液控蝶阀驱动机构设计
目 录
1 绪论 1
1.1 液压蝶阀的发展史 1
2 蝶阀尺寸及重锤装置设计 1
2.1 阀体的壁厚设计 2
2.2 碟板的厚度计算 2
2.3 碟板的其他尺寸的确定 3
2.4 阀杆尺寸及其力矩计算 3
2.5 静水力矩 4
2.6 密封面摩擦力矩的计算 4
2.7 阀轴的轴承处摩擦力矩计算 5
2.8 阀轴填料处的摩擦力矩计算 5
2.9 重锤质量的确定及安全校核 5
2.10 实际二偏心力矩的计算 6
2.11 开阀的总力矩计算 6
2.12 阀杆的设计及校核 7
2.13 轴的强度校核 8
3 蝶阀液压驱动设计 8
3.1蝶阀安装的方式 8
3.2 液压缸的工作行程计算 10
3.3液压缸推力计算及分析 10
3.5液压缸结构计算及校核 12
3.6缸筒的外径计算 13
3.7 液压缸及活塞杆的强度校核 13
3.8 油缸力臂的计算 15
3.9 关键零件的计算 15
3.10全关结构图如图所示 16
3.11 全开状态 17
3.12全开限位块的确定 18
3.13油缸开阀力矩计算 19
3.14重锤各个角度力矩及力臂杆的计算 20
4 液压控制系统说明 22
4.1 开阀 22
4.2 关阀 23
4.3 系统自动保压 23
4.4 手动操作 23
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论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
碟阀是水电站主要的控制机构，控制着管道流体的速度与开关，其关键性可想而知。在水压较大的流体管道中，对机构的强度与结构有着严格的要求，从而实现管道控制的安全性与稳定性的要求。此次设计是对液压蝶阀的设计与计算，运用了液压与机械知识，利用重锤的重力势能为关阀提前做好准备。重锤式液压蝶阀不仅减少了油路路程，还合理的运用了重力势能从而达到自动关阀降低成本的效果。在此次的设计机构中，零件都有保护零件，从而避免了重要零件的损坏，使得零件更换与维护更加方便。
1.1 液压蝶阀的发展史
液压传动技术是机械领域中发展最快的技术之一，在近几年的发展历程中，伴随着电子科技与机电一体化技术的发展，液压传动技术有了惊人的突破与发展。
液压传动是指以流体为介质从而达到能量传递的一种形式，一般将液压能转化为机械能，从而实现机械机构的传动与控制。一般我们将这种传输介质称为液压油。
英国在18世纪已经制造出了第一台水压机，那么相对来说这是第一例液压机构，那么从那时算起到今天液压已有几百年的发展历程。20世纪以后，液压传动受到人们极大的关注，并且被广应用于工业中。
19世纪石油业的迅速崛起带动了液压传动的迅速发展，然后被广泛的应用于机床上。在二战期间，由于军事设备的需求，大功率液压传输装置也就迅速诞生，所谓祸兮福之所倚，这也就推动了液压技术的迅速发展。在战争结束后，液压系统很快进入了工业，机床，工程机械，船舶等行业，促进了这些行业的迅速发展。20世纪以后，原子能及电子技术的发展推动者液压向更广阔的领域发展。现在液压技术已经成为了衡量一个国家工业水平的重量标志之一。
此次设计的液压碟阀原理是利用液压能推动液压缸活塞的运动，使得活塞杆推动重锤杆的上升，从而带动碟版的转动，当触碰到限位块时，液压缸停止升压，阀门达到全开状态，液压杆的推力保证了碟版的不抖动。当液压蝶阀收到关阀的信号时，液压缸开始泄压，重锤由于自身重力开始下落，从而带动碟版的转动，最终实现关阀的效果，当重锤举台触碰到下限位杆时，则触发液压缸停止泄压，关阀完毕。
2 蝶阀尺寸及重锤装置设计
2.1 阀体的壁厚设计
