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插板阀的结构设计


毕 业 设 计



业: 机械设计制造及其自动化

班级学号: 机自 0812 学生姓名: 指导教师: 洪平 吕天 讲师

二〇一二年六月

本科生毕业设计

插板阀的结构设计 The Design and Motion Simulation of Ope

ned Gate Valve

专业班级:机自 0812 学生姓名:洪平 指导教师:吕天 系 讲师

别:机械工程学院

2012

年 06 月





阀门是一种机械装置,用于在闭式管路如管道和管线内流体的截断或进、出的流量 控制。 本文主要介绍了敞开式插板阀的结构特点、工作原理并对主要构件进行设计和校 核计算,并以 CAD/CAM/CAE 集成化软件 Solidworks 为设计平台,进行了敞开式插板阀 的建模、装配、运动仿真,对阀体尺寸和结构进行优化。通过 Solidworks 强大完善的功 能对阀门进行运动仿真分析,缩短了产品的设计周期,减少了软件间的数据交换。整个 阀门从建模、装配、运动仿真到优化设计在同一个软件中进行,减少了物理样机的制造、 试验等过程,提高了工作效率,缩短了产品的设计周期。 关键词: 插板阀;Solidworks;运动仿真

ABSTRACT
A valves is a mechanical device to shut off flow or control the rate of flowing into, or out of such enclosed conduits as piping and tubing.The This paper introduced the character structure and operating principle of open-type gate valve, which to design and check analog with the major part, with the platform of CAD/CAM/CAE integrated swith the result that the dimension and structure of valve body are optimized. The advantage of the powerful functions of Solidworks software is made to ody are optimized. Entity valve from modeling, assembling, motion simulation and optimality design will be processed in the same software. That shortens the process of manufacture and test for physical prototype, improves efficiency and reduces the product design period.

Keywords: Open-wide Gate Valve; Solidworks; Mmotion and Simulation





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绪 论................................................................................................................. 1
1.1 介绍几种插板闸阀的结构特点 ........................................................................................ 1 1.1.1 联动组合式插板阀 .................................................................................................. 1 1.1.2 中心推杆式插板阀 .................................................................................................. 1 1.1.3 电动扇形插板阀 ...................................................................................................... 2 1.1.4 封闭式插板阀 .......................................................................................................... 3 1.2 Solidwork 介绍 ................................................................................................................ 3

2 敞开式插板阀设计 .............................................................................................. 5
2.1 敞开式插板阀结构介绍 .................................................................................................... 5 2.2 阀门主要零件材料 ............................................................................................................ 5 2.2.1 阀体、阀盖和阀板(阀瓣)的材料 ...................................................................... 5 2.2.2 密封面材料 .............................................................................................................. 6 2.2.3 阀杆和阀杆螺母材料 .............................................................................................. 7 2.2.4 紧固件、填料及垫片材料 ...................................................................................... 8 2.3 敞开式插板阀设计参数及整体构思 ................................................................................ 9 2.4 阀门通用部分计算式 ...................................................................................................... 10 2.4.1 壁厚计算式 ............................................................................................................ 10 2.4.2 密封圈比压计算 .................................................................................................... 11 2.4.3 阀杆强度计算 ........................................................................错误!未定义书签。 2.4.4 阀杆稳定性验算 ....................................................................错误!未定义书签。 2.4.5 闸板厚度计算 ........................................................................错误!未定义书签。 2.4.6 阀杆与阀杆螺母中梯形螺纹强度计算 ................................错误!未定义书签。 2.4.7 阀体压盖强度验算 ................................................................错误!未定义书签。 2.4.8 支架强度计算 ........................................................................错误!未定义书签。

3 传动装置设计......................................................................... 错误!未定义书签。
3.1 电动机的选择 ..................................................................................错误!未定义书签。 3.1.1 电动装置的输出转矩与转速 ................................................错误!未定义书签。 3.2 电动装置结构设计 ..........................................................................错误!未定义书签。 3.3 阀门操作转矩的确定 ......................................................................错误!未定义书签。 3.3.1 插板阀操作转矩的计算 ........................................................错误!未定义书签。 3.3.2 计算过程的分析 ....................................................................错误!未定义书签。

4 基于 SolidWorks 的敞开式插板阀设计 ............................... 错误!未定义书签。
4.1 插板阀结构设计 ..............................................................................错误!未定义书签。 4.1.1 创建阀体实体 ........................................................................错误!未定义书签。 4.1.2 创建阀板实体 ........................................................................错误!未定义书签。 4.1.3 创建阀杆实体 ........................................................................错误!未定义书签。
I

