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井下圓柱正弦活齒減速器設(shè)計(jì)
學(xué)生：曾運(yùn)運(yùn)，機(jī)械學(xué)院
指導(dǎo)老師：黃天成，長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械學(xué)院
[摘要]為了使石油井下鉆具在最佳工況下工作，常常需要在其原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間安裝減速傳動(dòng)裝置。目前井下減速傳動(dòng)裝置主要由NGW型行星減速器、開(kāi)式減速器、定軸輪系減速器，這些減速器或因齒輪模數(shù)過(guò)小，齒輪抗彎強(qiáng)度不足而很快破壞，或因傳動(dòng)穩(wěn)定性能偏低，或因慣性力不易平衡等因素，使其應(yīng)用受到限制。本文設(shè)計(jì)的圓柱正弦活齒減速器是一種新型少齒差行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有體積小、徑向尺寸小、傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，符合石油井下減速傳動(dòng)裝置的特定要求。
本文主要對(duì)圓柱正弦活齒減速器嚙合特征和受力分析進(jìn)行了理論推導(dǎo)，建立起連續(xù)運(yùn)動(dòng)條件公式、傳動(dòng)比公式、空間齒面方程、主曲率方程、空間力作用方程和接觸應(yīng)力方程。利用已推導(dǎo)的公式，建立了輸入軸、殼體、活齒和活齒架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并設(shè)計(jì)這些零件的結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了更好的將圓柱正弦活齒減速器應(yīng)用到井下渦輪鉆具中，本文結(jié)合鉆井的工作環(huán)境，對(duì)圓柱正弦活齒減速器進(jìn)行井下機(jī)械密封和井下潤(rùn)滑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在此理論基礎(chǔ)上建立圓柱正弦活齒減速器的三維模型，并用ANSYS Workbench對(duì)圓柱正弦活齒減速器整體進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析。
[關(guān)鍵字]：圓柱正弦活齒減速器 空間齒面方程 靜力分析 模態(tài)分析 機(jī)械密封與潤(rùn)滑
XVIII
長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
學(xué)院（系） 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí) 裝備10901 學(xué)生姓名 曾運(yùn)運(yùn) 指導(dǎo)教師/職稱 黃天成/講師
1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
井下圓柱正弦活齒減速器設(shè)計(jì)
2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間：13年3月25日～13年6月20日
3．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）
(1) 性能參數(shù)
輸出軸最大扭矩：1000N m； 輸入軸轉(zhuǎn)速：1480r/min；
輸出軸轉(zhuǎn)速：150r/min； 傳動(dòng)比 10。
(2)工作環(huán)境
環(huán)境溫度：小于 70 攝氏度；浸沒(méi)在一定速度流動(dòng)的流體內(nèi)。
(3)尺寸限制
徑向尺寸小于 105mm； 軸向尺寸：不受限制。
需要參考資料：
[1] 張展. 齒輪減速器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 水利電力機(jī)械，2001，1：58-59.
[2] 吳曉鈴. 齒輪傳動(dòng)的發(fā)展及市場(chǎng)前景[J]. 現(xiàn)代制造，2003，20(10)：62-64.
[3] 孫瑜. 微小型正弦活齒減速器的研制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論學(xué)科博士學(xué)位論文，2004：2-4.
[4] 曲繼方. 活齒傳動(dòng)理論[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.
[5] 李勇進(jìn)，劉金剛，劉剛. 活齒傳動(dòng)分類方法及結(jié)構(gòu)改進(jìn)新思路的探索[J]. 維修與改造，2007，9：70-73. 等等。
4．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容
把現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于井下圓柱正弦活齒減速器的設(shè)計(jì)中，掌握減速器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法，并能夠用計(jì)算機(jī)輔助手段完成設(shè)計(jì)。
主要內(nèi)容包括：
（1）活齒減速器概述；
（2）井下圓柱正弦活齒減速器總體方案設(shè)計(jì)；
（3）設(shè)計(jì)參數(shù)選擇與計(jì)算；
（4）主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（5）井下圓柱正弦活齒減速器結(jié)構(gòu)圖（二維、三維）；
（6）重要零部件強(qiáng)度校核；
（7）潤(rùn)滑方式的選擇。
5．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目標(biāo)及具體要求
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合的工程訓(xùn)練，基本掌握課題立項(xiàng)和具體實(shí)施的全過(guò)程，綜合應(yīng)用所學(xué)的基本理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立完成蝸輪蝸桿減速器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和解決問(wèn)題能力的目的。
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的要求：
1）學(xué)生按照畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)小組的進(jìn)度安排，按時(shí)完成文獻(xiàn)綜述、開(kāi)題報(bào)告及主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算以及二維、三維設(shè)計(jì)并撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文等工作；
2）在每周的答疑時(shí)間學(xué)生應(yīng)把所做工作的進(jìn)展情況向給指導(dǎo)老師匯報(bào)，并把設(shè)計(jì)內(nèi)容提供給指導(dǎo)老師審閱；
3）論文撰寫語(yǔ)言通順流暢、內(nèi)容條理清晰、版式規(guī)范、參考文獻(xiàn)格式正確。
①閱讀與研究課題相關(guān)的有代表性的參考文獻(xiàn)資料25篇以上
②翻譯：與研究課題有關(guān)的譯文不少于3千漢字（或2萬(wàn)印刷字符的外文原文的翻譯）；
③畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文：字?jǐn)?shù)不少于1.2萬(wàn)字或1.2萬(wàn)字篇幅的內(nèi)容。
④繪圖要求：零件圖不少于3張，總裝圖1張
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求
1）查閱相關(guān)參考資料，掌握減速器設(shè)計(jì)過(guò)程；
2）熟練應(yīng)用二維及三維設(shè)計(jì)軟件以及ANSYS軟件；
3）上機(jī)時(shí)數(shù)：200h。
任務(wù)書批準(zhǔn)日期 2013 年 3 月 日教研室(系)主任(簽字)
任務(wù)書下達(dá)日期 2013 年 3 月 日 指導(dǎo)教師(簽字)
完成任務(wù)日期 2013 年 6 月 日 學(xué)生（簽名）
II
Underground cylinder sine oscillating tooth gear reducer design
Abstract: In order to make the oil drilling work in the best conditions, the reducer often is equipped between the prime mover and working machine. At present, the underground transmission device mainly consists of NGW type planetary gear reducer, the fixed axis gear reducer. In the circumstances, the small gear modulus lead to the shortage of gear tooth bending strength, or stable transmission performance is low, or the inertia force is not easy to be balanced. Due to the factors, its application be limited. The Cylinder sine the oscillating tooth gear reducer is a new few teeth difference planetary gear drive mechanism, and has the advantages of small volume, small size, large transmission ratio, compact structure, large bearing capacity, high transmission efficiency. The advantages meet specific requirements of petroleum underground reducer drive device.
