PN40DN300雙缸氣動彈性單閘板閘閥設計含10張CAD圖
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摘 要
閥門在國民經濟的各個部門中有著廣泛的應用。閥門安裝在各種管路系統中用于控制流體的壓力，流量和流向。由于流體的壓力、流量、溫度和物理化學性質的不同，對流體系統的控制要求和使用要求也不同，所以閥門的種類和品種規格非常多。
本文著重介紹了閘閥，對閘閥的各種重要組成部件進行驗算，以達到理論上驗算合格才可使用。在計算時，嚴格按照參考書及手冊的步驟核算，同時應保證所設計產品的材料低廉。
關鍵詞： 閥門，閘閥，計算。
Abstract
The valve in the various sectors of the national economy has been widely used. Valve installed in the various kinds of piping system is used to control the fluid pressure, flow and direction of flow. Due to the fluid pressure, flow rate, temperature and different physical and chemical properties, of the fluid system control demands and use is also different, so the valve types and varieties of specifications.
This paper emphatically introduces the gate, the gate of a variety of important components for calculation, theoretical calculation is eligible to use in order to achieve. In computing, in strict accordance with the reference and the steps of the manual, and shall ensure that the design product material is low.
Keywords：Valve, Slide Valve, Account.
目錄
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒 論 6
1.1閘閥的定義 7
1.1.1 閘閥的種類 7
1.1.2 閘閥的密封原理和特點 8
1.1.3 閘閥優點 8
1.1.4 閘閥的缺點 8
1.2選題意義 9
1.3 國內外閥門的發展 9
1.3.1 國外閥門的發展 9
1.3.2 國內閥門的發展 10
第二章 雙缸式氣動楔式閘閥結構及使用注意事項 12
2.1 工作原理及特點 12
2.1.1 雙層氣缸和緩沖機構 12
1.1.2 關閥時間可調 12
1.1.3 可配用回訊器（見圖2） 12
1.1.4 耐腐防蝕的氣缸 12
1.1.5 氣缸中的密封圈 12
2.2 氣動閥的結構及使用方法 14
2.2.1 氣動閥的結構（見圖3） 14
2.2.2 使用方法 14
2.3氣動閥的維護注意事項 14
第三章 閥體的設計與計算 16
3.1 閥體的功能 16
3.2 閥體的選材 16
3.3 閥體的結構形式和制造方法 17
3.4 確定閥體的結構長度和連接尺寸 17
3.5 結構設計與計算 18
3.5.1 閥座密封面的設計與計算 18
3.6 閥體壁厚的設計與計算 20
3.7 中法蘭的設計與計算 21
3.7.1中腔尺寸 DN 確定 21
3.7.2 中法蘭墊片尺寸和材料的選擇 21
3.7.3 中法蘭結構尺寸的確定 21
3.7.4 螺栓的總計算載荷 22
第四章 閘板的設計與計算 25
4.1 閘板密封面寬度和內徑的選取 25
4.2 閘板與閥體檔寬及相應公差的計算 25
4.3 閘板主要結構尺寸的確定 26
4.3.1 閘板與閥桿頭部相配合的 T 型槽尺寸 26
4.3.2 閘板密封面外徑 27
4.3.3 閘板其他機構尺寸 27
4.4 閘板密封面比壓計算 27
4.5 閘板強度的校核 28
第五章 閥桿的設計與計算 29
5.1 閥桿總軸向力 29
5.1.1 關閉時楔式閘閥作用于閥桿上的力 29
5.1.2 開啟時楔式閘板作用于閥桿的力 29
5.2 閥桿的直徑估算 30
5.3 閥桿的強度校核 30
5.3.1 閥桿的總扭矩 30
5.3.2 閥桿的強度計算 31
5.4 閥桿的穩定性校核 32
5.4.1 影響因素 32
5.4.2 上閥桿的穩定性校核 33
5.4.3 下閥桿的穩定性校核 34
5.5 閥桿主要尺寸的確定 34
5.5.1 下閥桿端部結構尺寸 34
5.5.2 下閥桿頭部結構尺寸 35
5.5.3 上閥桿的結構尺寸 35
第六章 閥蓋及填料裝置的設計與計算 36
6.1 閥蓋的設計與計算 36
6.2 填料壓蓋的設計與計算 37
6.2.1 填料選擇及填料函尺寸的確定 37
6.2.2 填料壓蓋的設計與強度校核 38
6.2.3 活節螺栓的設計與強度校核 40
