毕业论文-电动扇形阀的结构设计.doc

毕业设计论文

毕业设计说明书(论文)

作 者： 某某 学 号：
学 院： 机械工程学院
系(专业)： 机械系数控专业
题 目： 电动扇形阀的结构设计

指导者：
(姓 名) (专业技术职务)

评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)

年 月 日

毕业设计（论文）摘要
过去传统的设计模式是根据产品的功能、结构、生产工艺等重复进行设计、试制样机，然后对样机进行试验和评价。如果对试验结果不满意，再变更设计，重新试制样机，直到满意为止。这种设计方法一般时间较长，成本较高。动态多变与全球范围的市场竞争使得传统的产品设计方法已经过时。
近年来 ,随着计算机的普及和计算机技术的飞速发展 ,越来越多的制造行业 CAD 水平有了很大的提高 ,用三维 CAD软件进行产品设计逐渐成为潮流。三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法在生产出产品之前就在数字状态下对虚拟的产品的功能进行产品分析和评价，可显著降低设计成本，提高市场竞争力。
在众多的CAD 软件中, 美国 UGS 公司的 U G 软件是集CAD/CAM/CAE 一体化的三维参数化软件, 是当今世界上应用广泛的最为先进的计算机辅助设计、制造和分析软件。本文即以 UG NX3.0 为软件平台，应用虚拟设计技术，针对扇形阀产品设计提出一种新的设计模式。在设计的初期进行概念设计，在具体设计中应用虚拟设计技术，对产品进行虚拟造型设计和虚拟装配设计，生成虚拟样机，并对虚拟样机进行运动仿真分析和有限元分析，对模型进行评估和优化。

关键词 扇形阀，虚拟设计，虚拟装配，运动仿真，有限元

目 次
1 引言 1

1．1阀门介绍 1

1．2敞开式电动扇形插板阀的结构特点 1

1．3电动扇型插板阀的结构划分和工作原理 3

2 动扇型插板阀的结构设计及问题的解决 4

2．1电动扇型阀的公称通径 4

2．2设计要求 6

2．3尺寸的确定 7

2．4各部分材料的确定 7

2．5阀板个部分零件的选取与校核计算 7

2．5．1 加紧装置的设计以及链轮与链条的选取与计算 7

2．5．2各部分轴承的选取与校核 8

2．5．3 齿轮齿条传动机构的选取 9

2．5．4驱动电机的选取 10

2．5．5阀门的密封 11

结 论 12
致 谢 12
参　考　文　献 12

12

毕业设计论文
1 引言
扇形插板阀是应用在煤气管道上的一种插板式隔断阀[1]。该阀安装在室外, 工作时为常开式。高炉休风时, 扇形插板关闭, 切断煤气管道。扇形插板的夹紧机构采用机械夹紧。根据其结构形式, 分为手动敞开式插板阀和液动或电动自动封闭式插板阀。由于电动敞开式插板阀具有结构简单, 重量轻, 密封效果好等特点, 使用较广泛。电动扇型阀以其独特的结构设计，具有良好的密封性能，被广泛应用。
1．1阀门介绍
“阀门”的是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止、并能控制其流量的装置。阀门是流体管路的控制装置，其基本功能是接通或切断管路介质的流通，改变介质的流通，改变介质的流动方向，调节介质的压力和流量，保护管路的设备的正常运行。被控制的流体可以是液体、气体、气液混合体或固液混合体。阀门通常由阀体、阀盖、阀座、启闭件、驱动机构、密封件和紧固件等组成。阀门的控制功能是依靠驱动机构或流体驱使启闭件升降、滑移、旋摆或回转运动以改变流道面积的大小来实现的。
阀门根据其种类和用途有不同的要求，主要有密封、强度、调节、流通、启闭等性能。在设计和选用阀门时，除了要考虑基本参数和性能外，还要考虑流体的性能，包括流体的相态(气体、液体或含固体颗粒)、腐蚀性、粘度、毒性、易燃易爆性，贵重稀有程度和放射性等[2]。
本次设计的电动扇形阀是插板阀中常见的一种，插板阀，一般是由阀板和上下法体组成，阀的开启与关闭通过插板在阀体中的晚饭运动实现的。因此插板与阀体之间必须是间隙配合，但在开启关闭完成后可以进行加紧密封。所以现阶段研究的主要课题是实现一种结构合理、气密性好、操作简单、使用寿命长的气密式插板阀装置。
1．2敞开式电动扇形插板阀的结构特点
扇形插板阀是应用在煤气管道上的一种插板式隔断阀。该阀安装在室外, 工作时为常开式。高炉休风时, 扇形插板关闭, 切断煤气管道。扇形插板的夹紧机构采用机械夹紧。根据其结构形式, 分为手动敞开式插板阀和液动或电动自动封闭式插板阀。由于电动敞开式插板阀具有结构简单, 重量轻, 密封效果好等特点, 使用较广泛。电动扇型阀以其独特的结构设计，具有良好的密封性能，被广泛应用。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。
下面的两幅图片就是非常典型的电动扇型阀。

