yīng) 現(xiàn)代化工業(yè)的工況需求。電動調(diào)節(jié)閥和氣動調(diào)節(jié)閥，都能夠研制成智能化

13、控制 系統(tǒng)。氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)上配以全電子式閥位定位器，并用先進的電子元件 代替磁力馬達，就能夠應(yīng)用pid (比例一積分一微分)運算。先進的智能化調(diào) 節(jié)閥把閥體、執(zhí)行機構(gòu)、電氣轉(zhuǎn)換定位器結(jié)合在了一起，且配備現(xiàn)場顯示儀、 微機處理器、液位感應(yīng)儀、溫度、位置傳感儀、先進的數(shù)字量子輸入輸出電路 模塊。并可以與計算機和電腦傳輸數(shù)據(jù)端連接?，F(xiàn)行研制的智能數(shù)字化調(diào)節(jié)閥 己可以把全部控制系統(tǒng)整合在閥上，統(tǒng)一為一個完善地現(xiàn)場數(shù)字控制一體化系 統(tǒng)21。1.4論文的主要內(nèi)容(1) 論文分析了調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，針對調(diào)節(jié)閥的技術(shù)背景和發(fā)展趨勢 進改進與設(shè)計，并與傳統(tǒng)單座閥比較，分析其綜合性能，適用范圍及對實際使 用

14、工況的適用能力，提出單座調(diào)節(jié)閥的設(shè)計方向。(2) 對單座調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)形式的研究與優(yōu)化，制定設(shè)計內(nèi)容，優(yōu)化比較單座 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部主要零件，分析調(diào)節(jié)閥的適用工況環(huán)境，對閥內(nèi)主要零件分別進行 設(shè)計，提高其使用壽命與使用范圍，還要對核心元件地主要研究內(nèi)容設(shè)列數(shù)學(xué) 模型，進行理論分析與公式計算。(3) 對單座調(diào)節(jié)閥進行流量研究設(shè)計，并對各種流量特性經(jīng)行分析。關(guān)鍵 對閥體零件件進行殼體密封試驗、上密封試驗與整機密封試驗。在流量試驗中，根據(jù)兩類流量特性的試驗數(shù)據(jù)的分析計算，列出流量特性表格。(4) 對設(shè)計結(jié)果進行羅列研究，總結(jié)調(diào)節(jié)閥的工作表現(xiàn)和理論計算的偏差。 找出偏差成因，然后進行完善。(5) 通過本次課程設(shè)

15、計，對單座調(diào)節(jié)閥技術(shù)提出一些遇到的實際問題，并 表明看法。第2章調(diào)節(jié)閥總體方案的設(shè)計計算2.1閥體形式的選擇與設(shè)計單座調(diào)節(jié)閥是管路中關(guān)鍵的組成單位，確保調(diào)控管路系統(tǒng)的安全運行，要 對閥門的研制工作提出很多難題。所以，單座調(diào)節(jié)閥的研制一定要符合工作流 體的壓力、溫度、腐蝕等介質(zhì)工況條件對單座調(diào)節(jié)閥的使用要求。木課題中 k301單座調(diào)節(jié)閥設(shè)計應(yīng)滿足以下條件：(1) 閥門 口徑：100mm;(2) 壓力等級：4mpa；(3) 最大行程：30mm；(4) 適用于有沖刷、氣蝕等嚴峻條件的工況；(5) 泄漏量小，容易保證密封，泄漏量滿足標準ansib16.104iv要求；2.1.1閥體結(jié)構(gòu)形式目前單座閥閥

16、體應(yīng)用比較普遍，因為其結(jié)構(gòu)簡單，通流能力良好。單座閥 主要適用在閉合時密閉成度高的工況，可以實現(xiàn)本課題的設(shè)計適用條件。單座 閥體變化形式多，可通過改變閥a部件進行修改，用以減小或增大流通能力、 降低噪聲和改善氣蝕的設(shè)計要求。單座閥閥體型式能制造為直通式、角形、棒 形和分體式結(jié)構(gòu)。角形閥通常為單座閥。其主要適用水塔供水、制熱系統(tǒng)排水。因其體積較 小還可用于彎管的管道連接處。棒形閥體主要應(yīng)用于化工廠內(nèi)的具有高腐蝕性的管路介質(zhì)。主其要是用金 屬棒料和有機塑料研制生產(chǎn)。因為稀有金屬合金可以有效的抵抗腐蝕，鍛造棒 形閥體可以較鑄造閥體成本低。雙座閥閥體結(jié)構(gòu)一般較一樣門徑的單座閥閥體流通能力強，不過閥座的