6.2.4 銷的選擇與校核 41
6.3 上密封座尺寸 41
第七章 氣缸的設計與計算 42
7.1 氣缸的直徑粗估算與選取 42
7.2 氣缸的校核 42
第八章 其他主要零件的設計與校核 44
8.1 滾動軸承的選取 44
8.2 閥桿螺母的校核 44
8.3 上活塞與 T 型槽接頭連接螺栓的校核 45
第九章 結論 46
致 謝 47
參考文獻 48
第一章 緒 論
閥門是安裝在各種管道和設備等流體輸送系統中的控制部件，由閥體、閥蓋、閥座、啟閉件、驅動機構、密封件和緊固件等組成，具有導流、截止、調節、節流、防止倒流、分流或溢流卸壓等功能。用于流體控制的閥門，從最簡單的截斷裝置到極為復雜的自控系統，其品種和規格繁多。閥門的通徑小至用于宇航的十分微小的儀表閥，大至通徑達10m、重十幾噸的工業管路用閥。閥門可用于控制空氣、水、蒸氣、各種腐蝕性化學介質、泥漿、液態金屬和放射性物質等各種類型的流體流動。閥門的工作壓力可從1.3x10-3MPa到1000MPa的超高壓。工作溫度從—269℃的超低溫到1430℃的高溫。閥門可采用多種傳動方式，如手動、氣動、液動、電動、電 一 氣或電 一 液聯動及電磁驅動等；可以在壓力、溫度及其它形式傳感信號的作用下，按預定的要求動作，或者不依賴傳感信號而進行簡單的開啟或關閉。閥門依靠驅動或自動機構使啟閉件作升降、滑移、旋擺或回轉運動，從而改變其流道面積的大小以實現其控制功能。
閥門的種類繁多，隨著各類成套設備工藝流程和性能的不斷改進，閥門種類還在不斷增加，且有多種分類的方法
閥門在國民經濟中無所不有，它與生產、建設、國防和人民生活都有著密切關系。比如在石油、天然氣、煤炭、礦山的開采、提煉和輸送；化工、醫藥、輕工、造紙、食品的加工；水電、火電、核電的電力系統；農業灌溉；冶金系統；城市和工業企業的給排水，供熱、供氣、排污系統；船舶、車輛、航天、國防系統；各種運動機械的流體系統等等均離不開閥門產品。
本設計是以楔式彈性單閘板閘閥為設計對象，主要介紹了閘閥的結構特點和手動氣動轉換裝置的特點，以及其工作原理。閥門設計包括很多內容，包括通用部件的設計和專用部件的設計，又包括強度、尺寸等眾多計算過程。其中，設計閥門的關鍵在于閥門密封設計，其中閥桿的強度計算，以及穩定性計算也是重點。
閥門設計整個過程包括這樣幾個步驟。按設計參數確定結構，進行方案論證，工作原理受力分析，強度計算，穩定性校核，材料選擇，測繪總裝備圖和手動機構裝配圖和氣缸及閥門的全部零件圖（用 Auto CAD 繪制）。閘板密封面的受力分析，閘桿穩定性校核及閥門強度計算是重難點。其中包括這樣幾個重點步驟。首先對工作環境進行確定，選擇合適的方案，對設計的零件進行受力分析；然后根據國家標準和推薦尺寸來確定實際尺寸；最后對強度進行校核，繪制閥門工程圖。
1.1閘閥的定義
閘閥（gate valve）是指啟閉件（閘板）沿介質流動方向（通道軸線）的垂直方向移動而實現啟閉的閥門，作為截止介質使用，主要由閥體、閥蓋、支架、閥桿、閥桿螺母、閘板、閥座、填料函、密封填料、上密封座、填料壓蓋及傳動裝置等零件組成。在全開時整個流通直通，此時介質運行的壓力損失最小。閘閥主要由閥體、閥蓋、閥桿、支架（亦有與閥蓋一體）等驅動裝置組成，其結構在閥體內類似閘閥一樣的板狀物與無相配的兩閥座（或單閥座）之間垂直于流體移動，從而打開或切斷流道，但閘閥只能作全開和全關 , 不能作調節和節流。閘閥適用范圍廣泛，主要應用于石油、化工、電力、醫藥火力發電廠等行業。閘板有兩個密封面 , 最常用的模式閘板閥的兩個密封面形成楔形、楔形 角隨閥門參數而異 , 通常為 5°, 介質溫度不高時為 2°52' 。楔式閘閥的閘板可以做成一個整體，叫做剛性閘板；也可以做成能產生微量變形的閘板 , 以改善其工藝性 , 彌 補密封面角度在加工過程中產生的偏差 , 這種閘板叫做彈性閘板。
1.1.1 閘閥的種類
按密封面配置可分為楔式閘板式閘閥和平行閘板式閘閥 , 楔式閘板式閘閥又可分為:單閘極式、雙閘板式和彈性閘板式；平行閘板式閘閥可分為單閘板式和雙閘板式。
按閥桿的螺紋位置劃分，可分為明桿閘閥和暗桿閘閥兩種。
閘閥關閉時 , 密封面可以只依靠介質壓力來密封 , 即依靠介質壓力將閘板的密封面壓向另一側的閥座來保證密封面的密封，這就是自密封。大部分閘閥是采用強制密封的 , 即閥門關閉時，要依靠外力強行將閘板壓向閥座 , 以保證密封面的密封性。
閘閥的閘板隨閥桿一起作直線運動的，叫升降桿閘閥 ( 亦叫明桿閘閥)。通常在升降桿上 有梯形螺紋，通過閥門頂端的螺母以及閥體上的導槽，將旋轉運動變為直線運動 , 也就是將操作轉矩變為操作推力。
開啟閥門時，當閘板提升高度等于閥門通徑的1。1倍時，流體的通道完全暢通，但在運行時，此位置是無法監視的。實際使用時，是以閥桿的頂點作為標志，即開不動的位置，作為它的全開位置。為考慮溫度變化出現鎖死現象 , 通常在開到頂點位置上 , 再倒回 1/2－1圈 , 作為全開閥門的位置。因此 , 閥門的全開位置，按閘板的位置（即行程〉來確定。
有的閘閥 , 閥桿螺母設在閘板上，手輪轉動帶動閥桿轉動 , 而使閘板提升 , 這種閥門叫做旋轉桿閘閥或叫暗桿閘閥。
1.1.2 閘閥的密封原理和特點
1、密封原理
閘閥不管其具體結構如何，密封基本原理可分為如下三類：
（1）自動密封：即通過介質力，在Q介>Q密封條件下，使閥門在出口端密封。