工业专用电动扇型阀的特点能耐高温，适用压力范围也较高，阀门公称通径大，阀体
采用碳钢制造，阀板的密封圈采用金属环代替橡胶环。大型高温电动扇型阀采用钢
板制造，主要用于高温介质的烟风道和煤气管道
分类：
电动扇型阀按密封形式可分为较密封型和硬密封型两种。软密封型一般采用橡胶环密封，硬密封型通常采用金属环密封。本设计采用阀板和阀体上的楔形面进行密封。
该类阀门的优点是[22]
1重量轻，易维护；
2阀门的运动过程、开关状态直观性好；
3在设计上吸收了国外插板阀浮动阀板的先进技术；
4左、右旋梯形螺纹丝杆同步压紧，起动力矩小，螺纹副自锁性好，阀门密封可靠；
5可配置防爆型控制柜，实行现场控制和远距离与PLC系统连接控制，调节性能好；
电动扇型阀的缺点：
1、 使用压力和工作温度范围小。
2、 密封性较差，启闭时有少量的煤气外漏。
1．3电动扇型插板阀的结构划分和工作原理
本设计公称直径为 1000cm的敞开式电动扇形插板阀设计 其中阀板为平面转动 控制阀的开启确定阀体为整合阀板边缘为圆弧 便于制造与控制 其中阀板通过齿轮传动进行开启与闭合 阀体是通过丝杠传动进行放开和夹紧。
当阀门启闭时会有一定的泄漏 但完成启闭后 加紧装置加紧阀板控制阀的泄漏
以下为本设计中电动扇型阀的原理说明图片