17、閉 合等級僅能達到ii級。雙座閥閥體結(jié)構(gòu)主要適用石油化工調(diào)控高粘度的流體介 質(zhì)，或有顆粒、污染物和閥內(nèi)件有流體污染物的工況條件。三通閥體主要適用合流或分流工況條件。直通式閥體的材質(zhì)種類繁多，其門徑最大可為400mm,公稱壓力可以達到 ansi2500等級。閥體結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足大部分的工況要求，所以本課題k301 單座調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用直通式單座閥體結(jié)構(gòu)見圖2-1 o圖2-1單座閥閥體閥體材料選取多種多樣，主要看其工況條件的要求。單座閥閥體結(jié)構(gòu)簡單, 滿足多種的工況要求，且連閥體接端尺、j*大，介質(zhì)通道為流線型，維修簡單。 閥體流道采用s型設(shè)計，可有效減少壓降損失，大大增強通流能力。(2-1)式中：

18、f流通面積，/n2阻力系數(shù)；c一調(diào)節(jié)閥的通流能力；c值的大小與閥門的結(jié)構(gòu)有關(guān)。所以，調(diào)節(jié)閥的不同結(jié)構(gòu)形式，其阻力與通 流能力都不相同。如果閥體的流道設(shè)計不正確，阻力系數(shù)升高，調(diào)節(jié)閥的流 通能力也會減小。調(diào)節(jié)閥主耍有兩種阻力損失，第一是閥體流道的阻力損失，表示式為：2g(2-2)式中：一閥體流道部分阻力損失；v、. 一閥體流道總阻力系數(shù)； v 閥體流道內(nèi)流體平均流速;第二是節(jié)流部分局部阻力損失。從上式中可知，希望閥體流道阻力降低， 就一定要將阻力系數(shù)減小與流體流速下降，主要是流體速度。因為流速與阻力 損失成平方關(guān)系。之前的閥體通道，內(nèi)截面積較公稱通徑截面積小。因此，當(dāng) 流體流入閥體之后平均流速將

19、會升高，通道內(nèi)的各個部分的介質(zhì)速度或多或少, 流體流向也不停的改變，介質(zhì)還有可能在死角里形成渦流。當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流口 閥芯和閥座之間環(huán)隙的時候，流道面積減小，造成局部阻力系數(shù)久,增大，且流 速也開始升高阻力損失增大。木課題設(shè)計的閥體結(jié)構(gòu)，進u段管u逐漸擴大， 流道口截面積按一定比例逐漸變大，而當(dāng)?shù)匠隹诙螘r管口逐漸減小，設(shè)計成這 樣可以實現(xiàn)流體進入閥體后減速的效果。介質(zhì)流到節(jié)流口之前，流道面積比公 稱通徑的截面積至少增大20%。這樣的設(shè)計能使局部阻力系數(shù)和介質(zhì)流速同時 降低，有效減少了閥體對于流體的阻力損失。閥體材料的選擇。由表格2.1中材料zg0crl7nil2mo2滿足k301單座調(diào)節(jié)閥 的設(shè)

20、計與使用要求。所以閥體材料選用zg0crl7nil2mo23。表2-1閥體材料選取標準美國astm標準德國 din 17001中國 gb/t17616適用溫度wcb1.0619zg25i-io°c 4o(rccf81.4308zg0crl8ni9-200°c 53(tccf8m1.4408zg0crl7nil2mo2-200'c 530°cwc61.7357zg15crlmog-10'c 450'cwc91.7379zg12cr2mog-lo'c 450'c2.1.2壁厚的選擇與計算閥體壁厚的設(shè)計。已知：t一調(diào)節(jié)閥最大設(shè)計溫