（2）單面強制密封：即當通過閥桿軸向力作用在閘板后，進口端介質達到某一壓力后流入中腔，然后通過楔緊力和介質作用力作用下出口端密封。
（3）雙面強制密封：即當通過閥桿軸向力作用在閘板后，由于楔緊力而使進出口均密封。
2、特點
重量輕：本體采用高級球黑鑄鐵制成，重量較傳統閘閥重量減輕約20%~30%，安裝維修方便。
1.1.3 閘閥優點
1、流體阻力小 ：閥體內部介質通道是直通的，介質流經閘閥時不改變其流動方向。
2、啟閉所需的力矩較小，較省力。但是與截止閥相比而言，因為無論是開是閉，閘板運動方向均與介質流動方向垂直。
3、可以使用在介質向兩方向流動的環網管路上，即介質流向不受限制 , 不擾流、降低壓力。
4、形體簡單 , 結構長度短，制造工藝性好，適用范圍廣。
5、楔式閘閥閥體內部介質通道是直通的，介質流經閘閥時不改變其流動方向，因此流動阻力較小。
6、啟閉時閘板運動方向與介質流動方向相垂直，因而啟閉較為省力。
7、介質流動方向不受限制，可以兩側任意方向流過，均能達到充通或截斷的目的。便于安裝，適用于介質的流動方向可能改變的管路中。
8、明桿楔式閘閥的傳動螺紋在閥體外部，便于潤滑和不受流體腐蝕。因此可根據閥桿的運動方向和位置直觀地判斷閥所處的啟閉位置，不致因誤操而造成運行故
1.1.4 閘閥的缺點
1、密封面之間易引起沖蝕和擦傷，維修比較困難。
2、外形尺寸較大，開啟需要一定的空間，開閉時間長。
3、結構較復雜,一般閘閥都有兩個密封副，給加工研磨和維修增加了一些困難。
4、密封面易磨損，影響使用壽命。啟閉時，閘板與閥座兩個密封面相互摩擦滑動，要介質壓力作用下易產生擦傷磨損，影響密封性能，縮短使用壽命
1.2選題意義
氣動閘閥從八十年代進入我國。在不到二十年的時間里，其使用范圍從普通領域擴展到了更為廣闊的各行各業。從礦山電廠的選煤、排矸、排渣。發展到了城市的污水處理，從一般的工業管道發展到了食品、衛生、醫藥等專業管道系統。超薄型的刀閘閥以其體積小、流阻小、重量輕、易安裝、易拆卸等優點徹底解決了普通閘閥、平板閘閥、球閥、截止閥、調節閥、蝶閥等類閥門的流阻大、重量大、安裝難、占地面積大等的疑難問題。
隨著機電一體化的趨勢，以及微電子技術和計算機技術的發展，這些電動閥門在使用中出現越來越多的問題。比如控制精度不高、現場調試不方便、故障診斷方法不完善等，這就使得原有的電動閥門越來越無法適應現代工業發展的需要，必將被淘汰。因此對電動閥門這一重要的工業用機械產品進行有效的改造，提高其智能化程度，使其控制過程計算機化、通訊功能數字化、故障診斷處理智能化、檢測遠程化，都有著非常重要的意義。
氣動閥門的設計需要綜合考慮閥門、執行器、氣動元件以及閥門功能等多種因素，目前設計水平和制造水平與一流執行器閥門制造商還是有一定的差距，需要虛心學習，不斷提高。
國內外在提高閥門使用性能和使用壽命等方面進行了大量的研究工作包括閥門的可靠性分析、可靠性設計、可靠性試驗和提高閥門可靠性的各種方法。許多學者針對閥門進行了深入的研究研究內容主要部分為兩大部分，一部分是關于具體型號閥門失效模式的研究；另一部分是從理論的角度對一些故障機制和可靠性方法進行研究。目前在閥門可靠性研究領域密封問題、振動噪聲問題和可靠性試驗問題是人們關注的焦點也是難點。同時閥門作為典型的機械產品種類相當多，目前尚未有統一的規范來指導閥門的可靠性研究。因此，閥門可靠性技術研究的總結和展望對今后系統地進行閥門可靠性研究有重要的理論現現實意義。
1.3 國內外閥門的發展
1.3.1 國外閥門的發展
國外閥門研究機構對閥門的設計與基礎理論、新材料、新工藝、產品性能、可靠性和標準化的研究十分重視。國外閥門的科研特點如下:
(1)試驗研究與新產品開發密切結合。
(2)內部研究課題與引進國外技術密切。
(3)重視高新技術在閥門上的應用研究。
(4)重視高參數和特殊工況用閥門的試驗研究。
(5)重視閥門基礎理論的研究工作。
(6)重視現場試驗與改進工作[5]。
在 50 年代以前，國外的一些國家就已經形成了獨立閥門專業及其行業體系，有了閥門行業組織或者閥門專業學術組織。像美國、英國、東歐、西歐等都有了閥門行業協會，日本也有閥門工業會和閥門研究會，前蘇聯則有閥門設計研究院。這些閥門行業和專業組織，都是為了提高生產技術和對外競爭的需要而建立起來的。國際閥門貿易市場在最近幾年中十分活躍，競爭也相當激烈，實力較強的國家則是德國和美國，其中德國是世界最大的閥門出口國[6]。
隨著高壓技術的廣泛使用, 超高壓系統中的超高壓閥門性能直接影響整個系統工作的可靠性、安全性、工作效率和使用壽命，所以對閥門的材料選擇和結構提出了更高的要求。美國 HIP 公司的超高壓針閥, 工作壓力為690MPa的采用奧氏體316不銹鋼,工作壓力 1034MPa 的采用馬氏體型沉淀硬化不銹鋼17- 4PH[7]。
1.3.2 國內閥門的發展
閥門是隨著流體管路的產生而產生的。人類使用閥門已經有近 4000 年的歷史了。中國古代從鹽井中吸鹵水制鹽時，就曾在竹制管路中使用過木塞閥。公元前 1800 年，古埃及人為了防止尼羅河泛濫而修建大規模水利時，也曾采用過類似的木制旋塞來控制水流的分配。這些都是閥門的雛形。工業用閥門的大量應用，是從瓦特發明蒸汽機以后才開始的。二十世紀初出現了鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、不銹鋼、鉻鉬鋼、黃銅、球墨鑄鐵等各種 材質的閥門。應用于各個行業，各種工礦。國內最早引進國外閥門生產技術的公司不 多，后引進國外生產技術，使得國內閥門生產技術突破，質量提高，壽命加長[8]。隨著工業用陶瓷技術的開發成功，也出現了陶瓷材料閥門。陶瓷材料在低沖角下具有高的抗沖蝕性能[9]。目前中國四大閥門未來發展前景及趨勢：