1 阀板 2法兰盘 3 前阀体 4链轮 5 机座 6 阀门底座 7阀体4
8键 9球轴承 10推力轴承 11丝杠 12 齿轮2 13 后阀体 14弹性套
15 阀体3 16齿轮1 17 轴套 18轴承端盖 19内六角螺钉 20 双列圆锥滚子轴承
21 螺栓 22球轴承 23 键
可以很直观的看出,阀门运动由两个运动组成 分别是阀体1的开与闭的过程以及前后阀体3和13的夹紧与放松的过程 ，齿轮1在轴1的带动下与齿轮9啮合使之转动 而齿轮2和阀板为一体 从而带动阀板绕轴2运动实现阀门的开闭运动，另一方 面电机带动轴3 轴3与阀体上的三根轴通过链条带动其上的链轮同时转动 三根轴与后阀体13的连接处为丝杠与螺纹孔连接 轴的另一端定位在前阀体1上 轴运动时候作用在后阀体13上的扭距产生了阀体的水平位移 从而实现了前后阀体的闭合和夹紧运动。这里应该注意的是这两个运动过程是独立运行的 互不影响 由此产生的本设计最难解决的问题是轴2在前后阀体间的定位以及齿轮2在轴2上的定位问题 由图可以知 轴2的向右运动趋势被轴承端盖所限制 向左的运动趋势是通过双列圆锥滚子轴承前阀体上的过盈配合限制的 而齿轮2是通过轴2上的轴肩来限制向左运动趋势的 由于齿轮2的转动不能与轴产生影响 所以右向通过齿轮造型上的特殊化以及顶在双列圆锥滚子轴承上的轴套来实现定位 。弹性密封圈密封性能好,使用寿命长,便于实现软密封和硬密封。
电动扇型阀是一种切断阀,以其独特的结构设计而具有良好的密封性能,在国外已广泛使用,如德国冶金高炉系统,电动扇型阀已用作热风的大部分切断阀门。我国在80年代借鉴外国技术开发研制了电动扇型阀，随着我国工业水平的不断提高,三杆式电动扇型阀的优越性已逐渐被人们所认识,并在各行各业中得到日益广泛的应用[9]。
2 动扇型插板阀的结构设计及问题的解决
2．1电动扇型阀的公称通径
公称通径的定义： 公称通径是指阀门与管道连接处通道的名义直径，单位为毫米。在国内除用管焊结构或者与之相接的管道为标准钢管螺纹法兰连接等个别情况外，多数情况下，公称通径DN即为连接处通道的实际内径。在国外，阀门公称通径与通道直径的关系通常由相应规范作出规定。公称通径不仅是阀门产品互换性的基础，也是衡量管道与阀门设计经济性的重要内容。公称通径有时简称通径或者口径。目前国产电动扇型阀公称通径DN在100－3000mm之间。其常用系列见下表所示，括号中的数值通常只用于真空阀门等场所[19]。
表2.1公称通径（mm）
200
500
1400
（225）
600
1600

650

250
700
1800

750

300
800
2000

公称通径的确定 管道与阀门的公称通径大小，主要取决于管道中工作介质的流速和流量。一般，工作介质的流量是个已知数，而流速是随设计条件而变化的。介质流速大，管道通径小而压降损失大，这时，材料等基建投资虽然少，但动力消耗等操作费用大；介质流速小，管道通径大而压降损失小，这时的情况正好相反，材料等基建投资虽然增加，但动力消耗等操作费用减少。因此，通径的确定应以工程综合经济效果作为前提，而以介质的“经济流速”作为计算的依据。
若以W表示具有一定容积的介质通过圆形管道截面F时的速度（米/秒），Q表示单位时间内流过截面F的量（米3），则有：
Q=WF＝W，所以：
（2－1）
上式中，d为管道的内径。
根据式（2－1），如果已知管道中介质的容积流量Q及容积流速W，即可求得管道内径d。求得的管道内径d值圆整处理后得到公称通径DN。
② 公称压力
公称压力也是电动扇型阀设计的基本参数之一。它是指阀门在基准温度下允许的最大工作压力，即名义压力PN，单位现多用“兆帕”。目前国产电动扇型阀公称压力PN为0.25－4.0Mpa。
③ 工作温度
由于材料及垫片填料的限制，各种阀门的使用温度，即工作温度都有一定的范围。
上面已经提到，阀门的公称压力是基于某一基准温度而确定的最大工作压力。这就是说，在该基准温度下，阀门的公称压力与工作压力可取相同数值。当阀门的使用温度超过其基准温度时，就不允许随便把阀门的公称压力当作工作压力，这是因为各种结构材料与密封材料的机械、物理性能都与温度有关[19]。
温压表是设计和选用阀门的重要依据。根据工作条件确定了阀门的主要材质以后，只要知道PN、t和Pt中的任何两个参数，就可利用表2.2确定出第三个参数。
另外，阀门也可采用计算方法确定最大工作压力Ptmax。
（公斤力/厘米2） （2－2）
式中：――温度为200℃时的材料许用应力；
――温度为t℃的材料许用应力。
3） 电动扇型阀参数的确定[20]
不论电动扇型阀公称通径的大小及公称压力的高低，各零件结构参数的设计依据均为该电动扇型阀的操作扭矩。参照GB12223中所列扭矩系列，对现有产品的阀轴直径与对应的操作扭矩进行统计分析和理论校核，设计确定了每一扭矩对应的阀轴直径，如表2.3所示。(阀轴直径和操作扭矩对应关系表，根据操作扭矩直接查出阀轴直径的大小)。
阀轴直径系列确定后，与阀轴配合的零件及与阀轴相关部位的结构尺寸均可确定。
表2.2阀门温压表