4.1.4 创建阀杆螺母实体 ................................................................错误!未定义书签。 4.2 敞开式插板阀的装配设计 ..............................................................错误!未定义书签。 4.2.1 创建电动装置装配图 ............................................................................................ 13 4.2.2 创建插板阀总装配体 ............................................................................................ 14 4.3 Solidworks\COSMOSMotion 的运动仿真介绍 ........................................................... 15 4.3.1 运动仿真介绍 ........................................................................................................ 15 4.3.2 机构的组成 ............................................................................................................ 15 4.3.3 机构自由度的计算 ................................................................................................ 16 4.4 插板阀 Solidworks 运动仿真的具体步骤 ...................................................................... 16 4.4.1 整体仿真过程的安排 ............................................................................................ 17 4.4.2 仿真设置 ................................................................................................................ 18



论..................................................................................................................... 22

参考文献................................................................................................................... 23 附录 英文原文....................................................................................................... 24 致 谢................................................................................................................... 27

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在各种类型的阀门中,闸阀是应用最广泛的一种。插板阀是闸阀中的一种,敞开 式插板阀的阀板和阀杆是外露的, 通过阀杆螺母的旋转运动传递给阀杆做直线行程运 动带动阀板的启闭。敞开式插板阀可应用于大型管道启闭控制的装置。其驱动形式包 括电动气动手动或者和驱动综合使用。其优点主要为重量轻,占用空间尺寸小,密封性 好,操作维护方便、 抗腐蚀、 寿命长、 阀板滑动灵活的特点。 本设计主要基于 Solidworks 的模块设计和运动仿真。 本文就是介绍一下如何应用 Solidworks 软件建立其三维实体 模型和虚拟的机械系统装配模型, 然后应用运动分析模块创建运动方案和运动环境对 其进行运动仿真分析,对其结构设计和性能参数进行优化,从而不需要通过实物实验 就可以进行产品的优化设计,降低产品开发费用、缩短开发周期。

1.1 介绍几种插板闸阀的结构特点 1.1.1 联动组合式插板阀
该运行中的不同步及传动机构繁复等技术问题,可用来替代现有的插板阀 。其 具体图片如下:

图 1.1 联动式插板阀

1.1.2 中心推杆式插板阀
该阀门适用于冶金、化工、市政系统的煤气管道,是一种理想的气体隔断设备。 特点:结构紧凑,机械传动效率高,体积小。与传统敞开式插板阀相比,顶开、压紧 机构大大简化, 彻底解决了传统插板阀多条丝杠运行中的不同步及传动机构繁复等技 术问题,用来代替现有的插板阀。

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图 1.2 中心推杆式插板阀

1.1.3 电动扇形插板阀
阀门的使用范围:适用于冶金、矿山、化工、市政、电力等行业的煤气、空气管 道,是一种理想的气体隔断设备。 阀门的特点 :采用防爆电动装置,链式转动,并 附有手动、运转灵活,密封胶圈在阀板上密封可靠,便于更换,同时可远距离遥控。 阀门实体照片如下

图 1.3

电动扇形插板阀

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1.1.4 封闭式插板阀
适用介质:煤气及有毒、有害、易燃气体 该阀适用于冶金、化工、市政系统的 煤气管线,供管道可靠隔断之用。

图 1.4

封闭式插板阀

1.2 Solidwork 介绍
Solidwork 以其强大业,可以方便的与其它 cad 软件进行数据交换,这就在某种 程度上加快了设计的开发进程。并且它能保证图面的真实性和效果的正确性,缩短设 计开发周期,有效支持模具加工与产品生产。 1、用户界面 SolidWorks 软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的,但 SolidWorks 公司 还是努力地改进软件的用户界面,使得设计工作更加自动化。Solidworks 去掉了一些 多余的对话框,而以隐含的右键菜单所代替,最明显的是能够将特征管理器沿水平拆 分。 这使得进行某些特殊命令操作时, 如检查装配关系, 而不会迷失在特征树的位置。 这对于大型装配体和复杂零件的操作也非常重要,因为零件复杂以后,特征管理树会 很长,有时很难同时观察特征树的最上端和特征树的最下端。有了特征管理器的拆分 功能,这一切都成为可能。 2、大型装配 用户不仅用 SolidWorks 软件来解决一般的零部件设计问题,越来越多的用户开