（1）工程節能閥門走向系列；
（2）水力控制閥一閥多用；
（3）智能電動調節閥瞄準搖控；
（4）閥門邁向通用化[10]。
2009 年 1-12 月，全國累計生產閥門 4,583,935.72 噸，比 2008 年增長了 3.74%；2010年 1-12 月，我國閥門產量累計為 5,390,394.75 噸；2011 年 1-12 月，我國閥門的產量為5,958,729.61 噸；2012 年 1-4 月我國閥門產量達 2,041,987.98 噸。
在我國目前的閥門市場上，除低壓閥門達到國際市場能接受的水平外，高壓閥門仍然需要依靠進口[11]。從產品情況來看，我國閥門行業目前已經能生產十幾大類產品，如閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、安全閥、止回閥、節流閥、旋塞閥、減壓閥、隔膜閥、疏水閥、緊急切斷閥等，最高使用溫度達到 570℃，最低為-196℃，最高壓力為 600MPa，最大通徑達到 5350 毫米[12]。閥門產品市場的強勁需求，國有經濟持續穩定發展，固定資產投資逐步擴大。尤其是幾項世紀工程“西氣東輸”、“西電東送”、“南水北調”等項目的開工需要大量的閥門產品配套；另外，我國正面臨著工業化時代的到來，石化行業、電力部門、冶金部門、化工行業和城市建設等使用閥門大戶將增強對閥門產品的需求[13]。西氣東輸為代表的油氣輸送管線的建設和快速發展，我國高壓管線閥門的設計制造技術有了重要突破，特別是成功研制開發了用于主管線口徑為 NPS40 和 NPS48、壓力為 Class600 和 Class900 的高壓大口徑全焊接球閥，打破了國外閥門企業對于該領域的壟斷[14]。
電動和氣動兩種驅動形式的閘閥，是現在使用最為廣泛的閘閥類型，電動閘閥和氣動閘閥隨著閥門技術的不斷進步，向著高技術、高規格、抗腐蝕、壽命長的方向發展，兩者工作性能的提高，使其在行業中占的比重越來越大，得到更多的市場發展空間[15]。
第二章 雙缸式氣動楔式閘閥結構及使用注意事項
2.1 工作原理及特點
該氣動閥以(0.4～0.6)MPa（表壓）凈化壓縮空氣作為工作動力，推動活塞，帶動閘板作垂直于流體的位移，實現開啟或關閉閥門的目的。
2.1.1 雙層氣缸和緩沖機構
雙層氣缸和緩沖機構的工作原理，按閘閥工作的四個階段分述如下（見圖1）。
（1） 閘閥開啟前階段：上層氣缸的活塞（以下簡稱上活塞）和下層氣缸的活塞（以下簡稱下活塞）同時受力，閥桿在上 、下活塞的推動下，以單活塞近二倍的提升力，克服閘板密封面和閥體密封面之間的最大靜摩擦力，帶動閘板上升。
壓縮空氣由上氣缸的下氣室，經由設置在隔板內的特定通道，通過連通管，到達下氣缸的下氣室，推動上下活塞同時工作。下氣缸上氣室中的氣體，經過設置在隔板內的另—特定通道排出氣缸體外。
（2） 閘閥開啟的后階段：在閘板稍開啟以后，下活塞就運行到了上死點，閘板在上活塞帶動下，繼續提升，直至到了全開位置。
（3） 閘閥關閉的前階段：在上活塞的推動下，閘板離開全開位置，開始下降。
（4） 閘閥關閉的后階段：當上活塞碰到下活塞凸臺，并帶動下活塞一起繼續下降時，由于下氣缸上氣室的進氣通道和下氣缸下氣室的排氣通道設有阻礙，明顯地減慢了下行的速度，直至閘板下降到了全關位置。減緩閘板下行的沖擊，自行可關嚴閥門，又不使間板楔得過緊，同時還保護了密封面，免受猛烈沖擊而損壞。
1.1.2 關閥時間可調
通過調整，安裝在隔板上的緩沖機構，還可以在一定范圍內調整閘閥關閉的時間。
1.1.3 可配用回訊器（見圖2）
本閥可以配用電的或氣的回訊器，用以發送閥門開關狀態信息。因此，使用本閥可以實現遠距離控制、集中控制和自動控制。
1.1.4 耐腐防蝕的氣缸
本閥的氣缸選用無縫鋼管制造，內表面鍍鉻，并經拋光處理，具有摩擦力小、不易銹蝕、高硬度、壽命長等優點。
1.1.5 氣缸中的密封圈
采用耐油橡膠O形密封圈，密封性能可靠，維修時更換方便。
圖1 氣動閥的工作狀況
圖2 氣動閥的控制電路
2.2 氣動閥的結構及使用方法
2.2.1 氣動閥的結構（見圖3）
該閥主要由閥體、閥蓋、閘板、閥桿、密封圈、雙層氣缸及其活塞，活塞桿、隔板連同緩沖機構、手動機構、氣動——手動轉換裝置和閥蓋填料箱裝置等部分組成。
2.2.2 使用方法
閥門氣動時，上活塞行至行程上端點可頂上上回訊器，使之發訊；下活塞行至行程下端可頂下下回訊器，使之發訊，以作為閘閥開閉信息在中央操作室的模擬儀表盤上進行顯示。
2.3氣動閥的維護注意事項
(1) 本閥在使用中，要求將閘板全開全關，不允許將閘閥打開一部分作為調節流量的節流閥使用。否則，在介質流速的沖刷下使密封面損壞。
(2) 閥在使用期間，經常檢查氣源的分水過濾器、減壓閥和油霧器。必要時應定期在氣缸內壁加注少量潤滑油。
(3) 閥在使用期間，應視其動作頻繁程度進行定期檢查和維護。
(4) 供氣故障時，應及時將氣動轉換為手動，轉換時應先將轉換手柄向外拉出定位銷，手柄沿逆時針方向扳轉，并適度轉動手輪使手柄扳到位后，即可對閥門進行手動控制。當手動轉換為氣動時，手柄沿順時針方向扳轉復位。在操作中必須注意氣動手動不得混亂，特別是轉換手柄在手動的位置時，不許進行氣動。