公称压力PN
基准温度
工作温度t（℃）
200℃
300
400
480
520
560
590
610
630
640
660
675
690
700
1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5

2.5
2.5
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.6
4
4
3.6
3.2
2.8
2.5
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.1
1.0
0.9
6
6
5.6
5.0
4.5
4.0
3.6
3.2
2.8
2.5
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1000
1000
900
800
710
640
560
500
450
400
360
320
280
250
220

表2.3阀轴直径和操作扭矩对应关系表

操作扭矩（N·m）
阀轴直径（mm）
轴径代号
操作扭矩（N·m）
阀轴直径（mm）
轴径代号
50
14
d14
6000
70
d70
125
18
d18
8000
80
d80
250
22
d22
12000
100
d100
500
28
d28
16000
120
d120
1000
32
d32
20000
140
d140
2000
40
d40
32000
150
d150
3000
50
d50
40000
160
d160
4000
60
d60
60000
180
d180
2．2设计要求
要求设计一大口径管道用的电动扇型阀，其主要性能参数如下：
1) 公称通径DN： 1000 mm
2) 公称压力PN：0.25 Mpa
3) 工作温度：≤300℃
4) 驱动方式：电动驱动
5) 工作介质：空气、煤气
2．3尺寸的确定
根据电动扇型阀的公称通径DN为1000mm，可定出阀壁内径为1020mm，阀座外径为1020mm，参考知名阀门厂家的阀门产品可确定出阀壁厚度为14mm，阀座内径为940mm阀板的直径为960mm，阀板厚度为30mm，进而就可确定出端法兰的尺寸。
根据操作扭矩为10000 N·m ，就可依据表2.3，运用插值法确定阀轴的直径为90 mm，进而根据阀轴与填料和轴套、上下接管之间的配合关系并参考知名阀门厂家的阀门产品，确定出填料和轴套、上下接管的尺寸和公差大小，以及上下法兰和筋板尺寸的大小[21]。
由此，电动扇型阀的主要尺寸就确定下来了，以后建模就依据这些尺寸，各零部件的详细尺寸及公差参见工程图纸[22]。
2．4各部分材料的确定
　在选择阀门材料时，对于那些在工作介质内部的零部件，不仅要像一般零件的选材那样，要考虑材料的强度、硬度、刚度等力学性能，还要考虑材料的耐蚀性能，材料的耐蚀性能对电动扇型阀使用寿命的影响是非常大的。
在广泛参考了知名阀门厂家的三杆式阀门产品的基础上，并结合材料学方面的知识，以Ｑ235-A作为除阀轴外的非标准金属零部件的材料。同时为了保证阀门的使用寿命，阀轴采用40Cr为材料，上下轴套采用石墨粉末冶金材料[24]。
（1）阀体与法兰盘材料 阀体材料一般为铸铁、铸钢或着锻钢，本阀门采用铸钢 。GB/T12229－1989 牌号 WCA级 标准 G5151
（2）内件材料 深沟球轴承 推力轴承 双列圆锥滚子轴承采用标准件
密封圈选取防腐橡胶材料 六角螺钉螺栓健键等紧固件材料为45钢 GB/T700
(3) 阀板材料 阀板选取奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9 GB/T1220－1989. 添加陶瓷润滑表面 。
2．5阀板个部分零件的选取与校核计算
2．5．1 加紧装置的设计以及链轮与链条的选取与计算
此阀门加紧密封装置采取链传动带动滚珠丝杠有滚动变为平动的密封加紧。其中链传动的设计校核如下：
链传动是属于带有中间饶性件的啮合传动。其优点是不存在打滑现象而且能保持准确的传动比，传动效率较高作用于轴上的径向压力较小，船东较为紧凑。
(1)本阀门选取滚子链其主要参数如下：(GB1234.1)
分度圆直径：d = 200 mm 齿顶圆直径： d=300mm
厚度： h= 100mm 内孔直径 ： d= 30 mm
齿数为 20 齿轮线速度为6m/s
(2)链条长度的计算
链轮中心距为1150mm,所以选取链条长度为：
L=1150*6=6900mm
链条类型选取08B型（08B－1×880）
包角的计算
由以上计算得知包角符合链传动要求，链速以及作用在轴上的压力校核正确。
2．5．2各部分轴承的选取与校核
本阀板所用轴承为两种一种是深沟球轴承，一种是角接触轴承。其中深沟球轴承主要承受径向载荷，也可承受较小的轴向载荷。当量摩擦系数最小，在高速旋转时，可用来承受轴向载荷。工作中允许内、外圈轴线偏斜量小于或等于8度到16度。可大量生产，价格最低。
而角接触轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷，也可单独承受轴向载荷。能在较高转速下正常工作。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。承受轴向载荷的能力与接触角有关。轴向角大的，承受轴向载荷的能力也高。
其中，深沟球轴承用于轴向力较小的齿轮齿条之间的传动。选取60000系GB/T276列，其基本参数如下：h
内径 d = 120 mm 外径 D = 215 mm
厚度 B = 40 mm 外径线速度 1.5 m/s
用寿命计算公式校核计算公式如下：
代入数据计算得轴承使用寿命符合设计要求 基本更换期为六个月。
角接触轴承用于链轮鱼丝杠螺母之间的运动转换，由于后阀板的运动需承受一定的轴向力。采用双列圆锥滚子轴承使用，可承受双向的轴向载荷，本设计选取GB/T229系列。其主要参数为：
内径 d = 60 mm 外径 D = 80 mm
厚度 2B = 20 mm 外径线速度 v = 1.25 m/s
其轴向力计算该公式为