21、度；a,調(diào)節(jié)閥公稱壓力；因閥體做整機水壓實驗吋，使用壓力為1.5倍公稱壓力，故計算閥體壁厚吋, p = 1.5pn'式中：一閥體中腔最大內(nèi)徑；么一溫度為t吋，閥體材料許用拉應(yīng)力； 一算上腐蝕余量后的壁厚；c一算上鑄造誤差與流體腐蝕等條件附加的裕量（單位mm）pd2來j-p+c(2-3)表2-2閥門殼體最小壁厚（mm）公稱仄力pn內(nèi)徑d16254063100160420760205011015026032.52.52.52.52.62.82.82.82.83.13.64.962.72.52.72.72.72.83.033.13.13.84.26.592.82.72.82.92.93.03

22、.23.23.43.44.24.88122.92.82.93.03.03.13.63.43.73.74.85.69.6153.12.93.13.23.23.43.83.64.24.3536.612183.33.13.33.43.43.64.13.94.74.85.97.714.3213.53.33.53.63.73.84.34.25.25.36.48.716.7243.73.53.83.944.14.74.45.75.87.29.719273.83.94.04.24.34.35.04.86.36.48.111.122.2314.24.14.44.64.74.75.45.16.66.7912.8

23、26.1354.54.34.74.95.14.85.75.46.97.19.914.530404.84.65.05.35.55.26.05.77.27.410.816.233.9455.14.95.35.75.95.56.167.57.81117.937.9505.45.55.66.06.35.96.36.37.88.111.819.641.8555.55.65.86.26.55.56.36.38.38.712.721.346.7605.65.75.96.36.66.66.66.68.89.213.62349.6655.75.86.06.56.86.86.96.99.39.814.524.75

24、3.6705.85.96.16.66.97.07.27.39.910.415.526.457.5755.966.26.77.17.27.57.610.410.916.428.161.4806.06.16.36.87.27.47.9810.511.517.329.865.3856.06.26.47.07.47.68.28.311.412.018.231.559.3906.16.36.57.17.57.18.48.611.912.619.133.273.2956.26.46.67.37.78.18.8912.513.220.134.977.11006.36.56.77.47.88.19.19.31

25、313.72136.681110636.56.87.58.08.49.7101414.822.84088.91206.56.77.07.88.38.810.310.715.116.024.743.496.7所以根據(jù)公式（2-2）與表2.2可得閥體壁厚為8mm。2.2閥體連接形式的選擇與設(shè)計調(diào)節(jié)閥裝入管道有三個裝入方式，螺栓旋緊帶墊片法蘭連接、旋入式管螺 紋連接與焊接連接。小型調(diào)節(jié)閥通常用旋入式管螺紋連接，它比法蘭連接更加 節(jié)約成本。特定的螺紋為閥體上的錐型管內(nèi)螺紋，即美國管道螺紋，簡稱npt。 其和管路端匹配的外螺紋連接組合為金屬與金屬的密封。管螺紋連接常用做小 于門徑為dn50的閥門，且用于

26、高溫工作系統(tǒng)。如非要將閥體在管路屮拆卸出來 進行維護或更換，拆卸過程應(yīng)該和繁瑣，因為要將開法蘭連接處斷開并才能將 閥體從管路旋出。合金鋼和鋼的閥體標準連接方式為螺栓緊固帶墊片法蘭連接。閥門很容易 從管道上拆丁，用于較廣泛的工作壓力范圍。法蘭連接端適用的溫度范圍為 -273°c- +515ac的任何門徑調(diào)節(jié)閥。法蘭連接采取平面型允許配對法蘭與夾持 在法蘭之間的墊片全面地接觸。旋緊法蘭螺栓，墊片被壓入配合法蘭的u形槽 內(nèi)，確保法蘭面密封良好，墊片通常是軟鐵。所以本課題采用標準連接形式， 即螺栓緊固帶墊片法蘭連接。2.3上閥蓋設(shè)計在閥體中上閥蓋的一側(cè)受到閥內(nèi)介質(zhì)的壓力，其余閥體處于相同的工