In the course of the study, this paper mainly deduce and calculate the meshing characteristic and stress analysis of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer and establish the continuous motion conditions of formula, the formulas of transmission ratio, the equation of space tooth surface, the principal curvature equation, the equation of space force and the contact stress equation. In order to put the cylinder sine oscillating tooth reducer into underground turbine drill, combining drilling work environment, the paper study underground mechanical seal and underground lubrication of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer. A three-dimensional model be based on the theory of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer, using ANSYS Workbench to make static analysis and model analysis of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer.
Keywords: Cylinder sine oscillating tooth gear reducer; equation of space tooth surface; static analysis; model analysis; mechanical seal and lubrication.
XVIII
2 研究目的和意義
井下圓柱正弦活齒減速器設(shè)計(jì)
學(xué)生：曾運(yùn)運(yùn)，機(jī)械工程學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程
指導(dǎo)老師：黃天成，長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
1 題目來(lái)源
生產(chǎn)實(shí)踐
2 研究目的和意義
當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，機(jī)械制造業(yè)的整體發(fā)展方向越來(lái)越要求向高可靠度、精密、高速度、小型化發(fā)展。現(xiàn)代機(jī)械中大部分傳動(dòng)環(huán)節(jié)是由減速器實(shí)現(xiàn)的，傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與制造水平直接關(guān)系到機(jī)械工作的效率精度，所以必然對(duì)其提出了更高的要求。減速器的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展水平，在工業(yè)發(fā)展過(guò)程中占有很重要的地位。因此，減速器技術(shù)的研究在我國(guó)有著非常重要的意義。
現(xiàn)代社會(huì)對(duì)石油的消耗越來(lái)越大，深井和超深井鉆探技術(shù)中井下減速器應(yīng)用于渦輪動(dòng)力鉆具的研究日益受到人們的關(guān)注。井下減速器的徑向尺寸受到油井套管的限制，要想使其在重載荷下長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，則必須解決如下兩點(diǎn)：徑向尺寸小和傳動(dòng)效率高。
目前應(yīng)用最多的井下減速器是NGW型行星減速器、同步減速器、單螺桿式減速器、摩擦滾珠減速器和定軸輪系減速器等幾種。其中行星齒輪減速器及定軸輪系減速器在渦輪鉆具中使用的較多，下面以行星齒輪減速器和定軸輪系減速器為例闡述這兩種減速器渦輪鉆具的缺點(diǎn)。NGW型行星減速器沿徑向布置，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“徑向尺寸受限制，軸向尺寸不受限”。如果減小徑向尺寸，則必然導(dǎo)致模數(shù)或齒數(shù)減小。模數(shù)減少引起齒輪的承載能力降低；齒數(shù)減小引起傳動(dòng)比降低。定軸輪系減速器，其減震能力差、傳動(dòng)穩(wěn)定性能偏低、壽命短、難以加工裝備。
研究的目的是找到一種在徑向尺寸受到約束的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、低噪音、承載能力大、傳動(dòng)比范圍廣的減速器。
為了克服上述減速器的不足，針對(duì)深井和超深井的需要，提出了一種面向石油井下鉆采工況的新型減速器—圓柱正弦活齒減速器。
活齒傳動(dòng)是一種新型的齒輪傳動(dòng)方式，因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使之具有傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)不可比擬的優(yōu)越性能。在一定的工作條件下，是傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)理想的替代產(chǎn)品。本課題研究的圓柱正弦活齒減速器是一種新型的活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它體積小、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊、潤(rùn)滑性能好、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)誤差小、性價(jià)比高、有自鎖功能等優(yōu)點(diǎn)，切合石油井下減速器傳動(dòng)裝置的特定要求。
XIII
5主要研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路
3閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱
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4國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
4.1 活齒傳動(dòng)國(guó)外研究現(xiàn)狀