圖3 氣動楔式閘閥結構示意圖
第三章 閥體的設計與計算
閥體是閥門的重要結構要素，是連接管道的重要部件。閥體的設計時比較重要的一個部分，主要計算部分包括：閥體的壁厚，閥座密封面等。詳細計算見下文。
3.1 閥體的功能
閥體是閥門的重要部件之一，閥體的重量是整個閥門重量的 70%左右，對于雙氣缸氣動楔式閘閥中閥體的重量會比通常小些。
閥體的主要功能：
作為工作介質的流體通道；
承受工作介質的壓力、溫度、沖蝕和腐蝕；
在閥體內部構成一個空間，設置閥座以及容納啟閉件，閥桿等零件；
在閥體端部設置法蘭連接結構，滿足閥門與管道系統的安裝要求；
承受閥門啟閉載荷和在安裝使用過程中，因溫度變化、震動、流體沖擊等影響產生的附加載荷；
安裝過程中作為閥門總裝配的基礎。
3.2 閥體的選材
制造閥門的材料必須根據下列因素來選擇：
（1）工作介質的壓力、溫度和特性；
（2）該零件的手里情況和在結構中應起的作用；
（3）有較好的工藝性（包括鑄造、加工、熱處理、焊接工藝性）；
（4）成本和國家資源情況。
可供制造閥門零件用的材料牌號很多，包括各種不同的鋼材、有色金屬及其合金，各種非金屬材料等。但是為了減少供應儲備上的困難，我們已經進行了材料選用方面的標準化工作，便于既滿足與設計要求，又方便生產。目前，我國有關部門正在對新材料進行大量的實驗研究工作，如新的鋼種、工程塑料和新的密封面堆焊材料等，這些材料的出現無疑亦給閥門制造業創新提供了條件。
本次設計中適用于壓力 P≥2.5MPa，介質溫度 T≤200℃的低壓閥門，常用牌號有HT20-40、HT25-47、HT30-54 等，其機械性能按照 GB/T 12226-2005《通用閥門 灰鑄鐵件技術條件》的規定。但是由于經濟發展，使用鑄鐵的成本和使用鑄鋼的成本不相上下了，使用 IG-25 的鋼材能夠獲得更好的機械性能。本設計中決定使用 IG25，其機械性能等查《閥門設計》P321頁，GB979-67。
3.3 閥體的結構形式和制造方法
由閘閥的公稱壓力 PN=40MPa，公稱通徑 DN=300mm，通常情況閥體在結構允許的條件下使用圓形中腔，圓形中腔較之其他形狀的中腔受力較好。閥體與閥蓋按要求選擇法蘭連接，閥體采用整體鑄造的制造形式，流道采用全通形式。
3.4 確定閥體的結構長度和連接尺寸
GB/T 12221-2005《金屬閥門結構長度》表 7 法蘭連接閘閥結構長度，參考公稱設計參數確定公稱壓力PN=40MPa，公稱通徑DN=300mm的楔式閘閥結構長度為1321mm。
閥體與管道采用法蘭連接，根據閥門的公稱壓力與公稱通徑查 GB 9113.4-88，選取凸面整體鋼制法蘭。材料為Q345R標準號GB713，其結構及尺寸查P36~37圖8.2.1、表8.2.1-1得：
圖 3-1 整體法蘭
表 3-1-1 整體法蘭
3.5 結構設計與計算
3.5.1 閥座密封面的設計與計算
1）閥座密封面內徑和寬度的選取
閥座密封面內徑，對于堆焊的密封面，由于堆焊工藝的要求，一般取比內徑大4~5mm；對于非堆焊的密封面，去與閥座內徑相等。本設計屬于堆焊，故取閥座密封面內徑D=300+5=305mm。
閥座密封面的寬度一般取公稱通經的~，并且隨著公稱通經的增大，密封面寬度與工程通徑之比逐漸減小。除了采用如鈷鉻鎢硬質合金等較好的材料密封面寬度取較小之外，一般閥座密封面寬度最好不小于5mm。故取閥座密封面寬度bm=10mm。
由JB 5211-2008-T《閥門零部件 閘閥閥座》確定的閥座結構如下：
圖3-2 閥座
其中b=8， D=300±1.0， D1=336， D2 = 303， D3=305， C=3
H=24
2）密封面形式的選取
按照介質靜壓力與介質密封力的不同關系，閘板與閥座之間的密封有三種形式：自動密封、單面強制密封、雙面強制密封。
本設計采用單面強制密封。這種形式的密封在介質進口端閘板與閥座密封面之間是不密封的，這里或者根本沒有比壓力，或者只有比密封比壓小的比壓力；在介質出口一邊閘板與閥座密封面之間的密封性由閥桿軸向力來強制地加以保證，當沒有介質時，密封面上的額比壓力不得小于密封比壓。這是在介質靜壓力小于密封力時所必須采取的強制密封的一種，也是通常采用的一種。
3）單面強制密封的受力分析和密封面比壓的計算
作用在閥門上的出口端閥座密封面的比壓要比進口端大，其值按下列公式計算：
密封面上介質靜壓力
（3.1）
其中：DMN—密封面內徑 bM—閥座密封面寬度
P—計算壓力 QMJ—密封面上介質靜壓力
介質密封力
（3.2）
其中：qMF—密封壓力，由《閥門設計》P170表8-1查得
（3.3）
密封面上的總作用力：
（3.4）
密封面上的比壓計算：
（3.5）
密封面材料使用 2Cr13，由《閥門設計》P171 查得需用比壓[q]=45MPa，所以
qMF < q < [q]
故閥體密封比壓校驗合格。
3.6 閥體壁厚的設計與計算
閥體壁厚的計算方法與它的形狀有關，不同類型的閥體的形狀亦有所不同。一個閥 體又往往由幾種形狀所組成，即使是同一形狀，尺寸亦不一樣，例如抵押閘閥的閥體， 通道兩端是圓形，而中腔確是橢圓形；中壓和高壓閘閥的閥體雖然通道兩端與中腔都是 圓形，但圓的內徑又不一樣。按理說，一個閥體的計算要根據它的形狀和尺寸一部分一部分地單獨進行，但實際應用上并不需要這樣做，因為分開計算比較復雜，并且一個閥體中通常亦不取幾個不同的壁厚。另外需要注意的是：閥體壁厚的計算除了考慮強度之外，還應考慮其剛度，否則同樣會出現因受力變形而報廢的現象。本設計采用的是WCB級的鑄鋼，屬于塑性材料因此按照塑性材料計算其壁厚