27、況條 件，受到的流體腐蝕性與壓力也都和同，所以選用材料也和閥體和同。采用螺 栓連接法蘭式常溫型（-17230°c）上閥蓋，如圖2-2。上閥蓋提供負載力以防 止上閥蓋與閥體之間以及閥座與閥體之間的泄漏。上閥蓋也為套筒提供對中配 合。上閥蓋的上部提供與執(zhí)行機構(gòu)連接的結(jié)構(gòu)，使閥配套多彈簧薄膜氣動執(zhí)行 機構(gòu)。圖2-2單座閥常溫型上閥蓋在高溫或低溫工況下，使用伸長型上閥蓋，如圖2-3。這樣可以將填料函位 置移到距極限過程溫度很遠的位置，這使填料溫度依舊控制為允許值甩，避免 填料變質(zhì)引起的泄漏。因上閥蓋承受與閥體同樣的壓力及腐蝕性作用，因此在 材料選擇上及壁厚的計算上與閥體相同，不另作設(shè)計說明4

28、。2.4閥芯設(shè)計在直通式單座調(diào)節(jié)閥屮閥芯為能上下動作的組成零件。對流體的流動進行 改變或截止。閥芯型式的設(shè)計是與其他設(shè)計分開的，用來得到變化的流量性能, 得到設(shè)計需要的導(dǎo)向方式和閥座居屮配合的基準。還能獲取需要的關(guān)閉或抗損 壞的性能。單座柱塞式閥芯主要適用在對泄漏量要求較為苛刻的工作系統(tǒng)屮， 閥芯工作時進入閥座里，控制改變閥芯的位置，就可以調(diào)控閥a流量及壓力。 單座柱塞式閥芯的生產(chǎn)較為經(jīng)濟，且調(diào)控精度高密封性好，但是在高壓差工況 不平衡力大，需要執(zhí)行機構(gòu)大，不能很好的發(fā)揮作用，因此其只適用于低壓差 工況環(huán)境。a前，閥芯型面的設(shè)計只能基于在流量試驗的條件不通過圖解法設(shè)計。并 且閥芯型面的設(shè)計在國

29、a外都沒有更好的解決辦法。因為要想設(shè)計閥芯型面就 必須要了解閥體的阻力系數(shù)，并且相同口徑的閥體阻力系數(shù)不一定相同。即使 流通能力、流量特性相同，閥芯的型面也不同。因此，要想設(shè)計閥芯型面就要知道閥體的結(jié)構(gòu)和阻力系數(shù)。然而確定閥體阻力系數(shù)的方法只有進行試驗。還 有調(diào)節(jié)閥節(jié)流性能只可在原理上認為和孔板類的節(jié)流裝置類似，不過調(diào)節(jié)閥變 化的節(jié)流裝置，其設(shè)計也要采取反復(fù)的試驗測得數(shù)據(jù)才可以。因此，目前生產(chǎn) 廠商通常采用技術(shù)成熟的型面尺、r,然后再進行流量試驗反復(fù)打磨型面尺、？直 到適合流量特性需求。所以，木文不再論述閥芯的具體設(shè)計過程。2.5閥芯導(dǎo)向型式閥芯的導(dǎo)向性能精確是閥芯和閥座的準確對屮配合以及對通

30、流介質(zhì)的準確 控制意義重大。本課題采用頂導(dǎo)向型式，這樣閥桿與閥芯在能保證同軸度的同 時，還可以進行精確的連接。這樣在上閥蓋接近閥體屮腔的位置嵌入導(dǎo)向套，閥桿在導(dǎo)向套屮運動，得到閥芯導(dǎo)向。2.6閥座設(shè)計由于結(jié)構(gòu)、尺寸與工藝方法的制約，在閥體上直接加工閥座密封面難度較 大，并且不同材料的閥體與合金結(jié)合的能力也相差很多。因此，不可以在閥體 上堆焊出密封型面，耍采用分離式閥座，然后用石墨加金屬纏繞墊密封的方法 在閥座與閥體之間進行密封。然后用螺紋連接的壓緊力來密封閥座下端面和閥 體的連接。本課設(shè)中，閥座下密封面較窄，更利于生產(chǎn)中作為閥座中軸線垂直 度的基準。圖2-4單座閥閥座閥芯、座材料選用0crl8