最早的活齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)30年代由德國(guó)人提出，后來(lái)他們就把活齒傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中。50年代到70年代，原蘇聯(lián)和美國(guó)在這方面做了大量研究，原蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)活齒傳動(dòng)的一種形式“柱塞傳動(dòng)”進(jìn)行了理論研究，提出了它的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力的計(jì)算方法。美國(guó)學(xué)者提出了推桿活齒減速裝置及少齒差減速機(jī)，開(kāi)發(fā)出滑齒減速器，并且研制成產(chǎn)品，投放到國(guó)際市場(chǎng)。70年代，蘇美兩國(guó)積極開(kāi)發(fā)活齒傳動(dòng)的新型式，蘇聯(lián)推出了“正弦滾珠傳動(dòng)”，美國(guó)推出了“無(wú)齒齒輪傳動(dòng)技術(shù)”曾引起各國(guó)科技工作者的極大興趣。到了80年代，國(guó)際上研究活齒傳動(dòng)國(guó)家越來(lái)越多，日本、聯(lián)邦德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家先后發(fā)表了一些有關(guān)活齒傳動(dòng)的專利和發(fā)明，這些都表明活齒傳動(dòng)的研究和應(yīng)用，在國(guó)外越來(lái)越活躍。
到口前為止，國(guó)際上只有原蘇聯(lián)對(duì)正弦活齒傳動(dòng)進(jìn)行了研究，但在國(guó)內(nèi)也很少能檢索到他們的相關(guān)文獻(xiàn)。原蘇聯(lián)將正弦活齒減速器成功應(yīng)用于復(fù)雜井下采油裝置中，解決了渦輪鉆具轉(zhuǎn)速過(guò)高的難題。此外，還將其廣泛應(yīng)用于離心機(jī)的傳動(dòng)裝置等很多領(lǐng)域。
4.2活齒傳動(dòng)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
由于很多復(fù)雜原因，我國(guó)對(duì)活齒傳動(dòng)的研究時(shí)間很短，從上世紀(jì)70年代起，我國(guó)的工程師和科技工作者才開(kāi)始注意國(guó)外活齒傳動(dòng)的發(fā)展;近30多年，在艱苦的條件下，不斷學(xué)習(xí)國(guó)外活齒傳動(dòng)研究成果，開(kāi)拓創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)，經(jīng)過(guò)十兒年開(kāi)拓，先后發(fā)明了多項(xiàng)技術(shù)專利:滾道減速機(jī)(CN86 200768)、旋轉(zhuǎn)活齒減速器(CN87101702)、擺動(dòng)活齒減速機(jī)(CN 2075729U)、套筒活齒少齒差傳動(dòng)裝置(CN87203751U)、變速傳動(dòng)軸承(CN85 200923)、活齒諧波減速機(jī)(CN87 206444U)等。
80年代初，多種多樣的活齒傳動(dòng)出現(xiàn)，例如以曲繼方教授為研究代表的擺線活齒傳動(dòng)活齒傳動(dòng)，以周有強(qiáng)教授為研究代表的套筒活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以朱紹仁為研究代表的推桿活齒傳動(dòng)，四川大學(xué)梁尚明研究了擺動(dòng)活齒的強(qiáng)度、效率、運(yùn)動(dòng)學(xué)嚙合剛度等。在理論研究方面，燕山大學(xué)曲繼方對(duì)活齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、齒形理論和嚙合理論做了探討，并用這些理論分析了各種典型的活齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特征和傳動(dòng)性能，逐步形成了完整的活齒傳動(dòng)體系，從而完成了一部較為全面系統(tǒng)研究活齒的著作《活齒傳動(dòng)理論》。
我國(guó)活齒傳動(dòng)的研究和開(kāi)發(fā)時(shí)間短，技術(shù)人員少而且分散，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累不足，與先進(jìn)國(guó)家先比，在總體上仍然有很大的差距。我國(guó)與1988年和1991年，有機(jī)械電子工業(yè)部分別提出了《行星齒輪傳動(dòng)基本術(shù)語(yǔ)》和《滾柱活齒減速器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，今后定將推動(dòng)我國(guó)的活齒傳動(dòng)技術(shù)更快的發(fā)展。
4.3國(guó)內(nèi)外的研究的主攻方向
活齒傳動(dòng)有很多結(jié)構(gòu)型式，具有典型意義的有：推桿活齒傳動(dòng)、滾柱（珠）活齒傳動(dòng)、擺動(dòng)活齒傳動(dòng)、套筒活齒傳動(dòng)、平面滾珠傳動(dòng)等等。國(guó)內(nèi)外的研究主要是針對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)型式的活齒傳動(dòng)進(jìn)行齒廓曲線特征分析、嚙合副自鎖機(jī)理分析、齒形的加工與修形研究等等。燕山大學(xué)曲繼方教授在進(jìn)行活齒傳動(dòng)研究時(shí)，形成了專著《活齒傳動(dòng)原理》，在此書中他建立起針對(duì)所有活齒傳動(dòng)的“活齒傳動(dòng)分析與綜合的理論基礎(chǔ)”。
5主要研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路
把現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于井下圓柱正弦活齒減速器的設(shè)計(jì)中，掌握減速器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法，并能夠用計(jì)算機(jī)輔助手段完成設(shè)計(jì)。
5.1 主要研究?jī)?nèi)容包括
（1）活齒減速器概述；
（2）井下圓柱正弦活齒減速器總體方案設(shè)計(jì)；
（3）設(shè)計(jì)參數(shù)選擇與計(jì)算；
（4）主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（5）井下圓柱正弦活齒減速器結(jié)構(gòu)圖（二維、三維）；
（6）重要零部件強(qiáng)度校核；
（7）潤(rùn)滑方式的選擇；
5.2 重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題
(1) 研究圓柱正弦活齒的傳動(dòng)比公式和連續(xù)傳動(dòng)條件,計(jì)算殼體和主動(dòng)軸正弦滾道與活齒接觸點(diǎn)處的主曲率，分析減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主曲率的影響規(guī)律;利用主動(dòng)軸正弦滾道和活齒間相對(duì)滑動(dòng)速度的計(jì)算公式，分析減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)相對(duì)滑動(dòng)速度的影響規(guī)律，建立活齒的空間力學(xué)模型，計(jì)算活齒對(duì)殼體和主動(dòng)軸的作用力，根據(jù)活齒和正弦滾道間的接觸應(yīng)力公式，分析減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)活齒接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。
