大口径楔式闸阀结构设计与优化

张建斌

（合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031）

大口径楔式闸阀结构设计与优化

张建斌

（合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031）

针对大口径楔式闸板进行了相关研究，主要包括闸板结构设计（具体为各主要零部件的尺寸设计）与尺寸优化。首先对大口径楔式闸板工作原理与结构进行了阐述，接着对主要零部件尺寸进行了设计，并依据实际需求合理的优化了计算出来的尺寸，对各零部件材料也进行了选择。最后针对各个零部件的许用应力进行了强度校核。结果表明设计完全能够满足所需的强度要求。

大口径楔式；闸阀；优化

阀门通常是用于调节气体或液体流量、压力和流向的装置，在日常生活和工业生产中十分常见。阀门在石油开采、冶金、设备制造等领域均有重要作用。闸阀是工业领域中最为常见的一种阀门，其原理为在动力的驱动下，闸板在阀体内部垂直运动，一般用于切断阀体内流动的介质，有全开和全关两种模式。一般的闸阀主要由五部分构成，包括阀杆、阀盖、阀座、闸板和阀体等。

由于形状的不同，闸阀包括楔式和平行式两种，本文就将研究一种楔式闸阀。图1给出了一种典型楔式闸阀的结构示意图。楔式闸阀的特点就是其闸板呈楔式，流道中心线与旁边的密封面间成某一夹角。依据阀杆的运动形式，还可以分为明杆式和暗杆式闸阀，通常情况下，暗杆式闸阀在大口径楔式闸阀设计中运用较多，因为大口径闸阀对空间要求比较高。大口径楔式闸阀主要用于供水和工业管道上，其中阀体质量占总体质量的70%。由于阀体受到结构长度的限制，其闸板内腔形状通常为椭圆形或者扁圆形。

图1 一种典型的楔式闸阀示意图

1 闸阀结构与工作原理分析

本研究采用的大口径楔式闸阀总体结构示意图如图2所示，图中所含主要部件包括1电动机构、2阀杆、3支架、4阀盖、5阀体、6阀板以及一些附件。

利用螺纹丝杠传动的原理将力由电动机构传递至闸阀，进而带动阀杆和楔式闸板的上升或下降来实现打开或关闭阀门。闸阀打开的时候，驱动电机提供打开的动力，通过阀杆驱动其以一定速度向上方运动，一般速度为10mm/s。一般会给闸板设定一个预设高度，当其达到预设高度后，电动机构会终止动力驱动，此刻闸板处于完全打开的状态，介质能够顺畅流通。对于大口径的楔式闸阀而言，其具有流量调节的作用，即能够依据闸板的高度对流动介质的流量进行调控。在闸板关闭时，闸板高度逐渐降低，当其下降到最低点时，闸板下凹槽产生细微的形变。发生形变是具有好处的，主要表现为密封效果更好，原理即为能够弥补长时间使用密封圈等造成的空隙。

本文研究的大口径楔式闸阀具有打开和关闭两种模态。打开时，阀体也具有输送介质的功能，可以视为管道的一部分；关闭时，由于输送管道需要同时抗拒拉应力和介质的作用力，因此阀体需要具有足够的强度。

闸板是另外一个关键的部件，在阀门开启和关闭过程中具有重要作用。在关闭状态时，闸板需要承受来流介质约1.6MPa的压强，而在介质流出段几乎不受力，因此闸板很容易发生形变。工程中，对于闸板的强度、刚度都有严格的要求，且要求其密封性能好，可靠性较高。

2 大口径楔式闸阀结构设计

2.1 主要零件尺寸设计

图2 大口径楔式闸阀总体结构示意图

本文主要对大口径楔式闸阀进行研究，本节针对阀体、法兰、闸板等关键尺寸进行设计和优化。闸阀采用电机驱动的方式，DN=600mm，P=1.6MPa。

2.1.1 阀体尺寸设计

阀体材料选择为铸铁QT450-10，体型为扁圆形。阀体关键尺寸之一即为阀体壁厚，壁厚采用式（1）进行估算：

图3 本文所用法兰结构设计

图4 设计阀杆结构示意图

式中SB'即为估算壁厚，单位mm；P为计算压力，单位MPa；Dm为计算内径，单位mm；[σL]为许用拉应力，单位MPa；C为附加余量，单位mm。根据所选择的材料，初步估算得到壁厚为17.2mm，为保证设计冗余，实际中采用20mm厚度。

2.1.2 法兰尺寸设计

由于在国标中没有现成的大口径阀门的法兰设计标准，因此本文采用Gb/T 9113.1-2000《平面、凸面整体钢制管法兰标准》。再根据本文研究对象，初步设计法兰结构和尺寸如图3。图3中尺寸由上到下分别为840mm、770mm、720mm和690mm。

