筒式節(jié)流閥設計要點

1、前言第3頁（共27頁）目錄I H.III.1V.VM畢業(yè)設計任務書 開題報告 指導教師審查意見 評閱教師評語 答辯會議記錄 中文摘要11閥門的分類21.2閥門的主要參數(shù)32選題背景521題目來源52.2研究目的和意義52.3國內(nèi)外研究情況及發(fā)展趨勢62.4本文研究的主要內(nèi)容73設計論述73.1節(jié)流閥的特點73.2節(jié)流閥的工作原理83.4節(jié)流閥的結構組成93.5筒式節(jié)流閥設計與計算94節(jié)流閥強度校核174.1閥體壁厚校核174.2閥桿強度校核184.3閥座的應力校核214.4閥桿螺紋的強度校核215節(jié)流口流分析225.1節(jié)流口的流量特性公式225.2影響流量穩(wěn)定性的因素236總結25參考文獻26

2、致謝27筒式節(jié)流閥設計摘要閥門作為管道的重要控制元件，廣泛應用于石油、化工、冶金、天然氣輸送、 發(fā)電站、城市供水等國民經(jīng)濟的各個部門。節(jié)流閥以構造較簡單，便于制造和維修， 成本低，更是得到廣泛的應用。節(jié)流閥是鉆井井控管匯中的關鍵設備，它根據(jù)井口壓 力要求可以在任何位置，它主要起節(jié)流作用，用于控制井口排出的壓力和流量，以平 衡地層壓力。它在高壓井口裝置中起著非常重要的作用。筒式節(jié)流閥是節(jié)流閥中的一 種，主要由閥芯和閥體組成，形成可變或非可變的節(jié)流口。可變節(jié)流口一般由可動部 分（閥芯）和固定部分（閥體或閥座）相對運動來改變節(jié)流口大小。本文設計的節(jié)流 閥為可調式手動節(jié)流閥，閥芯為筒式，閥芯和閥座通過

3、相對運動形成可變節(jié)流口。筒 式閥芯與頂部為圓柱形的閥桿配合，具有流體流動性能好，震動小，噪音低。閥芯末 端釆用楔形面和平面相結合的方式，保證流體出流方向不指向殼體，避免了流體對殼 體壁的沖蝕。同時，閥芯上端部的直平面滿足了對壓降的線性調節(jié)要求，更適合現(xiàn)場 使用。關鍵詞節(jié)流閥 筒式 閥芯節(jié)流口 閥桿The design of barrel type throttle valveStudent： Clien jieSupeivisor： Li MeiqiuAbstract The valve as pipeline's important controlling element is wi

4、dely applied ill each department of national economy such as petioleuni, chemical, metallurgy, natural gas transpoilation, power station and urban water supply. The thiottle valve is more widely used because of simple constmcts, convenient for the manufactuie and the maintenance and low cos匸 The thi

5、ottle valve is impoitant equipment ill the well-contiol header, it can be put in any position accoidiiig to the pressure on the mouth of well and it is mainly used in the tluottling with controlling the pressure and volume of flow discharged by the mouth of well to balance foimation pressure. It is

6、playing the veiy vital role in the high pressure on the mouth of well device. The barrel type tlirottle valve is one kind of the tluottle valve ,it is mainly composed of the valve core and the valve chest that fomis invariable or the non-invariable orifice. The size of invariable orifice is generall

7、y changed by way of the relative motion with the moving part (valve core) and the fixed part (valve chest or valve seat). The thiottle valve designed by the article is adjustable and manual, the valve core is the baiiel type, the valve core and the valve seat forms the iiivaiiable orifice tlirough t

8、he relative motion. The barrel type valve core cooperates with the valve pole of cylindrical top, which have good fluid flow peiioimance, small vibiation and low noise. The end of valve core is made of the wedge-shaped surface and the plane, which guarantee that the direction of fluid not to direct

9、to the shell and avoid eroding of the fluid to shelPs wall. At the same time, the straight plane on the valve core lias satisfied the linear adjustment request of pressure diop, which is more suitable in field.Keywords Tluottle valve barrel type valve core orifice valve pole前言筒式節(jié)流閥設計1前言閥門是國民經(jīng)濟建設中使用極