经计算轴向载荷远小于轴承能承受的载荷大小所以轴向力满足要求不会造成轴承实效。
由寿命计算公式：
=

计算得知 轴承使用寿命为两个月。
2．5．3 齿轮齿条传动机构的选取
此阀门的阀板开启与闭合主要通过齿轮带动与齿条连在一起的阀板进行水平移动。本阀门选取直齿传动。
齿轮的失效形式主要包括轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形等 。本齿轮材料选用40Cr 。
齿轮基本参数为：
分度圆直径 D = 300 mm 厚度 B =30 mm
模数 m = 3 齿数 Z = 100
本传动为一般工作机器，速度不高故选取7级精度（GB10095－88）
齿轮硬度为280HBS。由于齿轮与齿条啮合在齿轮箱内，属于非是啮合。所以齿轮校核齿面强度即可。
由齿面强度计算公式校核如下：

选取载荷系数为 =1.3
计算齿轮传递的转矩=95.51/=95.51000005/960=5.87.mm
齿宽系数 =1 弹性影响系数 = 189.8
齿轮齿条解除疲劳强度极限 = 600 Mpa
即除疲劳使用应力，取安全系数S = 1 有
[] = = 0.9 600 Mpa = 540 Mpa
有计算如下：
= 2.32 mm
= 31.251 mm
由于d 远大于计算所的所以齿轮校核正确，可以安全使用。
齿轮齿条为同线速度啮合， 容易控制阀板的速度与位移 其中齿条通过螺钉与于阀板连接 连接精度高传动平稳 。
与齿轮配合中轴主要承受径向力 和扭转力矩作用。其中径向力较小容易克服不会造成轴的失效。。
2．5．4驱动电机的选取
本设计涉及阀板的开启运动和前后阀体的密封，应该选取两个电机其中驱动齿轮齿条的电机需要连接减速器。
阀门电动装置按输出方式分为多回转型和部分回转型两种，前者用于升降杆式阀门，包括：闸阀、截止法、截流阀、隔膜阀等；后者用于回转杆式阀门，包括球阀、旋塞阀、蝶阀等。
操作力矩是选择阀门电动装置的最主要参数。电动装置的输出力矩应大于阀门操作过程中所需的最大力矩，一般前者应等于后者的1.2 1.5 倍 。有设计手册（表8-16）查得：
公称通径通径为1000mm，公称压力为0.25 Mpa 力矩为1800N*M
阀门电动装置转动圈数可由下式计算