阀门内径大小有100-2000mm不等，那么此次我设计的主要是水电站所用的中型蝶阀，在水电站工作介质一般为水或者是泥沙水，那么其内部工作压力大约为1MPa，而壳体采用合金钢Q345A其抗拉强度为470-630MPa，这种材料为一般结构用钢，具有较好塑性，焊接性能和冲击韧性，冷热加工性能及低中文性能也很好，具有良好的耐腐蚀性。以上是设计壳体所要选用的材料与数据。而材料的选择是我在网上查阅了大量的资料后发现大部分蝶阀厂商都用此材料，并且性价比价高的一种材料。在一般的输送管道中，阀门是不可或缺的一部分，然而阀体的壁厚并不是随机选择的，不同材料的壳体，它的抗拉强度与抗腐蚀强度有相当大的差异，如果选用抗拉强度与抗腐蚀强度较好的材料，可能造价成本较高，若选用抗拉强度与抗腐蚀强度一般的材料，则安全性能令人担忧，且阀体笨重，不方便搬运与安装；那么我们需要对不同的材料进行分析并选取合适的材料作为壳体的制造材料，以下是我通过使实用阀门手册进行查表后所选取的一些公式及数值，壳体最小壁厚计算方法如下：
（2-1）
= =470/5=94 （2-2）
式中 P—计算压力， ；
—计算内径， ；
—许用拉应力， ；
C —腐蚀余量， ；
将P=1.0MPA， =1900mm，C=2带入（2-1）式中得到 =10。
其中腐蚀余量留2mm，即C=2mm，安全余量留5mm，则壁厚 =10+5=15mm，在考虑了内部水压及腐蚀余量后，我在原有的基础上加了一个安全壁厚，以防止突发事件的产生。那么，在综合因素的作用下，我选取了15mm作为阀体的壁厚。
2.2 碟板的厚度计算
在一个蝶阀中，碟板是整个蝶阀的核心，碟板设计的好坏决定了整个蝶阀的使用寿命及密封性能，当碟板的设计尺寸出现偏差时，严重的情况下会使得整个阀门失去作用，会引发不必要的灾难。同时，碟板边缘的密封材料也很重要，此次我设计的碟板采用聚四氟乙烯，合成橡胶组成复合阀座，这种材料可以提供很好的弹性并且由于聚四氟乙烯的摩擦系数较低，所以不易磨损，不易老化，从而使得阀门的寿命得到了很大的提高。
那么我们假设蝶阀的流道直径为1900mm，即D=1900mm；从陆培文的实用阀门设计手册中可以查到碟板中心厚度与蝶阀流道直径相关，通常
（2-8）
（2-9）
式中 Mm—密封面的摩擦力矩， ；
—阀杆上轴承摩擦力矩， ；
Mt —密封处填料的摩擦力矩， ；
M j —静水力矩， ；
Md —动水力矩， ；
Q — 密封面间的必须比压， ；
1 绪论 1
1.1 液压蝶阀的发展史 1
2 蝶阀尺寸及重锤装置设计 1
2.1 阀体的壁厚设计 2
2.2 碟板的厚度计算 2
2.3 碟板的其他尺寸的确定 3
2.4 阀杆尺寸及其力矩计算 3
2.5 静水力矩 4
2.6 密封面摩擦力矩的计算 4
2.7 阀轴的轴承处摩擦力矩计算 5
2.8 阀轴填料处的摩擦力矩计算 5
2.9 重锤质量的确定及安全校核 5
2.10 实际二偏心力矩的计算 6
2.11 开阀的总力矩计算 6
2.12 阀杆的设计及校核 7
2.13 轴的强度校核 8
3 蝶阀液压驱动设计 8
3.1蝶阀安装的方式 8
3.2 液压缸的工作行程计算 10
3.3液压缸推力计算及分析 10
3.5液压缸结构计算及校核 12
3.6缸筒的外径计算 13
3.7 液压缸及活塞杆的强度校核 13
3.8 油缸力臂的计算 15
3.9 关键零件的计算 15
3.10全关结构图如图所示 16
3.11 全开状态 17
3.12全开限位块的确定 18
3.13油缸开阀力矩计算 19
3.14重锤各个角度力矩及力臂杆的计算 20
4 液压控制系统说明 22
4.1 开阀 22
4.2 关阀 23
4.3 系统自动保压 23
4.4 手动操作 23
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论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
碟阀是水电站主要的控制机构，控制着管道流体的速度与开关，其关键性可想而知。在水压较大的流体管道中，对机构的强度与结构有着严格的要求，从而实现管道控制的安全性与稳定性的要求。此次设计是对液压蝶阀的设计与计算，运用了液压与机械知识，利用重锤的重力势能为关阀提前做好准备。重锤式液压蝶阀不仅减少了油路路程，还合理的运用了重力势能从而达到自动关阀降低成本的效果。在此次的设计机构中，零件都有保护零件，从而避免了重要零件的损坏，使得零件更换与维护更加方便。
1.1 液压蝶阀的发展史