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始用 SolidWorks 软件处理系统级的大型装配设计,对大型装配体上载的速度也是要 求越来越高。面对用户的需要,SolidWorks 公司的研发部门设法从不同的角度对大型 装配体的上载的速度进行了改进,包括分布式数据的处理和图形压缩技术的运用,使 得大型装配体的性能提高了几十倍。 在新版中,还增加了智能装配功能,能够在装配过程中自动捕捉装配关系,而无 须用户另行指定。在装配过程中,还新增加了球面的配合关系和圆锥面的配合关系, 这就使得将球插到孔里的操作变得更加容易。 Solidworks 是一个非常优秀的软件产品。SolidWorks 公司在技术上的投入和技术 的先进性不断保持 SolidWorks 软件在机械三维设计领域的领先地位。

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2 敞开式插板阀设计
阀门作为管道系统中的一个重要组成部分, 应保证安全可靠地执行管道系统对阀 门提出的使用要求。本次设计的敞开式插板阀其基本参数如下: 1、公称直径:1200mm 2、电动插板式闸阀适用于高炉热风炉系统的烟道、冷风、助燃空气、燃烧及煤 气等管道,可对烟气、煤气、空气进行有效地切断。 3、驱动方式:采用电机驱动。 4、电动敞开式插板阀压力: 0.25MPa 5、适用温度:≤25℃ 6、阀体材质为铸钢 7、适用介质:含尘高炉煤气

2.1 敞开式插板阀结构介绍
敞开式插板阀为敞开式设计结构,具有重量轻,易维护(密封胶圈更换、电液动 装置维护检查、更换、阀门的局部维护均在外部,不影响阀门正常运行) ,阀门的运 动过程、开关状态直观性好,启闭后检查完成状态极为方便,具有封闭式不可替代的 优越, 缺点是启闭时有少量的煤气外漏。 现今流行的控制方式包括手动、 电动、 液动、 混合控制的控制方式,其中比较流行的方式为电动。

2.2 阀门主要零件材料
制造阀门零件材料很多,包括各种不同牌号的黑色金属和有色金属及其合金、各 种非金属材料等。 制造阀门零件的材料要根据下列因素来选择: 工作介质的压力、温度和特性。 该零件的受力情况以及在阀门结构中所起作用。 有较好的工艺性。 在满足以上条件情况下,要有较低的成本。

2.2.1 阀体、阀盖和阀板(阀瓣)的材料
阀体、阀盖和闸板(阀瓣)是阀门主要零件之一,直接承受介质压力,所用材料

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必须符合“阀门的压力与温度等级”的规定。常用材料有下面几种: 一、灰铸铁:灰铸铁适用于公称压力 PN≤1.0MPa,温度为-10℃~200℃的水、 蒸汽、空气、煤气及油品等介质。灰铸 KTH330—08、KTH350—10。 鉴于目前国内工艺水平,以及有关数据资料显示,建议 PN≤2.5MPa,阀门还是 采用钢制阀门为安全。因此本设计的插板阀的阀体、阀盖用铬钼铸钢( ZGCr5Mo) 材料。

2.2.2 密封面材料
阀门的密封面是指阀座与关闭件互相接触而进行关闭的部分它是阀门最关键的 工作面。由于阀门在使用过程中密封面在进行密封中要受到冲刷和磨损,所以阀门的 密封性能随使用时间而减低。因此,密封面质量的好坏关系到阀门的使用寿命,通常 密封面材要考虑耐腐蚀,耐擦伤,耐冲蚀,抗氧化等因素。 通常分两大类: 软质材料 即软密封 1、 2、 橡胶(包括丁睛橡胶,氟橡胶等) 塑料(聚四氟乙烯,尼龙等)

在使用软密封面中,接触的两密封面可以单独,也可全部使用如塑料,橡胶这样 的软质材料。由于这种材料性能,使接触面容易配合,故软质密封的阀门能达到极高 程度的密封性。而且这种密封性可以重复达到。缺点是这种材料受到介质适应性及使 用温度的限制。 软质密封材料有时会受到异常升压的限制, 压缩产生的热量足以使软质密封材料 脱落。 表 2-4 列出可能产生温度升高的范围, 该表是开始处在大气压下 15 摄氏度的氧 气受到突然压缩后试验确定的温度升值。 表 2-4 温度升高值 压 力突然升高 值/MPa 2.5 5 10 375 490 630 温度升值/℃ 压力突然升高 值/MPa 15 20 730 790 温度升值/℃

硬密封材料 即金属密封
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1、 2、 3、 4、

铜合金(用于低压阀门) 铬不锈钢(用于普通高中压阀门) 司太立合金(用于高温高压阀门及强腐蚀阀门) 镍基合金(用于腐蚀性介质)

