插板阀的结构设计本科学位论文.docx
- 文档编号:2593067
- 上传时间:2023-05-04
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:1.40MB
插板阀的结构设计本科学位论文.docx
《插板阀的结构设计本科学位论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《插板阀的结构设计本科学位论文.docx(30页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
插板阀的结构设计本科学位论文
毕业设计
专业:
机械设计制造及其自动化
班级学号:
机自0812
学生姓名:
洪平
指导教师:
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
TheDesignandMotionSimulationofOpenedGateValve
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Solidworks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
Avalvesisamechanicaldevicetoshutofffloworcontroltherateofflowinginto,oroutofsuchenclosedconduitsaspipingandtubing.TheThispaperintroducedthecharacterstructureandoperatingprincipleofopen-typegatevalve,whichtodesignandcheckanalogwiththemajorpart,withtheplatformofCAD/CAM/CAEintegratedswiththeresultthatthedimensionandstructureofvalvebodyareoptimized.TheadvantageofthepowerfulfunctionsofSolidworkssoftwareismadetoodyareoptimized.Entityvalvefrommodeling,assembling,motionsimulationandoptimalitydesignwillbeprocessedinthesamesoftware.Thatshortenstheprocessofmanufactureandtestforphysicalprototype,improvesefficiencyandreducestheproductdesignperiod.
Keywords:
Open-wideGateValve;Solidworks;MmotionandSimulation
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。
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:
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
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
1.2Solidwork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,这就使得将球插到孔里的操作变得更加容易。
Solidworks是一个非常优秀的软件产品。
SolidWorks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。
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、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。
制造阀门零件的材料要根据下列因素来选择:
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。
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,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。
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
温度升值/℃
压力突然升高值/MPa
温度升值/℃
2.5
375
15
730
5
490
20
790
10
630
硬密封材料即金属密封
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
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℃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℃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25Cr2MoVA铬钼钒钢。
三、不锈耐酸钢
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、Cr18Ni12Mo2Ti、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,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。
2.2.4紧固件、填料及垫片材料
一、紧固件材料
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、1Cr18Ni9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450-500℃的阀门。
近年来使用橡胶O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;
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、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。
表2-5插板阀门主要零件材料
零件名称
材料名称
牌号
标准号
阀体、
阀盖、
支架
铬钼铸钢
ZGCr5Mo
GB/T8492-2002
铬钼钒铸钢
ZG20CrMoR、G15Cr1Mo1V
铬钼钢
1Cr5Mo
GB/T1221-1992
阀杆
NiCu合金
NiCu
布氏硬度250HB
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。
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)
图2-1阀体截面
表2-1阀体壁厚计算
序号
名称
符号