(2)結(jié)合深井采油的實(shí)際工作環(huán)境，給定具體的工作參數(shù)，設(shè)計(jì)出滿足條件的減速器，并利用ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。
5.3 解決思路
利用曲繼方教授在其專著《活齒傳動(dòng)理論》建立起來(lái)的“活齒傳動(dòng)分析與綜合的基礎(chǔ)理論”（ 活齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)分析、活齒傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、活齒傳動(dòng)的齒形理論、活齒傳動(dòng)的嚙合理論）來(lái)分析圓柱正弦活齒減速器的結(jié)構(gòu)特征及傳動(dòng)性能，并以此為基礎(chǔ)對(duì)圓柱正弦活齒減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用有限元軟件（ANSYS Workbench）對(duì)零件和模型進(jìn)行應(yīng)力分析。
6完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所必須具備的工作條件及解決方法
6完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所必須具備的工作條件及解決方法
完成一篇畢業(yè)設(shè)計(jì)所需要的條件是方方面面的，在此過(guò)程中不免會(huì)遇到各種各樣的難題。當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該靜下心來(lái)翻閱已有資料，積極地與指導(dǎo)老師討論，要有不怕吃苦，勇于攀登的精神。
以下列舉幾個(gè)完成本課題的畢業(yè)設(shè)計(jì)所必需的的條件。
（1） 學(xué)會(huì)利用學(xué)校圖書館和網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫(kù)
（2）掌握本課題相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)
（3）會(huì)利用三維軟件進(jìn)行三維畫圖
（4）會(huì)利用分析軟件（Matlab、ANSYS Workbench）對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析
7工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間的安排
第6周 查閱與本課題相關(guān)的中文文獻(xiàn)和外文文獻(xiàn)
第7周 選定外文文獻(xiàn)，比對(duì)此文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯
第8-9周 接受指導(dǎo)老師分配的任務(wù)書，并對(duì)減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第10-13周 圓柱正弦活齒傳動(dòng)嚙合特征和受力分析
第14-15周 畫圓柱正弦活齒三維圖和二維裝配圖
第16周 對(duì)三維模型進(jìn)行應(yīng)力分析
第17周 整理論文，準(zhǔn)備答辯
指導(dǎo)老師審查意見(jiàn)
8指導(dǎo)老師審查意見(jiàn)
長(zhǎng)江大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
題 目 名 稱 井下圓柱正弦活齒減速器設(shè)計(jì)
院 （系） 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí) 裝備10901班
學(xué) 生 姓 名 曾運(yùn)運(yùn)
指 導(dǎo) 教 師 黃天成
輔 導(dǎo) 教 師 黃天成
開(kāi)題報(bào)告日期 2013年4月
III
題目來(lái)源
液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
學(xué) 生： 彭?xiàng)?機(jī)械工程學(xué)院
指導(dǎo)教師： 張先勇 機(jī)械工程學(xué)院
1 題目來(lái)源
該題目來(lái)自于生產(chǎn)社會(huì)實(shí)際
2 研究目的和意義
閘閥是指關(guān)閉件，即閘板的運(yùn)動(dòng)方向與流體運(yùn)動(dòng)方向垂直的閥門，在管路中主要作為切斷介質(zhì)用，閘閥只能全開(kāi)或全閉，不能調(diào)節(jié)和節(jié)流。它可以適用低溫低壓，也可以適用于高溫高壓，并可根據(jù)閥門的不同材質(zhì)用于各種不同的介質(zhì)。閘閥主要應(yīng)用于石油、天然氣的開(kāi)采提煉加工和管道輸送系統(tǒng)中，化工產(chǎn)品、醫(yī)藥和食品生產(chǎn)系統(tǒng)中，水電、火電和核電的電力生產(chǎn)系統(tǒng)中，城市和工業(yè)企業(yè)的給排水、供熱和供氣系統(tǒng)中，農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中，冶金生產(chǎn)系統(tǒng)中，國(guó)防生產(chǎn)系統(tǒng)和航天等新技術(shù)領(lǐng)域中等。因此，它是我國(guó)實(shí)現(xiàn)四個(gè)現(xiàn)代化不可缺少的重要機(jī)械產(chǎn)品，與生產(chǎn)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活都有著密切的聯(lián)系。
閘閥作為流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，與其它類型閥門相比，主要優(yōu)點(diǎn)有：流體阻力小，密封面受介質(zhì)的沖刷和侵蝕??；開(kāi)閉較省力；介質(zhì)流向不受限制，不擾流、不降低壓力；形體簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度短，制造工藝性好，適用范圍廣。由于閘閥具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此適用范圍很廣。通常DN≥50mm的管路作為切斷介質(zhì)的裝置都選用閘閥。閘閥亦有一些缺點(diǎn)，主要是：密封面之間易引起沖蝕和擦傷，維修比較困難；外形尺寸較大，開(kāi)啟需要一定的空間，開(kāi)閉時(shí)間長(zhǎng)；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和利用參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)一種“液壓式平板閘閥”。通過(guò)這次設(shè)計(jì)過(guò)程，來(lái)鍛煉自己運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，將理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中進(jìn)一步鞏固和開(kāi)拓知識(shí)面，同時(shí)通過(guò)查找資料，鍛煉自學(xué)能力，為將來(lái)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。