其中M 表示转动总圈数 H 表示阀板移动总距离
SZ 表示一圈移动的距离
一号电动机转动圈数为

二号电动转动圈数为

此法为闸阀，所以选取回转型电机。由以上数据根据阀门设计手册
可以选取SMC 型电机，其主要参数如下：
电动机一主要参数：（SMC － 2型）
功率3.00 KW 转矩 20 N*M 电流 7.79 A
输出转矩 2500N*M 输出转速 6
允许推力333/KN
电动机二主要参数；（SMC － 1型）
功率1.50 KW 转矩 10 N*M 电流 4.39 A
输出转矩 1800N*M 输出转速 10
允许推力245 KN
其中电动机以用于阀板的启闭，电动机二用于后阀体的加紧 。
2．5．5阀门的密封
阀门必须具有良好的密封性能，用于危险场合的阀门尤其应当如此[25]。
填料是保证良好密封的主要部件，在选择填料材料时要考虑到以下几个因素：（1）填料的制作；（2）使用压力；（3）使用温度；（4）阀杆的材料。综合考虑以上几个因素，最终采用石棉填料。

结 论
虚拟设计是将计算机技术、虚拟现实技术、实体模型技术、工作流程管理技术等工具有机地结合起来，提供一种基于虚拟原型的产品设计过程开发与管理的数字化设计环境。
21世纪，制造业的发展正朝着柔性化、灵捷化、智能化和信息化的方向发展，而虚拟设计技术显然迎合了这样的一种发展趋势，它必将成为制造业的主流技术。而一个企业一旦掌握了这样的一项技术，也就等于拥有了在激烈的市场竞争中永立不败之地的制胜法宝。[8]
致 谢
作为我们大学的最后一次设计,我开始没有信心和耐心来完成,是老师谨慎,精益求精的治学态度深深地感染了我，使我最终坚定了决心，并最终提前完成了毕业设计。
起先设计过程非常的枯燥,进展非常慢,老师不断鼓励和督促我们,使我们一步一步地赶上并且超越了设计进度,确保了设计的质量.老师平易近人的态度对我们的影响很大,渐渐地他从我们敬畏的师长变成了我们的好朋友.
借此机会，我也要向我的父母表示深深的谢意。十六年寒窗,正是父母用自己的血汗供我走过了这一段求学之路。父母的教诲，和那殷殷期盼的目光深深印在了我的心里,使我遇山过山，遇水涉水，不再惧怕挫折和困难。
最后衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对论文进行评审的各位专家和培养、教育我的母校。谢谢。
参　考　文　献
1 刘宏增 黄靖远.虚拟设计，北京:机械工业出版社，1999
2 孙桓 ,傅则绍.机械原理[M].北京:高等教育出版社 ,1994.
3 鹿彪，张立红.金属硬密封电动扇型阀的设计与研制[J]阀门 ,1996,(03)
4 王春莲.电动扇型阀橡胶密封泄漏原因的分析与防止措施. 机械制造，2001，（11）：
5 王卫斌,赵明义.双偏心金属密封电动扇型阀设计[J]阀门 ,1997,(03) .
6 上海华通集团明精防腐阀门制造有限公司.HomePage:
7 李启炎.三维CAD及制图教程[M].上海:同济大学出版社,2000.9