2.2.3 阀杆和阀杆螺母材料
阀杆在阀门开启和关闭过程中,承受拉、压和扭转作用力,并与介质直接接触, 同时和填料之间还有相对的摩擦运动, 因此阀杆材料必须保证在规定温度下有足够的 强度和冲击韧性,有一定的耐腐蚀性和抗擦伤性,以及良好的工艺性。 常用的阀杆材料有以下几种。 一、碳素钢 用于低压和介质温度不超过 300℃的水、 蒸汽介质时, 一般选用 A5 普通碳素钢。 用于中压和介质温度不超过 450℃的水、 蒸汽介质时, 一般选用 35 优质碳素钢。 二、合金钢 用于中压和高压,介质温度不超过 450℃的水、蒸汽、石油等介质时,一般选用 40Cr(铬钢) 。 用于高压、介质温度不超过 540℃的水、蒸汽等介质时,可选用 38CrMoALA 渗 氮钢。 用于高压、介质温度不超过 570℃的蒸汽介质时,一般选用 25Cr2MoVA 铬钼钒 钢。 三、不锈耐酸钢 用于中压和高压、介质温度不超过 450℃的非腐蚀性介质与弱腐蚀性介质,可选 用 1Cr13、2Cr13、3Cr13 铬不锈钢。 用于腐蚀性介质时,可选用、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr18Ni12Mo3Ti 等不锈耐酸钢和 PH15-7Mo 沉淀硬化钢。 四、耐热钢 用于介质温度不超过 600℃的高温阀门时, 可选用 4Cr10Si2Mo 马氏体型耐热钢 和 4Cr14Ni14W2Mo 奥氏体型耐热钢。 阀杆螺母在阀门开启和关闭过程中,直接承受阀杆轴向力,因此必须具备一定的 强度。同时它与阀杆是螺纹传动,要求摩擦系数小,不生锈和避免咬死现象。 五、铜合金 铜合金的摩擦系数较小, 不生锈,是目前普遍采用的材料之一。对于 Pg<1.6Mpa 的低压阀门可采用 ZHMn58-2-2 铸黄铜。对于 Pg16-6.4Mpa 的中压阀门可采用 ZQAL9-4 无锡青铜。对于高压阀门可采用 ZHAL66-6-3-2 铸黄铜。
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2.2.4 紧固件、填料及垫片材料
一、紧固件材料 紧固件主要包括螺栓、双头螺栓和螺母。紧固件在阀门上直接承受压力,对防止 介质外流起关重要作用, 因此选用的材料必须保证在使用温度下有足够的强度与冲击 韧性。选用合金钢材料时必须经过热处理。对紧回件有特殊耐腐蚀要求时,可选用 Cr17Ni2、2Cr13、1Cr18Ni9 等不锈耐酸钢。 二、填料材料 在阀门上,填料是用来充填阀盖填料室的空间,以防止介质经由阀板和阀盖填料 室空间泄漏。 填料可分为软质填料及硬质填料两种: 1、软质填料:系由植物质,即大麻、亚麻、棉、黄麻等,或由矿物质,即石棉 纤维, 或由石棉纤维内夹金属丝和外涂石墨粉等编织的线绳, 也有压成的成型的填料, 以及近年来新发展的柔性石墨填料材料。 植物质填料较便宜, 常用于 100℃以下的低压阀门; 矿物质填料可用于 450-500℃ 的阀门。 近年来使用橡胶 O 型圈做填料的结构在逐步推广,但介质温度一般限制在 60℃ 下。 高温高压阀门上的填料也有采用纯石棉加片状石墨粉压紧而成的。 1)油浸石棉绳; 2)橡胶石棉绳; 3 )石墨石棉绳:石棉绳上涂有石墨粉,可用温度 450 ℃以上,压力可以达到 16Mpa ,一般适用于高压蒸汽上。近后来又逐步采用了压成人字型填料,单圈放置, 密封性好。 4)聚四氟乙烯:这是一种目前使用较广的一种填料。特别适用腐蚀性介质上, 但温度不得起过 200℃。 三、垫片材料 垫片是用来充填两个结合面(如阀体和阀盖之间的密封面)间所有凹凸不平处, 以防止介质 从结合面间泄漏。 1、对垫片的要求 垫片材料在工作温度下具有一定的弹性和塑性以及足够的强度,以保证密封。同 时要具有良好的耐腐蚀性。 2、垫片材料的种类和选择 金属垫片的材料一般用 08、10、20 优质碳素钢和 1Cr13、1Cr18Ni9 不锈钢, 加工精度和表面光洁度要求较高,适用于高温高压阀门。 非金属垫片材料一般塑性