3 閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
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國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
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4 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
4.1閘閥種類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
閘閥種類，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：?jiǎn)伍l板式、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。按驅(qū)動(dòng)方式劃分，可分為手動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)和電液聯(lián)動(dòng)。
4.1.1 常見(jiàn)閘閥種類
（1）平板閘閥的優(yōu)點(diǎn)是阻力小，不縮口的其流阻與短直管的流阻相仿。帶導(dǎo)流孔的平板閘閥安裝在管路上還可直接用清管器進(jìn)行清管。由于閘板是在兩閘座面上來(lái)回滑動(dòng)，因此平板閘閥也適用于帶懸浮顆粒的介質(zhì)。平板閘閥的缺點(diǎn)是當(dāng)介質(zhì)壓力低時(shí)，金屬密封面的密封力不足以達(dá)到滿意的密封。相反，當(dāng)介質(zhì)壓力高時(shí)，如果密封面不用系統(tǒng)介質(zhì)或外來(lái)介質(zhì)潤(rùn)滑，經(jīng)常啟閉，就可能使密封面磨損。而且閘板在切斷高速和高密度介質(zhì)流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。平板閘閥適用于以下場(chǎng)合：石油、天然氣輸送管線；成品油的輸送管線和貯存設(shè)備；石油、天然氣的開(kāi)采井口裝置，也就是采油樹(shù)用閥；帶有懸浮顆粒介質(zhì)的管道；城市煤氣輸送管線；自來(lái)水工程。
（2）楔式單閘板閘閥結(jié)構(gòu)較彈性閘板閥簡(jiǎn)單，在較高溫度下，密封性能不如彈性閘板閥或雙閘板閥好，適用于易結(jié)焦的高溫介質(zhì)。
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
（3）彈性閘板閘閥是楔式單閘板閥的特殊形式。與楔式閘閥比較，在高溫時(shí)，密封性能好，且閘板在受熱后不易被卡??；適用于蒸氣、高溫油品及油氣等介質(zhì)，并適用于開(kāi)關(guān)頻繁的部位。不宜用于易結(jié)焦的介質(zhì)。
（4）雙閘板式閘閥密封性較楔式閘閥好，如密封面的傾斜角度和閥座配合不十分準(zhǔn)確時(shí)，任具有較好的密封性。閘板密封面磨損后，將球面頂心底部的金屬墊換為較厚的即可使用，一般不必堆焊和研磨密封面，這點(diǎn)單閘板、彈性閘板難以做到。零件較其他形式的閘閥多。除適用于蒸氣、油品等介質(zhì)外，還適用于開(kāi)關(guān)頻繁的部位及對(duì)密封面磨損較大的介質(zhì)，不宜用于易結(jié)焦的介質(zhì)。
（5）平行式閘閥密封性較其他形式閘閥差。適用于溫度及壓力較低的介質(zhì)。除在兩塊閘板上裝有固定板的閘板不易脫落外，凡用鉛絲固定兩塊閘板的閘板易脫落，使用不可靠。閘板及閥座的密封面的加工及檢修比其他形式的閘閥簡(jiǎn)單。
4.1.2 平板閘閥類型
（1）刀形平板閘閥：圖1所示為刀形平板閘閥。該閥是用于泥漿和纖維材料介質(zhì)中。這種閥門它靠可以切割纖維材料的刀刃形閘板來(lái)切斷這些介質(zhì)，閥體實(shí)際上不存在腔室，閘板在側(cè)面導(dǎo)向槽內(nèi)升降，并由底部的凸耳緊壓在閥座上，如需達(dá)到較高的介質(zhì)密封性時(shí)，也可使用O形密封圈閥座。
圖1 刀形平板閘閥 圖2 手動(dòng)楔式雙閘板平板閘閥
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國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
（2）雙閘板無(wú)導(dǎo)流孔平板閘閥：圖2所示的結(jié)構(gòu)為依靠楔面撐開(kāi)兩塊閘板，使之與閥座很好的密封，閥座與閥體的連接有兩種形式，一種為撐開(kāi)式，靠脹開(kāi)的力固接；一種為焊接式，把閥座焊接在閥體上。圖3所示的結(jié)構(gòu)為依靠彈簧把兩閘板沿水平方向撐開(kāi)，和固定的閥座保證閥門的密封，閥座用焊接的方法牢固地焊接在閥體上。該閥門帶有上密封結(jié)構(gòu)，使開(kāi)啟狀態(tài)填料不承受介質(zhì)壓力。
圖3 手動(dòng)撐開(kāi)式雙閘板平板閘閥 圖4 單閘板無(wú)導(dǎo)流孔平板閘閥
（3）單閘板無(wú)導(dǎo)流孔平板閘閥：圖4所示為單閘板無(wú)導(dǎo)流孔平板閘閥。該閥采用閥座順流浮動(dòng)。彈簧預(yù)緊自動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，啟閉力小，工作壓力越高，密封性能越好。閘板與閥座的密封有金屬密封和軟、硬雙重密封兩種，金屬密封設(shè)有自動(dòng)注入密封脂機(jī)構(gòu)，介質(zhì)可雙向流動(dòng)。主要零件材料為碳素鋼、不銹耐蝕鋼、合金鋼。連接形式為法蘭連接。本閥適用于石油、石油產(chǎn)品、天然氣、煤氣、化工、環(huán)保等輸送管線及放空系統(tǒng)和油、氣儲(chǔ)存設(shè)備上作啟閉裝置。
（4）雙閘板有導(dǎo)流孔平板閘閥：圖5所示為雙閘板有導(dǎo)流孔平板閘閥。它依靠固定在閥體上的閥座和兩塊楔形對(duì)楔形的閘板保持密封。在整個(gè)啟閉過(guò)程中閘板始終不脫開(kāi)閥座密封面，使介質(zhì)不致掉入閥體下腔內(nèi)。吹掃管可清除閥體內(nèi)的臟物。兩塊楔式閘板依靠其上的三個(gè)銷釘和掛鉤連接在一起。該閥的閥座靠壓合牢固地固定在閥
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
體上。本閥門連接形式為法蘭連接。本閥門可適用在石油、天然氣管線上，亦可在全開(kāi)狀態(tài)下進(jìn)行清掃管線。
圖5 手動(dòng)雙閘板帶導(dǎo)流孔升降桿平板閘閥 圖6 有導(dǎo)流孔升降桿平板閘閥
（5）單閘板有導(dǎo)流孔平板閘閥：圖6和圖7所示為單閘板有導(dǎo)流孔平板閘閥。該種平板閘閥的閥座是浮動(dòng)的。有兩種不同的材料，一種是高彈性體的合成橡膠或聚四氟乙烯，另一種是不銹鋼。閘板采用不銹鋼制成，閘板的下部有一個(gè)和公稱通徑相等的圓孔，當(dāng)閥門全啟時(shí)，閘板上的圓孔就與閥座孔相合，這樣閘板就密封了閥體的腔室而防止固體顆粒進(jìn)入。浮動(dòng)閥座的密封作用亦允許用作雙重截?cái)嗪托狗拧Ｈ绻y座密封在使用中失效，則可向密封面注入密封脂可進(jìn)行暫時(shí)密封，這樣既可以保證閥桿可靠密封，又增加了閥桿的潤(rùn)滑。該閥門密封性能良好，操作方便、靈活、省力，