根據《閥門計算》P117得壁厚計算公式：
（3.6）
其中：DN—中腔直徑；
P—設計壓力一般去公稱壓力 PN；
σL—材料ZG25的許用拉應力
C—考慮鑄造偏差、工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量，查《閥門設計》P119，表7-5得C=5mm；
根據《實用閥門設計手冊》P1442表9-18查得法蘭和對焊連接鋼 制閘閥的殼體最小壁厚為108mm。
所以最后取SB=108mm
20
3.7 中法蘭的設計與計算
3.7.1中腔尺寸 DN 確定
閘閥閥體中法蘭是指閥體與閥蓋連接的法蘭，這樣的連接形式在閥門上是十分普遍的。中法蘭的設計必須保證在工作溫度和工作壓力下有足夠的強度與密封性。對在高溫下工作的閥門，應按常溫、初加溫和高溫三種工況分別鹽酸，當介質溫度≤300℃時，只按照常溫工況計算。
中腔尺寸的確定可參考楔式閘閥閥體、閘板軌道和軌道槽的形式
根據《實用閥門設計手冊》P1281圖7-8得該形式的示意圖及尺寸如下：
圖3-3 楔式閘閥閥體、閘板軌道和軌道槽的形式
其中：L=357 L1=355 l=337 l1=335 b=14±0.5 b1=16
根據以上數據，確定中腔直徑DN=360mm
3.7.2 中法蘭墊片尺寸和材料的選擇
由《實用閥門設計手冊》P1224 選擇墊片（二），材料為 X5200，尺寸由《閥門設計》P124確定如下：
墊片系數mDP=2
內徑 d=360，外徑D=430，厚度 t=3
比壓qYJ=10MPa。
3.7.3 中法蘭結構尺寸的確定
同時參考中法蘭墊片尺寸和標準法蘭尺寸得中法蘭結構同圖3-1，尺寸如下：
表3-2 中法蘭
3.7.4 螺栓的總計算載荷
當工作溫度小于等于200℃是，直接計算并校核。
1）工作時（操作時總作用力）
式中：QDJ—墊片處的介質壓力，
QDF—墊片密封力，
QDT—墊片彈簧力，
所以
2）最小預緊力
而
式中：qYJ—密封面預緊比壓；
KDP—碘片形狀系數，按圓形取1
所以，
螺栓計算載荷
5、螺栓的強度校核
螺栓的材料選為35號鋼，根據《使用閥門設計手冊》P617查得[σL] =135MPa，單個螺栓底直徑面積為3.816cm2。
所以，
所以，選擇35號鋼的螺栓是符合設計需求的。
6、中法蘭的強度計算
圖3-4 中法蘭尺寸
由《實用閥門設計手冊》P1059 查得中法蘭強度校驗公式如下：斷面拉應力滿足強度要求。
Ⅰ-Ⅰ斷面彎曲應力
（3.7）
式中：
所以
由《閥門設計手冊》P264查得IG25的[σW]=99.96MPa
所以σW1<[σW]
Ⅱ-Ⅱ斷面彎曲應力
（3.8）
式中：
所以
由《閥門設計手冊》P264查得IG25的[σW]=99.96MPa
所以σW1<[σW]
綜上，中法蘭的設計符合強度要求。
第四章 閘板的設計與計算
4.1 閘板密封面寬度和內徑的選取
閘板密封面寬度b’M應取得較閥座密封面寬度bM大，這基于以下幾個方面考慮：
閥門在經過一段時間的使用后，閘板與閥座密封面之間有磨損。
關閉閥門時，往往容易過于用力。
這兩點必然導致閘板的下竄。
對于明桿閘閥，閥體導軌與閘板之間徑向間隙對閘板與閥座密封面之間接觸面積有一定影響。間隙量越大，實際接觸面積就越有可能較理論接觸面積為小。
考慮到以上三點，為了保證閘閥密封面能夠與整個閥座密封面接觸，就必須去b’M較bM大，一般取=0.5~1.0，大口徑、高壓力取較小值，故取bM18mm。
閘板密封面平均直徑應取得與閥座密封面平均直徑相等，這樣便于得出閘板密封面內徑。
4.2 閘板與閥體檔寬及相應公差的計算
對于楔式閘閥，其閥座的檔寬Lk已經標準化，可以由閥門的公稱通經DN，公稱壓力PN直接查到。由《實用閥門設計手冊》P1283 表 7-12 查得LK=80mm。
所謂檔寬就是指閥座或閘板兩密封面在其中心線上的距離。正確的設計應使閘板密封面邊緣（最低點）與閥座密封面下緣重合。由于閥座與閘板的檔寬名義尺寸不等，所以在全關的位置上，閘板的中心線不會與閥座的中心線重合，而是由一定的距離
上述的是理想情況的名義尺寸，即為沒有任何偏差的情況下。但實際上閘板與閥座的加工都會有偏差的存在，使得閘板與閥座裝配時的實際關閉位置上，即閘板的實際位置可能上移或者下移。一次要對閥座和閘板規定適當的公差范圍，以保證他們能夠良好的密封，得到最佳的密封性能，達到設計的最小磨損裕量行程。
閘板與閥座的密封面磨損后，閘板的關閉位置下移至二者的密封面上緣(最高點)對齊時，即為極限位置，這是尚能使兩者密封面全面積接觸，當兩者密封面繼續磨損下移， 則認為兩者不能保證密封，認定此閥門損廢。
密封面的公差確定：
閘板密封面的檔寬LB的確定應使閥門在設計關閉時閘板密封面與閥座密封面下端對齊，這樣便得出
（4.1）
由于閥體檔寬上下偏差LK=80，設閘板公差為LB=80.70；
由于閘板按其公差上限的最大檔寬于閥座按其公差下限的最小檔寬相結合，若閘板上移1mm，
即0.13-x=2×1×sin5，x=+0.04；
由于閘板按其公差下限的最大檔寬于閥座按其公差上限的最小檔寬相結合，若閘板下移但仍能保證最小磨損形成，