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较好,用不大的压力就能达到密封。适用于低温低压阀门。 综合以上材料总结,根据本次设计的插板阀阀体的工作压力、工艺流体、温度等 进行主要零件材料的选用见表 2-5。

表 2-5 插板阀门主要零件材料 零件名称 阀体、 阀盖、 支架 材料名称 铬钼铸钢 铬钼钒铸钢 铬钼钢 NiCu 合金 牌号 ZGCr5Mo ZG20CrMoR G15Cr1Mo1V 1Cr5Mo NiCu 、 2 GB/T1221-199 2 布 氏 硬 度 250HB 标准号 GB/T8492-200

阀杆

2.3 敞开式插板阀设计参数及整体构思
本设计的敞开式插板阀主要参数如下: 1:公称通径 DN:1200mm ; 2:公称压力:0.25Mpa; 3:适用温度: ≤ 250 摄氏度; 4:适用介质:含尘高炉煤气; 5:驱动方式:电动。 其中阀板为竖直升降线性运动确定了阀体为长方形截面结构, 通过联接器将阀板 与阀杆连接在一起,在阀门的启闭过程中阀杆与阀板是连与一体进行直线运动。电动 机构通过传动装置将传动输至输出轴套上,阀杆螺母安装与输出轴套上,这样就能通 过阀杆螺母的旋转运动传递给阀杆使阀杆做直线行程。 本次设计的敞开式插板阀的结 构如下图 3.1 所示。

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1-阀体 2-阀板 3-闸板 4-密封圈 5-填料函 6-填料压套 7-连接阀板的 螺母 8-连接器盖螺栓

2.4 阀门通用部分计算式 2.4.1 壁厚计算式
本次设计的敞开式插板阀的阀杆属于矩形截面阀体,其阀体的壁厚计算式(图 2-1 和表 2-1)

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图 2-1 表 2-1
序 号 1

阀体截面 阀体壁厚计算

名称

符号

式中符号

公式或索引

单位

最大合成应力(A 点)

?A
?B
P

?

3p Pa (K 2 ? a 2 ) ? 2 tB ? C (t B ? C ) 3p Pb (K 2 ? b 2 ) ? 2 tB ? C (t B ? C )
PN 设计给定,0.25MPa

MPa

2 3

最大合成应力 (B 点) 计算压力

?

MPa MPa

注: ? A ≤ ?? L ? ,

? B ≤ ?? Y ? , ? B ≤ ?? L ? , ? A ≤ ?? Y ? 为合格。

2.4.2 密封圈比压计算
计算图形及参数见(图 2-1 和表 2-2)

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图 2-2 密封圈截面图

表 2-2 密封圈比压计算
序号 1 2 3 4 5 名称 密封面上总作用力 密封面处介质作用力 密封面内径 密封面宽度 计算压力 符号 公式或索引 单位 N N mm mm MPa

FMZ

FMJ ? FMF

FMJ DMN
bM
p

?
4

( DMN ? bM ) 2 P

设计给定,取 1200mm 设计给定,取 100mm PN 设计给定 0.25MPa

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注:

q MF ? q ? ?q?, 为合格。

由表计算式得:

? 3.14 ( D ? bM ) 2 P (1200 ? 100 ) 2 0.25 ? 331662 .5 N FMJ = 4 MN = 4

4.2.1 创建电动装置装配图
由于电动装置零件较多在此就不一一例举零件的绘制, 通过装配过程呈现电动装 置的零件组成。 1 创建装配体文件 单击【文件】→【新建】单击【装配体】如图 4-21 所示,命名为电动装置总成, 单击确定

图 4-21 创建菜单

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2.插入要装配的文件 单击【插入零部件】 ,选中电动装置下盖,再次单击【插入零部件】选择电动装 置下盖后单击【固定】后,同时插入指定的零件,单击【配合】选择要配合的特征, 得到装配体如图 4-22 所示。

图 4-22 电动装置装配图

4.2.2 创建插板阀总装配体
插板阀的总装配是将各子装配及各零件进行总体的装配过程。其总装配图如图 4 -23 所示。由于插板阀零件较多,装配过程中的装配关系也较复杂,步骤繁琐,图 中列出了一部分的的装配关系。

图 4-23 插板阀的总装配 为了更清楚地表现各个零部件间的装配关系, 还可以生成插板阀装配体的爆炸视 图(如图 4-24),由于部件较多,生成的爆炸图比较零乱 。

