大口徑楔式閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張建斌

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031）

大口徑楔式閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張建斌

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031）

針對大口徑楔式閘板進(jìn)行了相關(guān)研究，主要包括閘板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（具體為各主要零部件的尺寸設(shè)計(jì)）與尺寸優(yōu)化。首先對大口徑楔式閘板工作原理與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，接著對主要零部件尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并依據(jù)實(shí)際需求合理的優(yōu)化了計(jì)算出來的尺寸，對各零部件材料也進(jìn)行了選擇。最后針對各個(gè)零部件的許用應(yīng)力進(jìn)行了強(qiáng)度校核。結(jié)果表明設(shè)計(jì)完全能夠滿足所需的強(qiáng)度要求。

大口徑楔式；閘閥；優(yōu)化

閥門通常是用于調(diào)節(jié)氣體或液體流量、壓力和流向的裝置，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中十分常見。閥門在石油開采、冶金、設(shè)備制造等領(lǐng)域均有重要作用。閘閥是工業(yè)領(lǐng)域中最為常見的一種閥門，其原理為在動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下，閘板在閥體內(nèi)部垂直運(yùn)動(dòng)，一般用于切斷閥體內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)，有全開和全關(guān)兩種模式。一般的閘閥主要由五部分構(gòu)成，包括閥桿、閥蓋、閥座、閘板和閥體等。

由于形狀的不同，閘閥包括楔式和平行式兩種，本文就將研究一種楔式閘閥。圖1給出了一種典型楔式閘閥的結(jié)構(gòu)示意圖。楔式閘閥的特點(diǎn)就是其閘板呈楔式，流道中心線與旁邊的密封面間成某一夾角。依據(jù)閥桿的運(yùn)動(dòng)形式，還可以分為明桿式和暗桿式閘閥，通常情況下，暗桿式閘閥在大口徑楔式閘閥設(shè)計(jì)中運(yùn)用較多，因?yàn)榇罂趶介l閥對空間要求比較高。大口徑楔式閘閥主要用于供水和工業(yè)管道上，其中閥體質(zhì)量占總體質(zhì)量的70%。由于閥體受到結(jié)構(gòu)長度的限制，其閘板內(nèi)腔形狀通常為橢圓形或者扁圓形。

圖1 一種典型的楔式閘閥示意圖

1 閘閥結(jié)構(gòu)與工作原理分析

本研究采用的大口徑楔式閘閥總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，圖中所含主要部件包括1電動(dòng)機(jī)構(gòu)、2閥桿、3支架、4閥蓋、5閥體、6閥板以及一些附件。

利用螺紋絲杠傳動(dòng)的原理將力由電動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞至閘閥，進(jìn)而帶動(dòng)閥桿和楔式閘板的上升或下降來實(shí)現(xiàn)打開或關(guān)閉閥門。閘閥打開的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供打開的動(dòng)力，通過閥桿驅(qū)動(dòng)其以一定速度向上方運(yùn)動(dòng)，一般速度為10mm/s。一般會(huì)給閘板設(shè)定一個(gè)預(yù)設(shè)高度，當(dāng)其達(dá)到預(yù)設(shè)高度后，電動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)終止動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，此刻閘板處于完全打開的狀態(tài)，介質(zhì)能夠順暢流通。對于大口徑的楔式閘閥而言，其具有流量調(diào)節(jié)的作用，即能夠依據(jù)閘板的高度對流動(dòng)介質(zhì)的流量進(jìn)行調(diào)控。在閘板關(guān)閉時(shí)，閘板高度逐漸降低，當(dāng)其下降到最低點(diǎn)時(shí)，閘板下凹槽產(chǎn)生細(xì)微的形變。發(fā)生形變是具有好處的，主要表現(xiàn)為密封效果更好，原理即為能夠彌補(bǔ)長時(shí)間使用密封圈等造成的空隙。