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國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
流阻系數(shù)小，便于清掃管道，使用壽命長(zhǎng)。本類閥門適用于石油、石油產(chǎn)品、天然氣、煤氣、水等介質(zhì)。
圖7 帶浮動(dòng)閥座有導(dǎo)流孔升降板單板平板閘閥 圖8 有導(dǎo)流孔旋轉(zhuǎn)桿平板閘閥
（6）單閘板旋轉(zhuǎn)桿有導(dǎo)流孔平板閘閥：圖8所示為單閘板旋轉(zhuǎn)桿有導(dǎo)流孔平板閘閥。閥體與閥蓋采用金屬與金屬密封。閥桿和閥蓋設(shè)有上密封，使閥門開(kāi)啟后填料不承受介質(zhì)壓力。平行閘板和彈簧預(yù)加載閥座，使密封可靠，閘板上有導(dǎo)流孔，使開(kāi)啟后便于清掃管線。本閥適用石油、天然氣的井口裝置。
4.1.3 明桿閘閥和暗桿閘閥
（1）明桿閘閥：驅(qū)動(dòng)裝置固定在閥桿螺母上驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)閥桿螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，閥桿作上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)閘閥作升降運(yùn)動(dòng)而啟閉管路。明桿閘閥開(kāi)啟時(shí)，閥桿從手輪上方伸出，可以直接顯示閘閥的開(kāi)啟程度。閥桿梯形螺紋在閥桿上的上半部，不予介質(zhì)直接接觸，不受介質(zhì)腐蝕，而且潤(rùn)滑方面。因此，它適用于腐蝕性介質(zhì)、污濁介質(zhì)和高溫蒸汽介質(zhì)的閘閥上。閥的啟閉程度可以從螺紋直接看出，便于操作也是其優(yōu)點(diǎn)
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
之一。不足之處是，由于螺紋外漏，容易黏上空氣中的塵埃，加速螺紋磨損，故應(yīng)盡量安裝于室內(nèi)。盡管如此，應(yīng)用還是較為廣泛。
（2）暗桿閘閥：驅(qū)動(dòng)裝置固定在閥桿上，閥桿螺紋固定在閘板頂部，當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥桿螺紋帶動(dòng)閘板作升降運(yùn)動(dòng)。閥桿只能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是，開(kāi)啟時(shí)閥桿不升高，所需安裝空間較小。故它常作為大通道閘閥，或安裝空間受限制的場(chǎng)合。由于閥桿不做升降運(yùn)動(dòng)，不能像明桿閘閥那樣，通過(guò)閥桿伸出長(zhǎng)度來(lái)顯示開(kāi)啟程度，因此，應(yīng)裝設(shè)開(kāi)度指示器。暗桿閘閥由于閥桿螺紋部分和閥桿螺母均在閥腔內(nèi)部與介質(zhì)接觸，因而易受介質(zhì)腐蝕，閥桿螺紋等難于潤(rùn)滑。
4.1.4 閥門驅(qū)動(dòng)方式
（1）手動(dòng)：借助手輪、手柄、杠桿或鏈輪等，由人力來(lái)操作。當(dāng)需傳遞較大力矩時(shí)，可裝有圓柱直齒輪、圓錐直齒輪、蝸輪蝸桿等減速裝置。
圖9 圓柱直齒輪傳動(dòng)的閘閥
（2）電動(dòng)：用電動(dòng)機(jī)、電磁或其他電氣裝置操作。電動(dòng)閥門適應(yīng)性強(qiáng)，不受環(huán)境溫度影響，輸出轉(zhuǎn)矩范圍廣，控制方便，可實(shí)現(xiàn)超小型化，具有機(jī)械自鎖性，安裝、維護(hù)檢修方便。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械效率低，一般只有25%到60%，易受電源電壓、頻率變化影響。
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國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
圖10 電動(dòng)閘閥
（3）液動(dòng)：借助液體（水、油等液體介質(zhì)）來(lái)操縱閥門。液動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，體積小，輸出力大，能無(wú)級(jí)變速，能遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。缺點(diǎn)是液壓元件和管道易滲漏，維修不便。
圖11 液壓平行式雙閘板閘閥 圖12 氣動(dòng)帶手動(dòng)楔式單閘板閘閥
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
（4）氣動(dòng)：借助空氣來(lái)操作。氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能獲得較高的開(kāi)關(guān)速度。缺點(diǎn)是不適于大口徑高壓力閥門，開(kāi)關(guān)速度不均勻。
4.2閥門行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
4.2.1 國(guó)外閥門行業(yè)現(xiàn)狀
隨著國(guó)外大型成套技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列新型成套設(shè)備與單機(jī)。與閥門有關(guān)的新型成套設(shè)備發(fā)展的特點(diǎn)是大型化、高參數(shù)化、高性能自動(dòng)化和成套化，與這些成套設(shè)備的控制方式相適應(yīng)。近20年來(lái)，國(guó)外閥門的控制方式也有很大發(fā)展。除一般手動(dòng)、機(jī)動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)傳動(dòng)之外，電液連動(dòng)、氣液連動(dòng)、自動(dòng)控制的閥門品種不斷增多，并有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。?
比如煉油設(shè)備閥門。最大煉油廠3640萬(wàn)噸／年(加勒比海的維爾京群島)，3000萬(wàn)噸／年(委內(nèi)瑞拉)。目前2000萬(wàn)噸／年以上的煉油廠有近30個(gè)；最大單元煉油減壓裝置的處理能力達(dá)到2400萬(wàn)噸/年，催化裂化裝置達(dá)到824萬(wàn)噸／年，加氫裂化裝置達(dá)到320萬(wàn)噸／年。裝置大型化，迫使閥門也越來(lái)越大，控制方式也開(kāi)始向自動(dòng)化方向發(fā)展。?
近年來(lái)，長(zhǎng)輸管線發(fā)展很快，因此，長(zhǎng)輸管線用閥門近幾年需求大增。與這些成套設(shè)備配套的閥門中最大平板閘閥直徑達(dá)到1620mm、2000mm；最大蝶閥通徑9750mm；最大球閥通徑3050mm，不算驅(qū)動(dòng)裝置閥門的重量達(dá)到184噸；最大水用閘閥通徑2750mm，壓力達(dá)到9MPa。?
隨著各類成套設(shè)備、工藝流程和性能的改善，國(guó)外閥門的系列品種還在不斷增加，近年來(lái)出現(xiàn)了不少新品種閥門。如：緊急切斷閥、快速開(kāi)關(guān)閥、防火閥、防靜電閥、減溫減壓閥、蝶型止回閥、泄壓閥、真空夾套閥、水冷或氣冷閥、安全閘閥、安全截止閥等多種新式閥門，其中通用閥門中球閥、蝶閥和平板閘閥是20年來(lái)發(fā)展最快的閥門品種。?