2.1.3 闸板尺寸设计

与阀体相同，闸板采用的材料同样为铸铁QT450-10。与之不同的是，闸板外表面包覆有丁腈橡胶。其目的是，在闸阀处在关闭状态时，能够增强闸阀的密封性能。闸板厚度的预估公式如式（2）

式中，SB'即为估算闸板厚度，单位mm；R为中间薄板的半径，单位mm；K为认为给定的安全系数，本文取0.75；P为计算压力，单位MPa；[σw]为许用拉应力，单位MPa；C为附加余量，单位mm。根据所选择的材料，初步估算得到闸板厚度为23.74mm，为保证设计冗余，实际中采用24mm厚度。

2.2 阀杆设计与校核

阀杆是阀门的关键零件之一，如果出现阀杆变形或者断裂等现象，可能造成不能设想的安全事故，因此需要对阀杆强度进行校核，确保能够承受一定范围内的作用力。阀杆的材料选择为45号钢，该材料在热处理之后具有较好的韧性、塑性以及耐磨性。一般采用的热处理方式为调质热处理工艺，本文设计的阀杆初步如图4所示。阀杆外径为70mm，内径52mm。

由于闸阀存在打开和关闭两种状态，因此需要分别对两种状态的受力进行分析，这里主要对轴向力进行分析。在阀门打开时，阀杆所受轴向力采用式（3）进行计算：

在阀门关闭时，阀杆所受轴向力采用式（4）进行计算：

其中，QP为介质对阀杆施加的轴向力，其计算公式如式（5）

dF为阀杆的直径，单位mm；P为介质压力，单位MPa；QT为阀杆与填充料之间的摩擦力，采用式（6）进行计算：

其中hT为填充料的总高度，单位mm；uT为阀杆和填充料间的摩擦系数，本研究中采用石棉进行计算，摩擦系数为0.15；Q'和Q''就表示关闭和打开时阀杆所受的轴向作用力。

由上式可以计算得到Q'=109.6kN，Q''=161.84kN.由此得到最终结果，在阀门打开和关闭时阀杆所受的轴向作用力为：

由此可见，阀门在处于开启状态时手的轴向力还要更大，达到158.68kN。

另外，在对阀杆强度校核过程中还需要对其剪切力进行校核，检验阀杆头部强度能否满足要求。

2.3 中法兰螺栓组设计

在进行受力分析之前，需要选择中法兰螺栓组的布置方案，本文选择螺栓数均匀布置.

由于阀盖上受到介质向上的作用力，大小为1.6MPa左右，因此螺栓组主要受到轴向力的作用。螺栓在工作时的载荷为F=334.4kN，由此确定各个螺栓上所需要的预紧力大小为：

由此得到各个螺栓所受的总的拉应力大小为：

本文中螺栓采用材料为45号钢，由于是标准件，因此可以查到其屈服极限为σs=320MPa，安全系数给1.5，那么计算得到螺栓的许用应力为213MPa

根据公式可以得到螺栓危险截面的直径，即螺纹小径大小为：

因此，按照国家标准可以选择合适的螺纹，本文选择为公称直径为15mm的螺栓。

2.4 闸板T型槽道设计

图5给出了文中设计的T型槽道的结构示意图。T型槽道是用于闸板上方与阀杆连接的零件。根据前人试验结果可知，T型槽道的危险截面为图中的C截面，因此需要对C截面进行强度校核，主要是进行弯曲应力校核。

图5 T型槽道的结构示意图

由式（9）对T型槽道进行强度校核：

其中，wσ为材料的弯曲许用应力，根据标准查的为83MPa。

由式（10）计算得到的结果为28.9MPa，小于弯曲许用应力，因此设计的T型槽道满足强度要求。

3 结语

本文以大口径楔式闸阀为研究对象进行了分析，阐明了其结构与工作原理，并对主要零部件尺寸进行了设计，包括阀体壁厚、阀杆直径、法兰直径、闸板厚度以及阀体结构长度，接着对各个尺寸进行了实际需求优化，对各零部件材料也进行了选择，最终将一完整的大口径楔式闸阀设计出来。文中还针对各个零部件分析了许用应力，并运用相关公式以及设计标准进行了强度校核，结果表明本文的设计完全能够满足所需的强度要求。

[1]徐芝纶.弹性力学简明教程（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]章茂森，靳淑军，李伟，等. 钢制闸阀阀杆与闸板拉伸试验分析[J]. 流体机械，2012,40(6):10～13.

[3]王运巧.计算机辅助技术综合运用对工业设计流程的影响 [J].机械设计与制造， 2005(04):31～32.

[4]王家权.大口径楔式闸阀结构设计与优化 [D]. 沈阳大学硕士论文，2015.

[5]李晶，鹿晓阳，陈世英. 结构优化设计理论与方法研究与进展[J]. 工程建设，2007,39(06) :21～31.

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