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图 4-24

插板阀爆炸图

4.3 Solidworks\COSMOSMotion 的运动仿真介绍 4.3.1 运动仿真介绍
近年来,随着计算机的广泛应用,我国在仿真系统的建模与开发方面迅速发展起来, 并取得了很大的成就。在机械工程领域, 建模与仿真技术的应用已扩展到产品的全生 命周期:方案论证、设计制造、试验、使用和维护训练。从而在制造企业产品设计和 制造过程中 运动仿真是 Solidworks/CAE 模块中的主要部分,它能对任何二维或三维机构进 行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过 Solidworks/CAD 的功能建立一个 三维实体模型,利用 Solidworks/COSMOSMotion 的功能给三维实体模型的各个部件 赋予一定的运动学特性, 再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿 真模型 。 Solidworks/COSMOSMotion 的功能可以将装配约束自动转化为仿真模型 的约束,添加必要的驱动力、工作阻力以及 COSMOSMotion 特有的其他约束,建立 仿真模型,就可以模拟机械运行状况,对机器进行运动和动力分析。仿真结果可以用 动画、图形、数据等多种形式输出,为创新设计、缩短产品设计周期、节约产品成本, 提供了一种切实有效的方法。

4.3.2 机构的组成

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(1).构件 任何机器都是由许多零部件组合而成的。这些零件中,有的是作为一个独立的运 动单元体而运 种由两个构件组成的可动连接称为运动副, 把两个构件上能够参加接触而构成运 动副的表面称为运动副元素 。 (3). 自由度和约束 设有任意两构件,它们在没有构成运动副之前,两者之间有 6 个相对自由度(在 直角坐标系中三个移动和三个转动自由度) 。

4.3.3 机构自由度的计算
在机构创建过程中,每个自由构件将引入 6 个自由度,同时运动副又给机构运动 带来约束,常用运动副引入的约束数目如表 4.1 所示。 机构总自由度数目可用以下计算公式进行计算: 机构自由度总数=活动构件数×6-约束总数-原动件独立输入运动数

4.4 插板阀 Solidworks 运动仿真的具体步骤
首先打开 Solidworks 中的插件功能对话框, 勾选 COSMOSMotion 2007 活动插件 并启动确定。如图 4-41 所示。

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图 4-41 插件功能对话框

4.4.1 整体仿真过程的安排
本阀的仿真过程主要包含以下两个方面: 第一步 第二步 电动装置中各机构的运动 阀板的开启与关闭 ,用右键将阀体设置为【静止零部件】 ,其余设

在设计树上选择运动分析图标

置为【运动零部件】 ,如图 4-42 所示。

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图 4-42

4.4.2 仿真设置
1. 添加驱动

图 4-43

图 4-44

2.三维碰撞接触状态模拟 电机齿轮-1 带动从动齿轮 2 转动,齿轮 2 又带动蜗杆转动,蜗杆带动蜗轮转 动,实际情况是刚体之间的碰撞产生的。下面就对这种状态进行模拟。
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图 4-45

图 4-46

从模拟结果可以看出,初始状态如图 4-47 所示,从运行过程可以分析出各传动件的 啮合状态,有无干涉或脱离啮合现象。
图 4-47

由以上步骤便可完成本阀门第一步(电动执行机构中的构件运动仿真) 。接着进 行第二步(阀板的开启与关闭运动过程仿真) 。 3. 添加转动-移动耦合 单击【约束】前面的+号,将蜗轮和阀杆之间添加旋转副(实际上就是阀杆螺母 与阀杆之间建立旋转副 Revolue,因为蜗轮与阀杆螺母是配合一体的) 。在阀杆和阀 板之间添加移动副 Translational,然后在旋转副和移动副之间添加一个耦合,使得阀 杆螺母的转动与阀杆阀板的移动按照一定的关系运动,如图 4-49 和图 4-50 所示。 图中阀杆的移动副的移动距离为 1200mm(实际就是阀门的公称通径) ,应注意在装 配中阀板应与阀体底部配合好,否则运行时将超过运动范围而报错。

图 4-49

图 4-50

4.设置转动函数 在 蜗 轮 与 阀 杆 之 间 添 加 的 旋 转 副 Revolute 与 阀 杆 和 阀 板 之 间 添 加 移 动 副 Translational 中,设置运动关系如图 4-51 所示。