4.2.2 國(guó)內(nèi)閥門行業(yè)現(xiàn)狀
從總體上看，我國(guó)閥門技術(shù)有了很大的進(jìn)步，目前已能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)十幾大類、3000 多個(gè)型號(hào)、40000 多個(gè)規(guī)格的閥門產(chǎn)品。
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國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)與研究的主攻方向
“十?五”期間，我國(guó)閥門行業(yè)研制了 24 通旋轉(zhuǎn)閥、固休物料氣力輸送用閥（旋轉(zhuǎn)加料器、輸送換向閥、滑板閥）、新一代高性能單雙向密封的三偏心復(fù)合圈金屬密封蝶閥、高溫蝶閥、軟硬密封高真空電磁閥和手動(dòng)耐壓閥、GK 型管線球閥、鑲嵌耐磨陶瓷密封圈的閘閥、球閥、調(diào)節(jié)閥。此外還開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了高溫高壓 Y 型波紋管截止閥、低溫波紋管氯氣閥、亞臨界和超臨界高溫高壓截止閥、生物抗菌隔膜閥等。有些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品還填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，獲得了國(guó)家專利。這些產(chǎn)品的研發(fā)標(biāo)志著我國(guó)閥門技術(shù)整體水平有了很大的提高。
然而國(guó)內(nèi)閥門技術(shù)總體水平與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距。大部分國(guó)內(nèi)企業(yè)只能生產(chǎn)技術(shù)含量低、附加值少的低端產(chǎn)品，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也只是在原有產(chǎn)品上作些改進(jìn)或者直接拷貝國(guó)外同類產(chǎn)品。企業(yè)缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)．缺乏具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高端產(chǎn)品。60 萬(wàn)千瓦以上火電機(jī)組配套的高溫高壓閥門、核電閥門、石化行業(yè)配套的特殊閥門、高參數(shù)高性能安全閥等產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。
4.2.3 閥門行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
（l）設(shè)備的大型化：電站的建設(shè)大型化，電站由 30 萬(wàn)千瓦以下機(jī)組向 60 萬(wàn)千瓦以上機(jī)組甚至達(dá) 130 萬(wàn)千瓦機(jī)組發(fā)展，需要大量用于亞臨界、臨界及超臨界機(jī)組的大口徑鍛焊結(jié)構(gòu)高溫高壓減壓閥、安全閥等電站閥門。
（2）可靠性要求更高：核電事業(yè)逐步增加，核電閥門是核電站中量大面廣的水壓設(shè)備，它連接整個(gè)核電站的 300 余個(gè)系統(tǒng)，是核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵附。件根據(jù)國(guó)家制訂的“核電 2005~2020 中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃”，到 2020 年我國(guó)裝機(jī)容量將達(dá)到 5946 萬(wàn)千瓦，新增建設(shè)總投資 4500 億元，需大量安全可靠的閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥、安全閥、主蒸汽隔離閥、球閥、隔膜閥、減壓閥和控制閥等。
（3）抗腐蝕能力和密封性能要求更高：石油開(kāi)發(fā)向內(nèi)地和海上轉(zhuǎn)移，西氣東輸?shù)钠饎?dòng)、煉油業(yè)的發(fā)展，輸油管線也得到快速發(fā)展，這些管線對(duì)閥門有著嚴(yán)格的要求，需要大量的鍛鋼平板閘閥、雙瓣蝶式止回閥、角式節(jié)流閥及球閥；海上采油平臺(tái)的采油、防噴、注水、注氣、水下設(shè)備等系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)一些耐海水、耐鹽霧侵蝕的特種閥門。這些閥門要求有較強(qiáng)的抗腐蝕性、抗風(fēng)暴等異常外力的能力，并且要求密封可靠、操作靈活、維修方便。
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
（4）環(huán)保要求更高：城建系統(tǒng)由過(guò)去使用的低壓鐵制閘閥逐步轉(zhuǎn)向環(huán)保型的膠板閥、平衡閥、金屬密封蝶閥及中線密封蝶閥過(guò)渡。
這些大型項(xiàng)目中應(yīng)用的閥門產(chǎn)品逐漸趨于大型化、高參數(shù)化、高性能、自動(dòng)化，成套比率大幅提高，因而對(duì)閥門的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，促使閥門的發(fā)展更加注秉產(chǎn)品可靠性和安全性等性能指標(biāo)。
新合成材料、新合金鋼及新工藝為閥門技術(shù)的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。如金屬鈦，由于鈦金屬表面能生成一層牢固的鈍化膜，在許多強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性能。聚丙烯、聚碳酯、尼龍等合成材料，已廣泛用于制造化工領(lǐng)域中使用的閥門。新型密封材料柔性石墨，具有耐高溫、耐腐蝕、潤(rùn)滑等特性，可廣泛用于生產(chǎn)高溫高壓閥門。
4.3閥門研究方向
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，打破常規(guī),引入新的理念進(jìn)行設(shè)計(jì),以人為本，設(shè)計(jì)首先考慮安全可靠，其次是操作省力、簡(jiǎn)便，再者是外觀；采用新材料派生閥門產(chǎn)品，使閥門產(chǎn)品在性能及特殊用途上達(dá)到突破；探索新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、新標(biāo)準(zhǔn)等，研制高技術(shù)含量、高參數(shù)、耐強(qiáng)腐蝕、高壽命的閥門產(chǎn)品。閥業(yè)成套水平具體呈如下發(fā)展趨勢(shì)：
（1）研制傳統(tǒng)的阻塞閥技術(shù)與控制閥多級(jí)技術(shù)的結(jié)合；
（2）研制高技術(shù)含量、高參數(shù)、高壽命、耐強(qiáng)腐蝕的閥門
（3）研制用于高粘度聚合物的組合式閥體截止閥；
（4）研制由新型密封件來(lái)降低控制氣體流動(dòng)閥門的噪聲；
（5）研制采用氧化鋯陶瓷來(lái)增強(qiáng)密封面的壽命；
（6）研制苛刻工況的噴管單向閥替代普通單向閥；
（7）研制發(fā)展城市燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組燃料煤氣切斷球閥；
（8）研制發(fā)展先進(jìn)的合成材料閥門；
（9）研制發(fā)展適于啟動(dòng)和全流量操作功能的閥門；
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主要研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路
（10）研制開(kāi)發(fā)滿足地震要求的核安全閥；
（11）研制發(fā)展石化、冶金、電力用高溫高壓調(diào)節(jié)閥、減溫減壓閥；
（12）研制大型乙烯高溫裂解用高溫高壓閥；
（13）研制火電用主蒸汽隔離閥（向超臨界發(fā)展）。
5 主要研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路
5.1 設(shè)計(jì)應(yīng)完成的主要內(nèi)容
（1）液壓式閘閥概況；
（2）液壓式平板閘閥結(jié)構(gòu)方案；