本文研究的大口徑楔式閘閥具有打開和關(guān)閉兩種模態(tài)。打開時(shí)，閥體也具有輸送介質(zhì)的功能，可以視為管道的一部分；關(guān)閉時(shí)，由于輸送管道需要同時(shí)抗拒拉應(yīng)力和介質(zhì)的作用力，因此閥體需要具有足夠的強(qiáng)度。

閘板是另外一個(gè)關(guān)鍵的部件，在閥門開啟和關(guān)閉過程中具有重要作用。在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閘板需要承受來流介質(zhì)約1.6MPa的壓強(qiáng)，而在介質(zhì)流出段幾乎不受力，因此閘板很容易發(fā)生形變。工程中，對于閘板的強(qiáng)度、剛度都有嚴(yán)格的要求，且要求其密封性能好，可靠性較高。

2 大口徑楔式閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要零件尺寸設(shè)計(jì)

圖2 大口徑楔式閘閥總體結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要對大口徑楔式閘閥進(jìn)行研究，本節(jié)針對閥體、法蘭、閘板等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。閘閥采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，DN=600mm，P=1.6MPa。

2.1.1 閥體尺寸設(shè)計(jì)

閥體材料選擇為鑄鐵QT450-10，體型為扁圓形。閥體關(guān)鍵尺寸之一即為閥體壁厚，壁厚采用式（1）進(jìn)行估算：

圖3 本文所用法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 設(shè)計(jì)閥桿結(jié)構(gòu)示意圖

式中SB'即為估算壁厚，單位mm；P為計(jì)算壓力，單位MPa；Dm為計(jì)算內(nèi)徑，單位mm；[σL]為許用拉應(yīng)力，單位MPa；C為附加余量，單位mm。根據(jù)所選擇的材料，初步估算得到壁厚為17.2mm，為保證設(shè)計(jì)冗余，實(shí)際中采用20mm厚度。

2.1.2 法蘭尺寸設(shè)計(jì)

由于在國標(biāo)中沒有現(xiàn)成的大口徑閥門的法蘭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文采用Gb/T 9113.1-2000《平面、凸面整體鋼制管法蘭標(biāo)準(zhǔn)》。再根據(jù)本文研究對象，初步設(shè)計(jì)法蘭結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3。圖3中尺寸由上到下分別為840mm、770mm、720mm和690mm。

2.1.3 閘板尺寸設(shè)計(jì)

與閥體相同，閘板采用的材料同樣為鑄鐵QT450-10。與之不同的是，閘板外表面包覆有丁腈橡膠。其目的是，在閘閥處在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，能夠增強(qiáng)閘閥的密封性能。閘板厚度的預(yù)估公式如式（2）

式中，SB'即為估算閘板厚度，單位mm；R為中間薄板的半徑，單位mm；K為認(rèn)為給定的安全系數(shù)，本文取0.75；P為計(jì)算壓力，單位MPa；[σw]為許用拉應(yīng)力，單位MPa；C為附加余量，單位mm。根據(jù)所選擇的材料，初步估算得到閘板厚度為23.74mm，為保證設(shè)計(jì)冗余，實(shí)際中采用24mm厚度。

2.2 閥桿設(shè)計(jì)與校核

閥桿是閥門的關(guān)鍵零件之一，如果出現(xiàn)閥桿變形或者斷裂等現(xiàn)象，可能造成不能設(shè)想的安全事故，因此需要對閥桿強(qiáng)度進(jìn)行校核，確保能夠承受一定范圍內(nèi)的作用力。閥桿的材料選擇為45號鋼，該材料在熱處理之后具有較好的韌性、塑性以及耐磨性。一般采用的熱處理方式為調(diào)質(zhì)熱處理工藝，本文設(shè)計(jì)的閥桿初步如圖4所示。閥桿外徑為70mm，內(nèi)徑52mm。

由于閘閥存在打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)，因此需要分別對兩種狀態(tài)的受力進(jìn)行分析，這里主要對軸向力進(jìn)行分析。在閥門打開時(shí)，閥桿所受軸向力采用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

