闸阀设计与计算的基本内容

闸阀设计与计算的基本内容一、设计输入即设计任务书。

应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等），使用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构长度、连接型式、产品的检验与试验等） 二、确定阀门的主体材料应根据设计输入的参数，经综合考虑后确定适用的阀门主体材料。

三、确定阀门承压件的制造工艺方法(铸造、锻造、焊接、铸焊……) 四、确定阀门总体结构型式（即方案设计），为便于讲解，本节内容按明杆，楔式，蝶型开口阀盖，代中法兰，填料压紧的结构设计。

五、确定阀门的结构长度和连接尺寸 六、确定阀体阀座处的流通通道尺寸 七、闸阀的设计与计算此部份很关键，属于技术设计范畴，应边计算边绘制总图。

1．承压件壁厚的计算2．密封副的总作用力和比压的计算3．阀体与阀盖的连接型式和密封结构的确定 4．阀杆的强度计算 5．闸板的强度计算 6．中法兰的强度计算 7．阀盖的强度计算 8．支架的强度计算 9．阀杆螺母的强度计算 10．填料压盖的强度计算 11．活节螺栓的强度计算 12．销轴的强度计算13．选配电动或气动传动装置及确定手动传动手轮的直径 14．阀门流量系数的计算 7.1 承压件壁厚的计算承压件壁厚的确定方法有以下三种，即查表法，插入法和计算法。

7.1.1 查表法若设计输入明确规定了是标准阀门，并且其参数在相应标准规定范围内时，可按指定的相应标准规定的值查出。

7.1.2 插入法此种情况，适用于设计输入的参数与标准内容的规定值不一致的情况下，亦即不能按设计输入的参数值在标准中直接查出此时，可按下述方法进行插入计算：()N N1m m1m2m1N2N1P P t t t t P P -=+--式中：t m ：需计算和确定的承压件壁厚 t m1：查P N1时的壁厚 t m2：查P N2时的壁厚 P N1：公称压力的小值P N2：公称压力的大值7.1.3 计算法：1、计算壁厚的原则1）对脆性材料和塑性材料，其适用的公式不同2）对薄壁容器和厚壁容器，其适用的公式也不同，一般以计算处的外径（D ）和内径（d ）之比来区分：当D /d ≤1.2时，为薄壁容器 D /d ＞1.2时，为厚壁容器3）计算时，应以承压件最大内腔尺寸为依据，一般以阀门通道内径为基准计算 4）承压件形状不同，应按不同的公式进行计算 5）阀体与阀盖的壁厚可取同一值。

2、计算壁厚的方法：目前，承压件壁厚的计算方法基本上分为我国和国外计算法（若无明确规定以下内容均按薄壁容器计算）。

1）国内计算公式：对圆筒型和腰鼓型承压件：[]L N2.3P D t C Pσ=+-g式中：P ：设计压力 取PN （MPa ） D N ：计算处的内径 （mm ） [σL ]：许用拉应力 （MPa ） C ：附加余量 （mm ） 对球型承压件：[]L 2P Rt C σ=+g 对非圆筒型承压件：（略） 2）国外计算公式国际上公认的权威计算公式为ANSI B16.34规定的计算法Pc d 1.52 1.2Pc t C S ⎛⎫=+ ⎪-⎝⎭g式中： t ：计算处的壁厚 （in ）P C ：用Psi 表示的压力等级符号，用相应的磅级值例150磅级用150Psi 代入 d ：计算处的内径 （in ） S ：应力系数 取S=7000PsiC ：附加余量，由设计考虑各种因素后的附加值3）为了与国外的计算公式统一，我国对ANSI B16.34的公式按国际计量单位进行换算1N N 1N P D 1.52 1.2P k t C S k ⎛⎫=+ ⎪-⎝⎭g g式中：P N ：公称压力 （MPa ）D N ：计算处的内径 （mm ）k 1：壁厚系数当 P N =2.0MPa 时，k 1=1.3 P N ≥5.0MPa 时 k 1=1S ：材料的许用应力，一般取S =118MPaC ：附加余量 对执行ANSI B16.34时，C =2.5mm对执行API 600时，C =6.3mm7.2 密封面比压和密封面上总作用力的计算 7.2.1 密封面比压的计算1、密封面比压的满足条件 q MF ＜q ＜[q ]式中：q MF ：密封面上的必须比压 查[资料1]表3-13 q ：实际比压 （MPa ）[q ] ：密封面的许用比压 查[资料1]表3-14 2、实际密封面比压的计算 ()MZm mb b Q q d π=+g式中：q ：实际密封面比压 （MPa ）Q MZ ：出口端阀座密封面上的总作用力（N ） d ：阀座密封面内径 设计给定 （mm ） b m ：密封面宽度 设计给定 （mm ） 7.2.2 密封面上的总作用力Q MZ 的计算式中：ψ：闸板楔半角（度）f ′m ：关闭时密封面间的摩擦系数，可由下式确定MJ Q MJ =0.785(d +b m )2·PQ MF ：密封面上达到必须比压时的作用力（N ）Q MF =π（d +b m ）b m ·q MF式中：P ：为允许的最大工作压力 （MPa ）设计给定d ，b m ，q MF ：见7.2.1规定7.3 阀体与阀盖连接型式和密封面结构的确定7.3.1 阀体与阀盖连接型式的确定阀体与阀盖的连接型式有：法兰连接、自紧密封连接、焊接连接、螺纹连接和卡箍连接等型式，在本节中采用法兰连接型式。