（3）基本參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算；
（4）液壓式平板閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，含液缸設(shè)計(jì)；
（5）關(guān)鍵零件強(qiáng)度校核、其中部分零件用Ansys作有限元分析。
5.2研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法
閘閥設(shè)計(jì)研究最關(guān)鍵的問(wèn)題是密封性能，閘板類型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇，強(qiáng)度計(jì)算及校核，介質(zhì)溫度考慮，填料設(shè)計(jì)，以及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
5.2.1閘閥密封原理
雙閘板平板閘閥：雙閘板平板閘閥的關(guān)閉件由兩塊閘板組成，中間裝有彈簧或楔式機(jī)構(gòu)。這些彈簧和楔式機(jī)構(gòu)的作用是保持與進(jìn)出口處的兩密封面滑動(dòng)接觸并產(chǎn)生密封比壓，以保證進(jìn)出口端部都能密封，屬于雙面強(qiáng)制密封。不過(guò)，中間裝有彈簧的雙閘板平板閘閥，在低壓時(shí)介質(zhì)壓力不足以克服彈簧力，是雙面強(qiáng)制密封；但在高壓時(shí)，介質(zhì)壓力可克服彈簧力，推動(dòng)閘板向出口端，就成了單面強(qiáng)制密封。兩閘板間裝有楔式機(jī)構(gòu)的，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，楔式機(jī)構(gòu)就將兩閘板撐開(kāi)，壓緊密封面，產(chǎn)生密封比壓，關(guān)閉越緊，密封比壓越大，因此屬雙面強(qiáng)制密封。
單閘板平板閘閥：?jiǎn)伍l板平板閘閥有浮動(dòng)閥座和固定閥座兩種。浮動(dòng)閥座的平板閘閥，靠介質(zhì)壓力將其推向閘板，保證密封。還有的浮動(dòng)閥座平板閘閥的密封作用是靠每次操作時(shí)向出口的閥座面添加密封劑來(lái)達(dá)到的。為此，浮動(dòng)閥座帶有一貯槽，其
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
中加有密封劑并在其上部有一浮動(dòng)活塞，而且整個(gè)閥腔注有油脂，并由油脂將介質(zhì)壓力傳給出口儲(chǔ)槽活塞的頂部。閥門在使用時(shí)，密封劑和油脂可從外添加。每一儲(chǔ)槽的劑量約可操作100次。這種密封形式在介質(zhì)壓力高時(shí)，可達(dá)到較高的密封性能。固定式閥座的平板閘閥，靠介質(zhì)壓力把閘板推向出口密封面，達(dá)到密封，介質(zhì)工作壓力越高，密封性能越好，當(dāng)然閥座與閘板密封面的表面粗糙度值一定要小。這種平板閘閥屬單面強(qiáng)制密封。
5.2.2 材料的選擇注意事項(xiàng)
管線流體中，如果夾有較大較硬的顆粒會(huì)把閥內(nèi)件磨得粗糙不平，易產(chǎn)生塑變和擦傷。沖擊振動(dòng)會(huì)造成零件承受沖擊表面、配合表面的破壞，有時(shí)也會(huì)引起塑變和擦傷。
液體金屬，例如鈉、鉀，能夠去除金屬表面的氧化膜，在溫度≥204℃（400℉）時(shí)，極易產(chǎn)生擦傷且比較嚴(yán)重，應(yīng)仔細(xì)選擇材料，避免擦傷的發(fā)生。
防止金屬表面的塑變和擦傷的方法主要有：
（1） 零件采用硬度較高材料制成。
（2） 選用低塑變、低擦傷的配對(duì)材料。
（3） 對(duì)于相互配合的兩種零件，采用不同的材料制造。
（4） 在選用配合零件的材料時(shí)，保證配合零件材料的硬度上有5～10Rc的硬度差。
（5） 確定合理零件表面粗糙度和硬度，或者在零件表面采用特殊的覆蓋層，配合運(yùn)動(dòng)面的硬度差 。
（6） 確定合理的載荷，根據(jù)載荷選用合理的材料及強(qiáng)度。
（7） 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)高溫下不同材料的膨脹系數(shù)認(rèn)真計(jì)算膨脹量，從而確定配合零件的尺寸，保證閥內(nèi)件工作時(shí)一個(gè)適當(dāng)?shù)牟僮鏖g隙。
5.2.3 介質(zhì)溫度的考慮
根據(jù)介質(zhì)的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執(zhí)行機(jī)構(gòu)可承受的溫度。
閥內(nèi)件、填料函結(jié)構(gòu)和使用溫度之間的關(guān)系
（1）450℉（232℃）以上，上閥蓋延伸，用較長(zhǎng)的閥蓋閥桿散熱片保持填料密封。
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完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所必須具備的工作條件及解決的辦法
（2）600℉（316℃）以上，間隙加大閥芯、閥座密封部分硬化處理。
（3）750℉（399℃）以上，所有螺紋連接的閥座將會(huì)泄漏，必須施加密封焊，防止松動(dòng)。
（4）900℉（428℃）以上，所有導(dǎo)向套、閥芯導(dǎo)向和導(dǎo)向桿須表面硬化處理，導(dǎo)向套搭接焊。
（5）1050℉（566℃）以上，表面硬化，采用整體閥座、導(dǎo)向套。
5.2.4 閥門填料設(shè)計(jì)
大部分閥門是利用填料函來(lái)達(dá)到閥桿處的密封。要達(dá)到閥桿處的有效密封，最主要的是在使用條件下，采用適當(dāng)?shù)奶盍闲问胶秃线m的填料。選擇填料材料必須考慮下列因素：
（1）填料的制作；
（2）使用壓力；
（3）使用溫度；
（4）最低溫度；
（5）填料的尺寸；
（6）閥桿材料。
特別注意的問(wèn)題是，雖然不銹鋼閥桿解決了許多機(jī)械的和化學(xué)的問(wèn)題，但通常使用石墨作潤(rùn)滑劑的填料，會(huì)使金屬產(chǎn)生“侵蝕凹坑”，它不適用于不銹鋼閥桿。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可使用云母、犧牲金屬或聚四氟乙烯來(lái)作為填料的潤(rùn)滑劑。
6 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所必須具備的工作條件及解決的方法
6.1原始數(shù)據(jù)
（1）公稱通徑：DN=350mm；
（2）公稱壓力：Class 900磅級(jí)（PN=11.95MPa）；
（3）適用溫度：≤300℃；
（4）適用介質(zhì)：水、蒸汽、油品；
（5）結(jié)構(gòu)尺寸要求：長(zhǎng)度L=700mm；全開(kāi)高度H<1600mm；
（6）液壓缸油壓：4.0MPa。
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液壓式平板閘閥設(shè)計(jì)
6.2工作條件
（1）圖書文獻(xiàn)：閘閥設(shè)計(jì)手冊(cè)，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等工具書，與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的中外論文及其他各種相關(guān)的紙質(zhì)或電子資料。
（2）上機(jī)條件：電腦裝有Solidworks、CAD、ANSYS等繪圖、分析軟件。
7 工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排
第1周-第2周：收集資料，并翻譯一篇不少于3000字的外文資料，閱讀文獻(xiàn)并完成開(kāi)題報(bào)告。
第3周-第4周：進(jìn)行液壓式平板閘閥的理論分析計(jì)算。
第5周-第6周：進(jìn)行液壓式平板閘閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。
第7周-第8周：繪制液壓式平板閘閥裝配圖及主要零件圖。
第9周-第10周：液壓式平板閘閥主要零件的ANSYS分析。
第11周：撰寫畢業(yè)論文說(shuō)明書。
第12周：制作畢業(yè)答辯PPT，完善論文，打印論文并準(zhǔn)備答辯。
8 指導(dǎo)教師審查意見(jiàn)
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