液压传动技术是机械领域中发展最快的技术之一，在近几年的发展历程中，伴随着电子科技与机电一体化技术的发展，液压传动技术有了惊人的突破与发展。
液压传动是指以流体为介质从而达到能量传递的一种形式，一般将液压能转化为机械能，从而实现机械机构的传动与控制。一般我们将这种传输介质称为液压油。
英国在18世纪已经制造出了第一台水压机，那么相对来说这是第一例液压机构，那么从那时算起到今天液压已有几百年的发展历程。20世纪以后，液压传动受到人们极大的关注，并且被广应用于工业中。
19世纪石油业的迅速崛起带动了液压传动的迅速发展，然后被广泛的应用于机床上。在二战期间，由于军事设备的需求，大功率液压传输装置也就迅速诞生，所谓祸兮福之所倚，这也就推动了液压技术的迅速发展。在战争结束后，液压系统很快进入了工业，机床，工程机械，船舶等行业，促进了这些行业的迅速发展。20世纪以后，原子能及电子技术的发展推动者液压向更广阔的领域发展。现在液压技术已经成为了衡量一个国家工业水平的重量标志之一。
此次设计的液压碟阀原理是利用液压能推动液压缸活塞的运动，使得活塞杆推动重锤杆的上升，从而带动碟版的转动，当触碰到限位块时，液压缸停止升压，阀门达到全开状态，液压杆的推力保证了碟版的不抖动。当液压蝶阀收到关阀的信号时，液压缸开始泄压，重锤由于自身重力开始下落，从而带动碟版的转动，最终实现关阀的效果，当重锤举台触碰到下限位杆时，则触发液压缸停止泄压，关阀完毕。
2 蝶阀尺寸及重锤装置设计
2.1 阀体的壁厚设计
阀门内径大小有100-2000mm不等，那么此次我设计的主要是水电站所用的中型蝶阀，在水电站工作介质一般为水或者是泥沙水，那么其内部工作压力大约为1MPa，而壳体采用合金钢Q345A其抗拉强度为470-630MPa，这种材料为一般结构用钢，具有较好塑性，焊接性能和冲击韧性，冷热加工性能及低中文性能也很好，具有良好的耐腐蚀性。以上是设计壳体所要选用的材料与数据。而材料的选择是我在网上查阅了大量的资料后发现大部分蝶阀厂商都用此材料，并且性价比价高的一种材料。在一般的输送管道中，阀门是不可或缺的一部分，然而阀体的壁厚并不是随机选择的，不同材料的壳体，它的抗拉强度与抗腐蚀强度有相当大的差异，如果选用抗拉强度与抗腐蚀强度较好的材料，可能造价成本较高，若选用抗拉强度与抗腐蚀强度一般的材料，则安全性能令人担忧，且阀体笨重，不方便搬运与安装；那么我们需要对不同的材料进行分析并选取合适的材料作为壳体的制造材料，以下是我通过使实用阀门手册进行查表后所选取的一些公式及数值，壳体最小壁厚计算方法如下：
（2-1）
= =470/5=94 （2-2）
式中 P—计算压力， ；
—计算内径， ；
—许用拉应力， ；
C —腐蚀余量， ；
将P=1.0MPA， =1900mm，C=2带入（2-1）式中得到 =10。
其中腐蚀余量留2mm，即C=2mm，安全余量留5mm，则壁厚 =10+5=15mm，在考虑了内部水压及腐蚀余量后，我在原有的基础上加了一个安全壁厚，以防止突发事件的产生。那么，在综合因素的作用下，我选取了15mm作为阀体的壁厚。
2.2 碟板的厚度计算
在一个蝶阀中，碟板是整个蝶阀的核心，碟板设计的好坏决定了整个蝶阀的使用寿命及密封性能，当碟板的设计尺寸出现偏差时，严重的情况下会使得整个阀门失去作用，会引发不必要的灾难。同时，碟板边缘的密封材料也很重要，此次我设计的碟板采用聚四氟乙烯，合成橡胶组成复合阀座，这种材料可以提供很好的弹性并且由于聚四氟乙烯的摩擦系数较低，所以不易磨损，不易老化，从而使得阀门的寿命得到了很大的提高。
那么我们假设蝶阀的流道直径为1900mm，即D=1900mm；从陆培文的实用阀门设计手册中可以查到碟板中心厚度与蝶阀流道直径相关，通常
（2-8）
（2-9）
式中 Mm—密封面的摩擦力矩， ；
—阀杆上轴承摩擦力矩， ；
Mt —密封处填料的摩擦力矩， ；
M j —静水力矩， ；
Md —动水力矩， ；
Q — 密封面间的必须比压， ；
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