31、ni9ti、lcrl8ni9ti、0crl7nil2mo2ti,根據(jù)流體 情況，進行硬化處理。2.7閥桿設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)將推力或拉力傳遞給閥桿，閥桿再將力傳遞給閥芯，來實現(xiàn)閥芯開閉的目的。與此同時，閥桿還要受到流體的動力沖擊與密封填料的摩擦力。 本課題閥桿設(shè)計，來自結(jié)構(gòu)尺寸的制約，通常在明確尺寸之后，再對拉壓應(yīng)力 采取校對。閥桿因受到介質(zhì)的沖擊而承受扭轉(zhuǎn)力矩，但此力矩很小，故在閥桿 設(shè)計中不做考慮5。閥桿受到的最大軸向力計算：qfz = qmj +qt + qp(2-4)式中：0fz 開啟瞬時閥桿的總軸向力；qmj 一 貢對閥g 乍用力；qt-閥桿與填料之間的摩擦力；介質(zhì)作用在閥桿上的軸向力；拉應(yīng)

32、力校核：8 = <s(2-5)f式中：5 閥桿所受的應(yīng)力；f閥桿最小截面積(多為螺紋根部或者退刀梢的面積)；一材料的許用拉應(yīng)力；2.8執(zhí)行機構(gòu)的選擇及內(nèi)零件簡介要選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)，就必須準確地計算出與其所配調(diào)節(jié)閥的允許壓差, 而確定調(diào)節(jié)閥所承受不平衡力的大小則是計算允許壓差的重要條件。因此，執(zhí) 行機構(gòu)的選取必須分析并計算不平衡力產(chǎn)生的原因。不平衡力行程圖2-5單座閥不平衡力與行程關(guān)系圖當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時，閥芯表面承受介質(zhì)靜壓與動壓因素形成的軸向力與 切向力。通常工況中，所有作用力的合力絕對值不為零。因此，閥芯一般會產(chǎn) 生軸向位移或切向旋轉(zhuǎn)的趨勢。對于直行程調(diào)節(jié)閥，不平衡力為閥芯的軸向合

33、 力值，它可直接作用在其行程點和執(zhí)行機構(gòu)作用信號。而切向力對位移影響較 小，設(shè)計中僅需計算防軸向力措施。圖2-5為大口徑單座閥在兩種流向中，壓差一定時不平衡力和行程的連系圖 線。圖線指出，全閉位置閥芯閥芯受到的不平衡力最大。隨著閥芯的開啟而慢 慢降低，閥芯開度到中點時，因為介質(zhì)動壓的作用，不平衡力的值很難用公式 表示。但在確定執(zhí)行機構(gòu)輸出力時，關(guān)鍵參考全關(guān)時最大值，并且此時不平衡 力可用介質(zhì)流體的靜壓與壓差對閥芯、閥桿的作用公式表示。設(shè)不平衡力為ft,則：式中：p/閥前壓力；p2閥后壓力；ap -p1 - p2； t/g閥芯直徑； d s 一閥桿直徑；若閥芯處于流體流出端如圖2-6。圖2-6單

34、座閥閥芯處于流體流出端示意圖如果這時不平衡力的趨勢為壓縮閥桿方向設(shè)為“+” ；趨勢為拉伸閥桿方 向設(shè)為“一”。在此情況下，ft始終為正值，閥桿受壓。若閥芯處于流體流入端如圖2-7。則ft為：ft=兀卜d: p'-兀卜、d卜 d:p，= ;t/4(ap + <2p2)(2-7)在這種情況k,若dsd g，ft為正，閥桿受壓，多見于小流量單座閥 和小口徑高壓閥。若< 根據(jù)(2-7) s;?2/al-t/2,/g,ft為正，閥桿 受壓p2/a<l-t/2,a/2g, ft為負，閥桿受拉。因此，同一個調(diào)節(jié)閥處于所冇行 程區(qū)間因為a, &的改變同樣可使閥桿所受的不平衡力