即0.28+y=2×1sin5，y=-0.08；
所以，閘板密封面的檔寬LB=80.70。
4.3 閘板主要結構尺寸的確定
4.3.1 閘板與閥桿頭部相配合的 T 型槽尺寸
由《實用閥門設計手冊》P1289 圖 7-21 和表 7-22 以及已知的公稱通徑、閥桿直徑確定閘板 T 形槽結構與尺寸如下：
圖 4-1 閘板 T 形槽結構
如圖：
4.3.2 閘板密封面外徑
閘板密封面外徑為297+2×18=333mm。
4.3.3 閘板其他機構尺寸
由《實用閥門設計手冊》P1284 圖 7-14 表 7-14 確定閘板其他結構尺寸如下：
圖4-2 閘板尺寸
其中L=， D1=297， b=18， d=218， S=16
h=22， A=80， B=75， D=345， H=176
4.4 閘板密封面比壓計算
閘板密封面大于閥座密封面，則當閘閥關閉時，兩則接觸面積即為受壓面積，及閥座密封面，所以閘板密封面比壓于閥座密封面比壓相q’=25.688MPa。
4.5 閘板強度的校核
閘板的單邊厚度 SB 原則上應使閘板厚度能滿足強度和剛度的要求，但是閘板并非均勻厚度的圓板，形狀不規則，故難以建立起強度和剛度的精確計算工時。設計時刻根據下面的強度近似計算式確定。
公式為：
（4.2）
式中RB—中間薄板根部處半徑
C—腐蝕裕量，取3；
—IG25的許用應力，《閥門設計手冊》P264 查得
IG25的= 99.96MPa。
所以閘板強度滿足設計要求。
第五章 閥桿的設計與計算
5.1 閥桿總軸向力
5.1.1 關閉時楔式閘閥作用于閥桿上的力
由《實用閥門設計手冊》P1028 表 5-87 得關閉時閥桿總軸向力計算公式如下：
（5.1）
式中K1、K2—由《實用閥門設計手冊》P681 表 3-31 查得
K1=0.29、K2=0.77；
QP—閥桿徑向截面上介質作用力，且
QT—閥桿與填料摩擦力，由《實用閥門設計手冊》P1464 查得填料函內徑58mm，填料寬度10mm。填料材料選為聚四氟乙烯，其結構及尺寸由《閥門設計》P528 查得，單填料（上、中填料）高度為6mm，填料墊為6mm，最后根據填料函的結構尺寸以及填料的結構尺寸，確定中填料的個數為6。所以，填料空的深度H=6+6×6+6+(2~5)=53mm
（5.2）
其中 h1—單圈填料與閥桿接觸的高度；
Z1—填料圈數；
f—填料與閥桿的摩擦系數，約為 0.05~0.1，取 f=0.1
計算得。
所以，
5.1.2 開啟時楔式閘板作用于閥桿的力
由《實用閥門設計手冊》P1028 表 5-87 得關閉時閥桿總軸向力計算公式如下：
（5.3）
式中：K3、K4—由《實用閥門設計手冊》P681 表 3-31 查得
K3=0.41、K4=0.62
—同關閉時。
所以
5.2 閥桿的直徑估算
由《閥門設計》P197 公式 10-26 的直徑估算公式
（5.4）
式中：Q—閥桿的最大軸向力，即
[σY]—閥桿材料的許用應力，查《閥門設計》P185 表 9-8 得到，2Cr13 的
[σY] = 245MPa。
所以
但又由《實用閥門設計手冊》P1456 表 9-40 查得閥桿的最小直徑為 40mm，所以最終確定閥桿直徑dF=40mm。
5.3 閥桿的強度校核
5.3.1 閥桿的總扭矩
閥桿的軸向力通常是由驅動裝置的扭矩產生的，因此計算閥桿的扭轉矩對閥桿的強
度計算，螺母與閥桿的螺紋之間的摩擦力矩的計算都是不可缺少的。
由于閥桿的軸向力通過螺母凸肩作用在支架上，此處設有推力軸承，所以軸承與支
架產生的摩擦力矩并不作用在閥桿上。明桿閘閥的閥桿為開降桿，即在啟閉過程中只做
直線運動，所以填料沒有阻力矩，閥桿的受力分布如下圖：
圖5-1 閥桿的受力分布
因為開啟時閥桿的軸向力最大，也就是說開啟時閥桿的總扭矩也最大，所以下面計算只算開啟時的總扭矩。
由《實用閥門設計手冊》P1027 與 P1028 查得閥桿受力圖及強度驗算公式，對于裝有推力球軸承的明桿閘閥閥桿的總扭矩為：
（5.5）
式中RFM—螺紋的摩擦半徑，由《實用閥門設計手冊》P665查得
所以開啟時閥桿的總扭矩為
5.3.2 閥桿的強度計算
閥桿開啟時閥桿的強度計算
開啟時閥桿的受載情況如上圖所示
上閥桿的危險截面為螺紋退刀槽出，因此此處的橫截面最小，因該校核此處拉應力、扭轉應力和合成應力。
a.拉應力(MPa)為
（5.6）
式中：Fs—閥桿最小截面積(mm2)；按有退刀槽處的FT計算，由《實用閥門設計手冊》P667 查得為624mm2；
[σL]—閥桿材料的許用拉應力(MPa)，由《實用閥門設計手冊》P607 查得為240MPa。
b.扭轉應力(MPa)為240MPa；
（5.7）
式中：Ws—閥桿最小抗扭截面系數(mm3)，有螺紋退刀槽則為退槽處的抗扭界面系數WT，4500mm3，由《實用閥門設計手冊》P667 查得；
[τN]—閥桿材料的許用扭轉應力(MPa)，由《實用閥門設計手冊》P607 查得為145MPa。
c．合成應力(MPa)為
（5.8）
式中：[σΣ]—閥桿材料的許用合成應力(MPa)，由《實用閥門設計手冊》P607 查得為230MPa。
綜上，閥桿的強度是合格的。
下閥桿的強度校核和尚閥桿相同，且下閥桿的最小截面大小和上閥桿最小截面大小差不多，但是下閥桿沒有氣缸的摩擦力，因此下閥桿的校核可以省去，且我們認為它是和上閥桿一樣強度是合格的。
5.4 閥桿的穩定性校核