在閥門關(guān)閉時(shí)，閥桿所受軸向力采用式（4）進(jìn)行計(jì)算：

其中，QP為介質(zhì)對閥桿施加的軸向力，其計(jì)算公式如式（5）

dF為閥桿的直徑，單位mm；P為介質(zhì)壓力，單位MPa；QT為閥桿與填充料之間的摩擦力，采用式（6）進(jìn)行計(jì)算：

其中hT為填充料的總高度，單位mm；uT為閥桿和填充料間的摩擦系數(shù)，本研究中采用石棉進(jìn)行計(jì)算，摩擦系數(shù)為0.15；Q'和Q''就表示關(guān)閉和打開時(shí)閥桿所受的軸向作用力。

由上式可以計(jì)算得到Q'=109.6kN，Q''=161.84kN.由此得到最終結(jié)果，在閥門打開和關(guān)閉時(shí)閥桿所受的軸向作用力為：

由此可見，閥門在處于開啟狀態(tài)時(shí)手的軸向力還要更大，達(dá)到158.68kN。

另外，在對閥桿強(qiáng)度校核過程中還需要對其剪切力進(jìn)行校核，檢驗(yàn)閥桿頭部強(qiáng)度能否滿足要求。

2.3 中法蘭螺栓組設(shè)計(jì)

在進(jìn)行受力分析之前，需要選擇中法蘭螺栓組的布置方案，本文選擇螺栓數(shù)均勻布置.

由于閥蓋上受到介質(zhì)向上的作用力，大小為1.6MPa左右，因此螺栓組主要受到軸向力的作用。螺栓在工作時(shí)的載荷為F=334.4kN，由此確定各個(gè)螺栓上所需要的預(yù)緊力大小為：

由此得到各個(gè)螺栓所受的總的拉應(yīng)力大小為：

本文中螺栓采用材料為45號鋼，由于是標(biāo)準(zhǔn)件，因此可以查到其屈服極限為σs=320MPa，安全系數(shù)給1.5，那么計(jì)算得到螺栓的許用應(yīng)力為213MPa

根據(jù)公式可以得到螺栓危險(xiǎn)截面的直徑，即螺紋小徑大小為：

因此，按照國家標(biāo)準(zhǔn)可以選擇合適的螺紋，本文選擇為公稱直徑為15mm的螺栓。

2.4 閘板T型槽道設(shè)計(jì)

圖5給出了文中設(shè)計(jì)的T型槽道的結(jié)構(gòu)示意圖。T型槽道是用于閘板上方與閥桿連接的零件。根據(jù)前人試驗(yàn)結(jié)果可知，T型槽道的危險(xiǎn)截面為圖中的C截面，因此需要對C截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，主要是進(jìn)行彎曲應(yīng)力校核。

圖5 T型槽道的結(jié)構(gòu)示意圖

由式（9）對T型槽道進(jìn)行強(qiáng)度校核：

其中，wσ為材料的彎曲許用應(yīng)力，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)查的為83MPa。

由式（10）計(jì)算得到的結(jié)果為28.9MPa，小于彎曲許用應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)的T型槽道滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)語

本文以大口徑楔式閘閥為研究對象進(jìn)行了分析，闡明了其結(jié)構(gòu)與工作原理，并對主要零部件尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括閥體壁厚、閥桿直徑、法蘭直徑、閘板厚度以及閥體結(jié)構(gòu)長度，接著對各個(gè)尺寸進(jìn)行了實(shí)際需求優(yōu)化，對各零部件材料也進(jìn)行了選擇，最終將一完整的大口徑楔式閘閥設(shè)計(jì)出來。文中還針對各個(gè)零部件分析了許用應(yīng)力，并運(yùn)用相關(guān)公式以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果表明本文的設(shè)計(jì)完全能夠滿足所需的強(qiáng)度要求。

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