35、方向發(fā)生改變。而 dn100的單座調(diào)節(jié)閥由于< 比&小得多，因此在通常的工況系統(tǒng)中下閥桿僅受 拉力作用。圖2-7單座閥閥芯處于流體流入端示意圖綜合以上計算與敘述條件得出k301單座調(diào)節(jié)閥的閥桿所受的不平衡力主 要為軸向拉力，所以應(yīng)選取反作用式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)(信號壓力增加時推桿 向上動作)。氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理。由于本設(shè)計的核心內(nèi)容為k301單座調(diào) 節(jié)閥閥體的結(jié)構(gòu)及閥體主要主要零件設(shè)計。所以本課題選用的的反作用式氣動 薄膜執(zhí)行機構(gòu)在此只做簡單的結(jié)構(gòu)及原理敘述，不做深入探討。氣動執(zhí)行機構(gòu)使用壓縮空氣為動力，其構(gòu)成簡單、動作安全穩(wěn)定、輸出動 力大、維修維護簡單并有防高溫防爆等

36、特點。因此，普遍應(yīng)用于煉油、化工、冶金、電力等部門，尤其使用于易燃易爆的石油、化工等嚴苛的工況制造過程。 但氣動執(zhí)行機構(gòu)的缺點為延遲大，傳輸距離較近（150m以內(nèi)），不可和先進的 數(shù)字化裝備連接。氣動執(zhí)行機構(gòu)有兩類常見型式：薄膜式和活塞式。薄膜式和活塞式執(zhí)行機 構(gòu)還可以分成帶彈簧與不帶彈簧型式兩類。帶彈簧執(zhí)行機構(gòu)比無彈簧執(zhí)行機構(gòu) 輸出動力小，成木低。而活塞式比薄膜式輸出動力大，但造價高。氣動執(zhí)行機 構(gòu)還可分成正作用和反作用兩種型式。當(dāng)信號壓力增大時推桿向下移動的稱為 正作用式執(zhí)行機構(gòu)；信號壓力增大時推桿向上移動的稱為反作用式執(zhí)行機構(gòu)。 反作用式氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)如圖2-8所示6。1 一上膜蓋2波

37、紋膜片3下膜蓋4一密封膜片5密封環(huán)6-填塊 7信號壓力輸入口 8推桿9一壓縮彈簧10支座n 彈簧座 12襯套13調(diào)節(jié)件14一行程表尺15閥桿連接螺母圖2-8反作用式氣動薄膜（有彈簧）執(zhí)行機構(gòu)示意圖第3章調(diào)節(jié)閥流量特性及其選擇3.1可調(diào)范圍調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍指調(diào)節(jié)閥能夠調(diào)控的最大流量與最小流量的比值。即:調(diào)節(jié)閥控制的最大流量=調(diào)節(jié)閥控制的最小流量(3-1)qmax為i周節(jié)閥能夠i周節(jié)流fi的最低值，但不si周節(jié)閥全關(guān)時的泄漏fi， 通常最小可調(diào)流量為最大流量的(24) %,而泄漏量只為最大流量的(0.010.1) %。當(dāng)調(diào)節(jié)閥上壓差為w定值時，此刻的可調(diào)范圍叫做理想可調(diào)范圍。r _ 2nax _

38、cmax a/af 二( 3_2 )qmin cmin vap cmin理想可調(diào)范圍為調(diào)節(jié)閥能夠調(diào)控的最人與最小c值的比值，并由設(shè)計決定。 在自控方向思考，可調(diào)范圍更大。但因為cmin受調(diào)節(jié)閥閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計的制約， 不可過小，所以單座調(diào)節(jié)閥的理論可調(diào)區(qū)間通常都小于50: 1?，F(xiàn)在我國制造的 調(diào)節(jié)閥理論可調(diào)區(qū)間通常定為30: 1。在現(xiàn)實制造吋，單座調(diào)節(jié)閥上壓差是跟著 串聯(lián)管道阻力的改變而改變，調(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍也會跟著改變。調(diào)節(jié)閥真正可以 調(diào)控的最大流量與最小流量的比值就是實際可調(diào)范圍。(1) 串聯(lián)管道由于管路中介質(zhì)流量的加人串聯(lián)管道阻力損耗也隨著加大，但是閥門上壓 差相應(yīng)減小。因此使得調(diào)節(jié)閥可以通流