7.3.2 法兰密封面结构的确定在阀门中法兰连接中，其密封面结构有光滑式、凹吕式、榫槽式、径向自紧等多种型式，具体可参见[资料1]中表5-285，本节采用光滑式。

7.4 阀杆的强度计算7.4.1 计算阀杆总的轴向力闸阀阀杆总的轴向力在阀门开启和关闭时最大，其计算公式为：关闭时：Q FZ ′=Q + Q P + Q T 开启时：Q FZ ″+ Q +Q T - Q P式中：Q P ：介质作用在阀杆上的轴向力 （N ） 对单面强制密封时：2P 4Q dF P π=g g （N ）式中：d F ：阀杆直径 设计给定 （mm ） 对双面强制密封时：Q P =0Q ′：关闭时，阀杆密封力 Q ″：开启时，阀杆密封力Q ′和Q ″亦即是阀杆与闸板间的轴作用力 （N ） 其简化公式见[资料2]附表4-88 Q T ：阀杆与填料间的摩擦力（N ） Q T =π·d F ·h T ·μT ·P式中：d F ：阀杆直径，设计给定或按标准中规定的最小直径 （mm ） h T ：填料层总高度，设计给定 （mm ）μT ：阀杆与填料间的摩擦系数 对石棉和柔性石墨：μT =0.15对聚四氟乙烯 ：μT =0.05～0.01P ：介质压力，设计给定 （MPa ）7.4.2 阀杆的强度计算1.阀杆的抗拉和抗压强度计算 阀门开启时：σL =Q FZ″/F ≤[σL ] 阀门关闭时：σY =Q FZ ′/F ≤[σY ]式中：Q FZ ′，Q FZ ″：分别为阀杆关闭和开启时总的作用力 （N ）F ：阀杆最小截面积（螺纹根部或退刀槽处） mm 2[σL ]，[σY ]：分别为阀杆材料选定时的许用拉应力和许用压应力，查[资料1]表3-7 2.阀杆的扭转剪切应力计算 1）τN = M /ϖ≤[τN ]式中：M ：计算截面处的力矩（N ·mm ），应按开启和关闭时分别计算ϖ：计算截面的抗扭断面系数（mm 3）对圆型截面ϖ=0.2d3[τN ] ：选定材料的许用扭转剪切应力 （MPa ） 查[资料1]表3-72）计算开启和关闭时阀杆总扭矩M可按[资料2]表4-91计算表4-91 闸阀阀杆的力矩计算式类型推力轴承状态 计算式明杆闸阀无关闭 M ′FZ = M ′FL + M ′FJ （4-189） 开启 M ″FZ = M ″FL + M ″FS （4-190） 有关闭 M ′FZ = M ′FL + M ′g （4-191） 开启 M ″FZ = M ″FL + M ″g （4-192） 暗杆闸阀关闭 M ′FZ = M ′FL + M FT + M ′TJ （4-193） 开启M ″F ·Z = M ″FL + M FT + M ″TJ （4-194）注：符号说明：M ′g 、M ″g ——关闭和开启时推力轴承的摩擦力矩（N ·mm ）；M ′TJ 、M ″TJ ——关闭和开启时阀杆凸肩与支座间的摩擦力矩（N ·mm ）。