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图 4-51

图中函数: STEP[TIME,0,0,5,1200]+STEP[TIME,1,0,2,-1200]。 表示在仿真过程中, 0-5S,阀杆与阀板移动 1200mm 即阀门处于开启状态;5-6S,保持静止;6-11S,反 向移动 1200mm 即阀门处于关闭状态。 5. 仿真模拟 仿真帧的数目设置为 50 ,如图 4-52 所示,勾选仿真时生成动画,点击仿真。 仿真运算结束后自动弹出图 4-53 对话框,设置对话框中参数点击下一步,跳出图 4 -54 对话框进行零件间的干涉检查。查看模拟结果可在 COSMOSMotion 工具栏中单 击播放 按钮或查看输出的动画。

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图 4-52

图 4-53

图 4-54

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本文探索了一种敞开式插板阀的设计和分析方法,以 Solidworks 软件为设计平 台,进行插板阀的建模、装配、关键部分的运动仿真,对阀体尺寸和结构进行优化, 加快了开发周期,节约了高额开发费用,降低了研发成本。在具体的研究中,利用 Solidworks 软件的强大功能,保证了设计和分析计算机模型的一致性,减少了误差的 积累,并使设计和分析做到了并行进行。由此,将 Solidworks 广泛用于产品开发设计 全流程,具有多方面的推动和助益作用,保证图面的真实性和效果的正确性,缩短设 计开发周期。 有效支持后期加工与产品生产。随着科学技术不断发展, Solidworks 将在计算机辅助设计中发挥着越来越重要的作用。 在此设计过程中逐渐接触到了 Solidworks 这个软件,它的人性化是使我感触很 深,体会到了现代设计软件的优异性。 此次设计相对来说参考资料比较少,但是在 刘玉山指导老师和同时求学的同学的大力帮助下,得以顺利完成本次毕业设计。本设 计肯定有需要加以改进的地方,在此希望老师们能提出宝贵的意见。

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参考文献
[1] 饶纪杭. 阀门电动装置. 电力工业出版社. 1982.03 [2] 陆陪文. 实用阀门设计手册. 机械工业出版社. 2004. 05 [3] 邵彭年. 实用阀门与管件手册. 上海科学技术出版社. 2005.10 [4] 宋虎堂. 阀门选用手册. 化学工业出版社. 2007.06 [5] 陆培文 孙晓霞. 阀门选用手册. 机械工业出版社. 2005.01 [6] 骆江锋 王锦. SolidWorks2006 基础教程. 人民邮电出版社. [8] 刘国林.阀门选用手册.北京.机械工业出版社,2003.01 2007.02. [7] 江洪 陆利锋. SolidWorks 工程制图与管路实例解析. 机械工业出版社. 2007.08