39、的峰值流量降低，因此當(dāng)管路串聯(lián)時， 閥門的實際可調(diào)區(qū)間相應(yīng)減小。p qmax 八實際_ 7)min= r/s(3-3)式中：aalin調(diào)節(jié)閥全開時的壓差；調(diào)節(jié)閥全閉吋的壓差(式中可認為是總壓差)；s一調(diào)節(jié)閥完全打開時壓差和總壓差的比值；s值降低(串聯(lián)阻力損耗增大時)，實際可調(diào)范圍就下降。(2) 并聯(lián)管道時當(dāng)啟動調(diào)節(jié)閥的旁路閥時，其實際可調(diào)范圍表示如下：=總管最大流量_調(diào)節(jié)閥最小流量+旁路流量max:總管路最大流量qmaxx壘良+(u)2 r v %max(3-4)(3-5)調(diào)節(jié)閥全開時的流量總管路最大流量(3-6)1 一閥芯2型面曲線3流通面積(a) 4閥座 圖3-1閥芯閥座節(jié)流ifif積示意

40、圖由于調(diào)節(jié)閥的最小流量通常較旁路流量小得多，因此可調(diào)范圍可表示為全 部管路的最大流量和旁路流量的比值，和調(diào)節(jié)閥的自身可調(diào)節(jié)范圍無關(guān)。旁路 閥的打幵會大大減小調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)范圍，其減小效果比串聯(lián)管更大。因為在實工況調(diào)控中調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍都將減小，所以在調(diào)節(jié)閥的計算選 擇時，串聯(lián)管道工況應(yīng)該適當(dāng)增加別直，并且調(diào)節(jié)閥的旁路應(yīng)量不要開啟，確保 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍保持最大。此外，調(diào)節(jié)閥長時間工作，腐蝕沖刷或汽蝕現(xiàn)象 會對閥芯、閥座產(chǎn)生侵蝕致使可調(diào)范圍降低，影響調(diào)節(jié)閥工作性能7。單座調(diào)節(jié)閥的理想可調(diào)范圍是閥芯與閥座間最大節(jié)流面積與最小節(jié)流面積 的比值。公式如不：調(diào)節(jié)閥控制的最大流量:=gmax = cma

41、xrmax 調(diào)i節(jié)閥控制的最小流量emin理想狀態(tài)吋，無壓力損失，kjmax = r,min,r = （3-7）min式中：jnwc 最大開度時的介質(zhì)流速；匕min最小幵度時的介質(zhì)流速；最大節(jié)流面積（見圖3-1）;4nin 最小節(jié)流面積（見閣3-1）;由公式計算和現(xiàn)實經(jīng)驗總結(jié)我們將k301單座調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍設(shè)計為30:1。3.2流量特性流量特性對于調(diào)節(jié)閥在現(xiàn)實工況中意義重大，不同的流量特性能夠改變整 個控制回路的控制性能。因此設(shè)計調(diào)節(jié)閥時，一定要設(shè)計不同的流量特性來適 應(yīng)不同控制特性需求。流量特性的定義：調(diào)節(jié)閥的流量特性指介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的 相對開度之間的關(guān)系。即e/emax=/

42、（/a）;調(diào)節(jié)閥某一開度流量與全開流量之 比，調(diào)節(jié)閥某一幵度行程與全幵行程之比。流量特性分為理想流量特性和工作流量特性，理想流量特性是在調(diào)節(jié)閥前 后壓差一定的情況下（ap=常數(shù)），得到的流量特性關(guān)系稱為理想流量特性。 工作流量特性是在調(diào)節(jié)閥前后壓差變化的情況下，閥的相對開度與相對流量的 關(guān)系，稱為工作流量特性。3.2.1理想流量特性調(diào)節(jié)閥理想流量特性如k表3-1:表3-1調(diào)節(jié)閥四種理想流量特性流量特性性質(zhì)特點小開度時流量變化大，大開度時流量變調(diào)節(jié)閥的相對流:w:與相對開度程化小。直線直線關(guān)系，即單位行程變化引起的小負荷時調(diào)節(jié)性能過于靈敏產(chǎn)生震蕩，相對流量變化是一個常數(shù)。大負荷時調(diào)節(jié)遲緩。適應(yīng)能