式中： M FT ：阀杆与填料间的摩擦力矩（N ·mm ）M ′FL ：关闭时，阀杆螺母与阀杆螺纹间的摩擦力矩（N ·mm ） M ′FL = Q ′FZ ·R ′FM式中：Q ′FZ ：阀门关闭时，阀杆总的轴向力 （N ）R ′FM ：阀门关闭时，阀杆螺纹的摩擦半径 （mm ） 可查[资料2]表4-86查表时，具有润滑条件下的螺纹摩擦系数f L 数据可查[资料1]表3-16（1）M ″FL = Q ″FZ ·R ″FMM ′FJ ：关闭时，阀杆螺母凸肩与支架的摩擦力矩（N ·mm ）具体结构见图示cpFJ FZ FJ 2d M Q f ''=g g （N ·mm ）式中：f FJ ：摩擦系数 查[资料2]表4-90d cp :接触面的平均直径 （mm ） d cp =d 1+ d 2/2M ″FS ：开启时，手轮下端面与支架间的摩擦力矩（N ·mm ）cpFS FZ FS 2D M Q f ''''=g g （N ·mm ） 式中：f FS ：手轮与支架间的摩擦系数，取0.2～0.25 D cp ：手轮与支架接触面的平均直径（mm ），由设计给定。

M ′g ：有推力轴承时，关闭时的轴承摩擦力矩（N ·mm ）cpg FZ g 2d M Q f ''=g g （N ·mm ）式中：f g ：推力轴承的摩擦系数，可取f g =0.005～0.01 d cp ：推力轴承的平均直径 （mm ） 设计给定 M ″g ：有推力轴承时，开启时的轴承摩擦力矩 （N ·mm ）cpg FZ g 2d M Q f ''''=g g （N ·mm ）3. 阀杆合成应力的校核()[]2y 24N σσστσ∑∑=+≤2L 或 （MPa ）式中：[σΣ]：阀杆材料确定后的许用合成应力 （MPa ） 查[资料1]表3-7 4. 阀杆端部的强度计算（按[资料2]）1）剪切应力的校核T[]2Q Q B hττ''-=≤g g式中：Q ：开启时，阀杆的轴向力 （N ） Q T ：阀杆与填料间的摩擦力 （N ） B 和h ：见图示，为承受力的尺寸（mm ）设计给定[τ]：材料确定后许用剪切应力 （MPa ） 查[资料1]表3-7 2）弯曲应力的校核 ()()2T W W 23[]4Q Q D A a B hσσ''-+-=≤g g 式中：D 、A 见图示，由设计给定 （mm ）[σW ]：材料确定后的许用弯曲应力（MPa ） 可取[σW ]=1.2[σL ] 5. 阀杆的稳定性计算1）阀杆的柔度（细长比）λ的确定FL iμλ=g式中：λ：阀杆的柔度μ：与阀杆=端支撑有关的长度系数对闸阀属于中间无支撑 查[资料2]表4-94i ：阀杆的惯性半径（mm ）对圆截面：F4d i =2）确定阀杆的上临界柔度λ2和下临界柔度λ1阀杆的λ2和λ1可查[资料2]表4-95 3）阀杆的稳定性验算 ① 若1λλ≤此时状态为低细长比即中柔度压杆，不进行验算 ② 若1λ<λ<2λ此时状态为中细长比即小柔度压杆，需满足下列条件:≤y σ[y σ]1w式中: y σ:阀杆的压应力（MPa ）y σ=2F0.785d 'Q FZ式中：FZ 'Q ：常温关闭时，阀杆总的轴向力（N ）F d ：阀杆直径（mm ）设计选定[y σ]1w ：中细长比压杆的稳定许用应力（MPa ） [y σ]1w =nλb a -（MPa ） 式中：a ，b ：依赖于材料性质的系数（MPa ） 查［资料2］表4-96 n:稳定安全系数 取n=2.5 ③ 若2λλ≥此时状态为高细长比（大柔度）压杆，应该满足下列条件：≤y σ[y σ]2w式中：y σ：同上述[y σ]2w ：高细长比压杆的稳定许用应力（MPa ）[y σ]2w =22n Eπλg （MPa ）式中：E ：常温时阀杆材料的弹性模数 可查[资料1]表3-6 7.5 闸板的计算（见[资料2]）闸板厚度的校核按下表表4-72 闸板厚度S B 的校核表4-73 附加裕量C 值表4-74 圆板系数值3.0 1.88 0.703 1.205 3.34 1.54 2.15 1.21 1.880 固定周边： 0.754.0 2.17 0.933 1.514 4.30 2.23 2.99 1.45 2.085.02.341.131.7455.102.803.691.592.19图示结构为楔式单闸板7.6 中法兰的强度计算7.6.1 中法兰的强度计算的原则1. 中法兰的设计必须保证在工作温度和工作压力下有足够的强度和密封性。