5.4.1 影響因素
穩定性是指受壓桿件發生橫向的彎曲破壞，影響閥桿的穩定性的主要因素有：
a.材料的機械性能
特別是其抗彎曲性能是影響穩定性的重要因素，具體體現在彈性模數 E 的值；
b.桿件截面積及界面形狀
閥桿截面積越大，截面形狀越有利于抗彎，則其穩定性越好，綜合界面積與形狀的影響，反映在計算中的位界面的慣性矩，而結合材料性能，即為桿件的抗彎強度；
c.桿件的長度
桿件的長度越大，其受壓的穩定性越差；
d.桿件的外界約束條件
主要是桿件兩端的固定方式和中間支撐狀況，兩端的自由度越大，則穩定性越差，在計算中反映為長度折算系數。
5.4.2 上閥桿的穩定性校核
手動關閉式閥桿與開合螺母連接，可以認為是固定連接，下端部與 T 型槽連接屬球
星連接，屬于有自由度連接，長度系數μλ取0.699。
閥桿的細長比(即柔度)按下式計算：
λ=4μλ?lFdF (5.9)
式中：dF—閥桿直徑為40mm；
lF—閥桿計算長度，對于升降桿是從上端閥桿螺母螺紋全高中點至閥桿下端面的距離，lF=940mm
μλ—長度系數，與支撐形式有關，這里取為 0.699。
所以，λ=65.7。
由《閥門設計》P154 查得常溫時閥桿中細長比的下界λ1=40，λ2=78.2，所以有
即
（5.10）
所以上閥桿滿足穩定性條件。
式中：σY—閥桿的壓應力；
[σY]W1—中細長比壓桿的穩定性許用應力；
a、b—依賴于材料性質的系數，由《閥門設計》P154 查得 a=6442, b=23.6；
nW—穩定安全系數，取 2.5。
5.4.3 下閥桿的穩定性校核
下閥桿是一端活塞通過螺母固定，屬固定端，端部與 T 型槽以鉸鏈連接，同上閥桿，閥桿的細長比(即柔度)按下式計算：
(5.11)
式中：lF—閥桿計算長度，對于升降桿是從上端閥桿螺母螺紋全高中點至閥桿下端面的距離，lF=814.3mm；
μλ—長度系數，與支撐形式有關，對于具有中間支撐，查《閥門設計》P153得μλ= 0.410。
所以，
由上已知λ1= 40，即λ<λ1，所以下閥桿為低細長比壓桿，不需要進行穩定性驗算。
5.5 閥桿主要尺寸的確定
5.5.1 下閥桿端部結構尺寸
由《實用閥門設計手冊》P1297 查得下閥桿端部結構與尺寸如下：
圖5-2 閥桿端部結構
D=200 d0=46 SR=200 h=19 h1=30
H=62 b=28 B=45
5.5.2 下閥桿頭部結構尺寸
下閥桿頭部結構較復雜，有螺雙連接和鍵的連接，還有密封圈溝槽和退刀槽，具體尺寸確定如下：
設計時務必考慮鍵的安裝，一定要保證能裝進去
螺栓為M36，密封圈內徑26。
5.5.3 上閥桿的結構尺寸
上閥桿的 T 型槽螺紋處部分為 Tr38× 5-7H，下端的尺寸和下閥桿端部尺寸相同。
第六章 閥蓋及填料裝置的設計與計算
6.1 閥蓋的設計與計算
閘閥的閥蓋一般設計成帶開口的閥蓋，為了設計填料函，保證中腔的密封，閥蓋的橢圓形中部即為開孔處安裝上密封座。對閥蓋進行強度計算時，通常應檢驗Ⅰ-Ⅰ斷面的拉應力和Ⅱ-Ⅱ斷面的剪應力，開孔閥蓋的結構如圖所示：
圖6-1 開孔閥蓋
由《實用閥門設計手冊》P1066 表 5-130 得開孔閥蓋的強度驗算如下：
a.Ⅰ-Ⅰ斷面的拉應力：
(6.1)
式中：DN—壓緊面的內徑，為380mm；
[σL]—IG25 的許用拉應力，為240.36MPa；
所以
所以，Ⅰ-Ⅰ斷面拉應力滿足強度要求。
b.Ⅱ-Ⅱ斷面剪應力：
(6.2)
式中：dr—填料函外徑為，內徑 D+2SB =90mm；
[τ]—IG25 的許用剪應力，為49.98MPa；
所以
所以，Ⅱ-Ⅱ斷面剪應力滿足強度要求。
綜上，閥蓋的設計滿足強度要求。
6.2 填料壓蓋的設計與計算
6.2.1 填料選擇及填料函尺寸的確定
填料箱孔的直徑與閥桿直徑和填料寬度有關，而填料寬度bT(mm)，通常在(1~1.6)的范圍內選取，結構尺寸參照《實用閥門設計手冊》。
a.填料和填料墊
在本次設計中選擇聚四氟乙烯為填料，這主要從經濟和摩擦力兩方面考慮。
填料的結構尺寸按形式如下圖所示，尺寸按 JB/T1712 2008 中表 4 規定。
圖6-2 上填料
圖6-3 中填料
填料墊結構形式如圖所示，尺寸按 JB/T1712 2008 中表 5 規定。
圖6-4-3 填料墊
填料函尺寸的確定
由《實用閥門設計手冊》P1294 查得填料函部分尺寸，如圖下：
圖6-5 填料函部分尺寸
其中 D=58 d0=16 C=1.5 A=120 r=16 B=44 b=22 Z≥7
6.2.2 填料壓蓋的設計與強度校核
a.填料壓蓋
填料壓蓋也不完全是標準件，它也是一方面參照《實用閥門設計手冊》中的尺寸，
一方面考慮實際確定的，填料壓蓋的結構形式和尺寸如下：
圖6-6 填料壓蓋
填料壓蓋的材料選為 2Cr13。
b.填料壓蓋的強度校核
根據《實用閥門設計手冊》P1062 和 P1063 可知填料壓蓋的強度校核應對Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ斷面進行彎曲應力校核。
Ⅰ-Ⅰ斷面的彎曲應力為
(6.3)
式中：M1—Ⅰ-Ⅰ斷面的彎曲力矩，按下式計算：，為力；FyT為壓緊填料的總力，按下式計算：；d為填料壓蓋的內徑，D為填料壓蓋與填料箱孔配合直徑；qT為壓緊
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