43、力較差。單位行程變化引起流量變化的百分率相單位相對行程的變化引起的相對等。等百分比流量變化與此點的相對流量成正在全行程范圍內(nèi)工作較平穩(wěn)，尤其是在比。大開度時放大倍數(shù)也大，工作更靈敏。應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強。特性介于直線特性和等百分比特特性介于直線特性和等百分比特性之拋物線性之間，使用上常與等百分比特性間。代之。調(diào)節(jié)性能較為理想，但閥瓣加工困難?？扉_在閥行程比較小時流:u:就比較快 的增加，很快達最大。 在小開度吋流量以很大，隨著行程的增 大，流量很快達到最大。 一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制。3.2.2工作流量特性調(diào)節(jié)閥在串聯(lián)管道中的工作流量特性：調(diào)節(jié)閥安裝在管道系統(tǒng)之內(nèi)，因為 去掉調(diào)節(jié)閥之外管路、

44、機械元件、設(shè)備等都具有阻力。而其阻力損耗隨著流經(jīng) 管路的介質(zhì)流量成冪次增長。所以當(dāng)系統(tǒng)兩端壓差一定時，調(diào)節(jié)閥內(nèi)的壓差應(yīng) 該跟著流量增人而減小，流通調(diào)節(jié)閥流量的流量改變也將因這個壓差的而改變。 所以此刻的流量特性將會隨之變化，變?yōu)楣ぷ髁髁刻匦?。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道中的工作流量特性：調(diào)節(jié)閥通常會具有旁路，以備調(diào)節(jié) 系統(tǒng)損壞時手動控制使用，但當(dāng)因生產(chǎn)量增人或其他素因使調(diào)節(jié)閥流量不能提 供工藝需求吋，在無可選擇的條件吋，也可將旁路閥開啟一部分，確保管路流 量增人來供應(yīng)工藝生產(chǎn)需求，但在這種情況下管路中流量是調(diào)節(jié)閥流量和旁路 流量兩者的總和。根據(jù)經(jīng)驗可知：串聯(lián)管路的工況對流量特性的影響較并聯(lián)管路工況變量大，

45、 對可調(diào)范圍的影響比并聯(lián)管路小。當(dāng)串聯(lián)管路工況最人流量降低吋，并聯(lián)管路 工況最大流量增人。串聯(lián)管路工況，小開度時放人系數(shù)增大，但大開度時放大系數(shù)減小。并聯(lián)管路工況，放大系數(shù)在所有開度總比之前減小。閥芯的設(shè)計型面有等百分比、直線、快開流量特性。其中快開流量特性通常適用在兩位式調(diào)節(jié)與程序控制。等百分比流量與直線流量特性特性要看實際 的應(yīng)用系統(tǒng)工況確定。通常當(dāng)所選調(diào)節(jié)閥長時間工作于小開度時，等百分比閥 最為適用，直線閥因為其小開度時放大系數(shù)大，并且易產(chǎn)生波動加速閥芯閥座 間的磨損，損壞閥的密封性。若通流閥門的流體屮含有固體懸浮污染物時，如 果為主要確保閥芯的使用壽命，適合選用直線特性閥，因為直線特性的閥芯曲 面不容易被磨損。因此，綜合上文所述并結(jié)合本課題k301單座調(diào)節(jié)閥的適用工況為有沖刷、 氣蝕等嚴峻的工況條件，所以本設(shè)計選用直線流量特性8。調(diào)節(jié)閥的發(fā)展與展望由于被控制系統(tǒng)的多樣化，因此要求調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)具奮多樣化，材料可選范 圍人。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的飛速發(fā)展，調(diào)節(jié)閥技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展由為迫切。相信 未來調(diào)節(jié)閥技術(shù)的發(fā)展將主要體現(xiàn)在以下方面：(1) 拓展調(diào)節(jié)閥功能及適用范圍，設(shè)計研發(fā)更先進的電