式中符号
公式或索引
单位
1
最大合成应力(A点)
MPa
2
最大合成应力(B点)
MPa
3
计算压力
P
PN设计给定,0.25MPa
MPa
注:
≤
,
≤
,
≤
,
≤
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)
图2-2密封圈截面图
表2-2密封圈比压计算
序号
名称
符号
公式或索引
单位
1
密封面上总作用力
N
2
密封面处介质作用力
N
3
密封面内径
设计给定,取1200mm
mm
4
密封面宽度
设计给定,取100mm
mm
5
计算压力
p
PN设计给定0.25MPa
MPa
注:
为合格。
由表计算式得:
=
=
4.2.1创建电动装置装配图
由于电动装置零件较多在此就不一一例举零件的绘制,通过装配过程呈现电动装置的零件组成。
1创建装配体文件
单击【文件】→【新建】单击【装配体】如图4-21所示,命名为电动装置总成,单击确定
图4-21创建菜单
2.插入要装配的文件
单击【插入零部件】,选中电动装置下盖,再次单击【插入零部件】选择电动装置下盖后单击【固定】后,同时插入指定的零件,单击【配合】选择要配合的特征,得到装配体如图4-22所示。
图4-22电动装置装配图
4.2.2创建插板阀总装配体
插板阀的总装配是将各子装配及各零件进行总体的装配过程。
其总装配图如图4-23所示。
由于插板阀零件较多,装配过程中的装配关系也较复杂,步骤繁琐,图中列出了一部分的的装配关系。
图4-23插板阀的总装配
为了更清楚地表现各个零部件间的装配关系,还可以生成插板阀装配体的爆炸视图(如图4-24),由于部件较多,生成的爆炸图比较零乱。
图4-24插板阀爆炸图
4.3Solidworks\COSMOSMotion的运动仿真介绍
4.3.1运动仿真介绍
近年来,随着计算机的广泛应用,我国在仿真系统的建模与开发方面迅速发展起来,并取得了很大的成就。
在机械工程领域,建模与仿真技术的应用已扩展到产品的全生命周期:
方案论证、设计制造、试验、使用和维护训练。
从而在制造企业产品设计和制造过程中
运动仿真是Solidworks/CAE模块中的主要部分,它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。
通过Solidworks/CAD的功能建立一个三维实体模型,利用Solidworks/COSMOSMotion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性,再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。
Solidworks/COSMOSMotion的功能可以将装配约束自动转化为仿真模型的约束,添加必要的驱动力、工作阻力以及COSMOSMotion特有的其他约束,建立仿真模型,就可以模拟机械运行状况,对机器进行运动和动力分析。
仿真结果可以用动画、图形、数据等多种形式输出,为创新设计、缩短产品设计周期、节约产品成本,提供了一种切实有效的方法。
4.3.2机构的组成
(1).构件
任何机器都是由许多零部件组合而成的。
这些零件中,有的是作为一个独立的运动单元体而运
种由两个构件组成的可动连接称为运动副,把两个构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素。
(3).自由度和约束
设有任意两构件,它们在没有构成运动副之前,两者之间有6个相对自由度(在直角坐标系中三个移动和三个转动自由度)。
4.3.3机构自由度的计算
在机构创建过程中,每个自由构件将引入6个自由度,同时运动副又给机构运动带来约束,常用运动副引入的约束数目如表4.1所示。
机构总自由度数目可用以下计算公式进行计算:
机构自由度总数=活动构件数×6-约束总数-原动件独立输入运动数
4.4插板阀Solidworks运动仿真的具体步骤
首先打开Solidworks中的插件功能对话框,勾选COSMOSMotion2007活动插件并启动确定。
如图4-41所示。
图4-41插件功能对话框
4.4.1整体仿真过程的安排
本阀的仿真过程主要包含以下两个方面:
第一步电动装置中各机构的运动
第二步阀板的开启与关闭
在设计树上选择运动分析图标
,用右键将阀体设置为【静止零部件】,其余设置为【运动零部件】,如图4-42所示。
图4-42
4.4.2仿真设置
1.添加驱动
图4-43图4-44
2.三维碰撞接触状态模拟
电机齿轮-1带动从动齿轮2转动,齿轮2又带动蜗杆转动,蜗杆带动蜗轮转动,实际情况是刚体之间的碰撞产生的。
下面就对这种状态进行模拟。
图4-45图4-46
从模拟结果可以看出,初始状态如图4-47所示,从运行过程可以分析出各传动件的啮合状态,有无干涉或脱离啮合现象。
图4-47
由以上步骤便可完成本阀门第一步(电动执行机构中的构件运动仿真)。
接着进行第二步(阀板的开启与关闭运动过程仿真)。
3.添加转动-移动耦合
单击【约束】前面的+号,将蜗轮和阀杆之间添加旋转副(实际上就是阀杆螺母与阀杆之间建立旋转副Revolue,因为蜗轮与阀杆螺母是配合一体的)。
在阀杆和阀板之间添加移动副Translational,然后在旋转副和移动副之间添加一个耦合,使得阀杆螺母的转动与阀杆阀板的移动按照一定的关系运动,如图4-49和图4-50所示。
图中阀杆的移动副的移动距离为1200mm(实际就是阀门的公称通径),应注意在装配中阀板应与阀体底部配合好,否则运行时将超过运动范围而报错。
图4-49图4-50
4.设置转动函数
在蜗轮与阀杆之间添加的旋转副Revolute与阀杆和阀板之间添加移动副Translational中,设置运动关系如图4-51所示。
图4-51
图中函数:
STEP[TIME,0,0,5,1200]+STEP[TIME,1,0,2,-1200]。
表示在仿真过程中,0-5S,阀杆与阀板移动1200mm即阀门处于开启状态;5-6S,保持静止;6-11S,反向移动1200mm即阀门处于关闭状态。
5.仿真模拟
仿真帧的数目设置为50,如图4-52所示,勾选仿真时生成动画,点击仿真。
仿真运算结束后自动弹出图4-53对话框,设置对话框中参数点击下一步,跳出图4-54对话框进行零件间的干涉检查。
查看模拟结果可在COSMOSMotion工具栏中单击播放
按钮或查看输出的动画。
图4-52图4-53
图4-54
结论
本文探索了一种敞开式插板阀的设计和分析方法,以Solidworks软件为设计平台,进行插板阀的建模、装配、关键部分的运动仿真,对阀体尺寸和结构进行优化,加快了开发周期,节约了高额开发费用,降低了研发成本。
在具体的研究中,利用Solidworks软件的强大功能,保证了设计和分析计算机模型的一致性,减少了误差的积累,并使设计和分析做到了并行进行。
由此,将Solidworks广泛用于产品开发设计全流程,具有多方面的推动和助益作用,保证图面的真实性和效果的正确性,缩短设计开发周期。
有效支持后期加工与产品生产。
随着科学技术不断发展,Solidworks将在计算机辅助设计中发挥着越来越重要的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 插板 结构设计 本科 学位 论文