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附录
BONNETS

英文原文

AND STEM SEALING

The major path for leakage to the outside is along the moving stem of avalve, but the stationary seal of the customary bonent also can be a path for escape of fluid. The bonnet often must be larg bonnet is adequate. The gasket necessary to seal against leakage leakage through the very narrow helical path along on pressure. Flexible metal-and-asbestos and metal profile-ring type are two choices. Welding the bonnet ernal pressure wedge two sloping surfaces together. The outward thrust must be resisted fairly uniformly, with as little twi ne condition, however, is impossible for even the pressure seal. If a gate valve can seal on both faces of the disc, then liquid trapped in the bonnet can expand upon slight heating and place excessive load on seal or stem packing. Bonnet overpressurization, which can also occur in some ball valves, many need such remedies as drilling through the upstream disc half or connecting the bonnet interior back into the line via a relief valve. The bonnet usually aslo transfers actuation reactions into the vale body and piping. The actuator thrust or torque. STEM PASSAGE Every externally actuated valve requires a passage for a moving stem or spindle. The sealing of tne stem clearance against fluid escape is a troublesome problem. For example, the blade of a knife gate has a long perimeter, with corners. Long sliding motion(Os & Y gates) or helical motion(globes)is harder on a stem-seal system than is the simple quarter turn of a small ball valve. Dirt or stem deposits of rust or solids can cut packing in the conventional box. The packing material itself is important.Rings of conventional packing for globe and gate valves can be asbestos, TFE, wire-reinforced asbestos, or graphite foil. Long contact of wet packing with stems can lead to corrosion, so sacrificaial zinc is put in some packings. More nearly hermetic stem seals are the metal-diaphragm variety, for small globe or Y valves with short lift, and the metal bellows for higher lifts.
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No matter what the type of design, there is at least one welded or gasketed stationary seal that can become a leak path, either directly past the diaphragm edge, through the bellows, or around the mount of either. The design and welding must be of highest grade if the diaphragm or bellows is to last the expected thousands of strokes. Internal leakage in vales can occur around close-fiting inserted components, such as seat rings, or through the more common path of seat/disc interface. In most cases of internal leakage, the full pressure drop from upstream to downstream occurs at some time across the narrow orifice at the leak. Depending on the fluidness and irregularity of leak-passage walls. The valve seat and disc combination are exposed to all these effects not only when there are leakage conditions, but also when the disc is very close to the seat. At that time, the fluid passage, although much wider than for a leak in a fully closed valve, is fluid passage, although much wider than for a leak in a fully closed valve, is nevertheless often very unfavorably arranged from the standpoint of impingement and effects such as cavitation. High-velocity fluid moving through a narrow opening may also set uo a fluttering which can exploit trim resiliency a ed in today’s central stations. Conditions in the closed valve are different for each type. With the metal disc and seat, the exact picture of conditions during a manor leak is not entirely clear. It is known that excessively fine finish of the surfaces has a bad effect on leaktightness. Removal of particles of metal from seat or disc, as a result of inevitable sliding during closing and opening, worsens original leak conditions in metal-to-metal seats, enlarging leak passages and prevent this effect, which differs from corrosion and galling. Trapping of hard particles between metal seat and disc can not only hold a leak path open but can also break aw an the pressure applied to metal seats, and a suitable elastomer will recover fully upon opening. “Drop-tight” sealing has come to mean an elastomer/m r neck connecting disc halves can flex to let the disc halves accommodate to change or tolerances in taper between seats. Beside this, the domed shape of each disc half makes the perimeter region flexible enough to follow out-of-plane seat distortion. Separate metal seat rings are common. The composition can differ from body material, and replacement of worn or damaged seating surface is possible. The mounting of metal seat rings in the valve body is worth close attention. Screwed-in seat rings are one solution. Close tolerances are necessary but are difficult to hold in large sizes. Often the design
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requires the seat ring to butt tightly against a body surface for sealing but machining or thread-cutting errors cause a g ring itself can be hardfaced and even revesible. As with all hardfacing for metal-to-metal contact, the quality of deposit and the bond to the substrate are critical .Excessive local or general pressure can break off hardfacing. Adequate seat/disc contact pressure is necessary if a valve is to seal. Narrowing of one face is one possibility if dirr it is in gate, globe, plug,or butterfly valve. Body distortion, surface wear and roughening of contact surfaces, and thermal effects are all part of the reality. Adding elastomer to amelat-to-metal contact is possible if the temperature allows. In some valves, for example, an O-ring in a groove on the disc will make the seating droptight. The groove force a slight protursion beyond the metal seating surfaces. Tf wear or other damage occurs to the elastomer, the metal-to-metal seat is still there for whatever its closure tightness may be. The elastomer type of seal is of course the heart of many successful ball, butterfly, and plug valves. In every case, howample, fluid pressure, exploited to develop sealing force, also pro opiece molded liner fitting into the metal pressure-retaining body supports, positions, and seals against the ball.The Buna-N liner withstand 225-psig pressure or temperatures to 212F. The knife-gate valve of Fig 104 is another example of multipurpose elas-tomers. The liner pieces resist slurry particles effectively, presenting only a minor discontinuity at the close fit between them. The descending knife blade seats with a continuous contact of elastomer on SI 300 pressure specifications in sizes to 36 in. and to ANSI 800 as large as 2 in. Attempts to achieve complete s then have generally centered on gate valves that seal on bot ssembly or thermal-expansion causes, will allow leakage through one seat, and the disc and shaft galleries must then remove the leakage before pressure builds up. Block-and-bleed service is also possible from body/bonnet zone of ball valves, if both soat rings seal tightly.

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首先感谢导师吕天老师给我这个机会,使我能对这个课题进行研究和学习。 本文从选题、研究、到写作的整个过程,是在吕老师及其同学的精心指导和帮助 下完成的。在论文形成期间,刘老师曾多次给予认真的指导,并提出了重要的修改意 见, 对我毕业论文的顺利完成, 起到了非常重要的作用。 吕老师治学严谨、 甘当人梯、 不求回报,对学生不仅从学业上关心,而且从思想上关心,其高尚人格和长者风范使 我受到强烈感召,给我留下了非常深刻和非常美好的印象。在此,向吕老师致以崇高 的敬意和深深的谢意! 感谢与我共同度过大学生活的同学们。在闲暇时间,是他们带给我快乐;遇到困 难时,是他们帮助我、鼓励我。还要特别感谢我的父母对我的关心、支持和鼓励,他 们的爱是我前进的动力。 虽然我对毕业论文做了大量的工作,但由于自身水平有限,错误之处在所难免, 恳请各位老师指正和谅解。 最后,向评阅本论文以及论文答辫的专家、老师们致以崇高的敬意!

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