10、為廣泛的一種機械產(chǎn)品。閥門在石油、天然氣、 煤炭、冶金、和礦石的開采、提煉加工和管道輸送系統(tǒng)中；閥門在石油化工、化工 產(chǎn)品,醫(yī)藥，和食品生產(chǎn)系統(tǒng)中；閥門在水電、火電和核電的電力生產(chǎn)系統(tǒng)中；閥 門在城建的給排水、供熱和供氣系統(tǒng)中；閥門在冶金生產(chǎn)系統(tǒng)中；閥門在船舶、車 輛、飛機、航天以及各種運動機械的使用流體系統(tǒng)中；閥門在國防生產(chǎn)以及新技術 領域里；閥門在農(nóng)業(yè)排灌系統(tǒng)中都有大量的需求。因此，閥門是我國實現(xiàn)四個現(xiàn)代 化不可缺少的重要機械產(chǎn)品，它與生產(chǎn)建設、國民建設和人民生活都有著密切的聯(lián) 系。閥門是用以控制流體流量、壓力和流向的裝置。被控制的流體可以是液體、氣 體、氣液混合體或固液混合體。閥門通常由

11、閥體、閥蓋、閥座.啟閉件、驅動機構、 密封件和緊固件等組成。閥門的控制功能是依靠驅動機構或流體驅使啟閉件升降、 滑移、旋擺或回轉運動以改變流道面積的大小來實現(xiàn)的。閥門安裝在管道系統(tǒng)中， 用以接通或切斷介質、調節(jié)介質流量，改變介質流動方向以保證安全等，是重要的 管道附件。在石油、天然氣的生產(chǎn)過程中，閥門的使用更是頻繁。如節(jié)流閥、地下 安全閥;用于化工、煉油、地熱等高壓閥門;用于輸油氣管道不同口徑的高壓閥門。通 過分類總結，使用閥門的場所主要有以下幾個方面冋：管匯:用于保持油氣生產(chǎn)系統(tǒng)壓力，控制流量，及節(jié)流管匯和壓井管匯的壓力控 制。井口：安裝在采油樹翼閥上，對油氣生產(chǎn)進行控制。分離器的泄壓：當作

12、四分之一式快開快關閥使用，以便保持分離器的液面。加熱器旁通管：用于二級旁路循環(huán)，降低和控制天然氣的壓力。注水：控制注水量，保持地層壓力，提供油氣產(chǎn)量。CO,作業(yè)：精確控制co2：的注入量，提供油氣產(chǎn)量，具有很好的抗凍性能。氣舉:保持壓力，控制氣體注入量，提高產(chǎn)能。在眾多的閥門中，節(jié)流閥就是其中一種。本文的設計是用于井口高壓管道裝置 中。當節(jié)流閥應用在節(jié)流管匯，其作用是控制流量，用于保持整個油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的 壓力;節(jié)流閥還可用于加熱器旁通管的循環(huán)，降低和控制天然氣的壓力。在管道輸運 中，我們希望它給整個輸送系統(tǒng)提供壓力、流量的控制。1.1閥門的分類由于介質的壓力、溫度、流量和物理化學性質的不同，對

13、裝置和管道系統(tǒng)的控 制要求和使用要求也不同，所以閥門的種類規(guī)格非常多。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，且有多種分類方法山。一、按自動和驅動分類1、自動閥門 依靠介質（液體、空氣、蒸汽等）本身的能力而自行動作的閥門。如 安全閥、止回閥、減壓閥、蒸汽疏水閥、空氣疏水閥、緊急切斷閥等。2、驅動閥門 借助手動、電力、液力或氣力來操縱的閥門。如閘閥、截止閥、節(jié)流 閥、蝶閥、球閥、旋塞閥等。二、按用途和作用分類1、截斷閥類 主要用于截斷或接通管路中的介質流。如截止閥、閘閥、球閥、旋塞 閥、蝶閥、隔膜閥等。2、止回閥類 用于阻止介質倒流。如各種不同結構的止回閥。3、調節(jié)閥類

14、 主要用于調節(jié)管路中介質的壓力和流量。如調節(jié)閥、節(jié)流閥、減壓閥。4、分流閥類 用于改變管路中介質流動的方向，起分配、分流或混合介質的作用。 如各種結構的分配閥、三通或四通旋塞，三通或四通球閥，各種類型的疏水閥等。5、安全閥類 用于超壓安全保護，排放多余介質，防止壓力超過規(guī)定數(shù)值。如各種 類型的安全閥。6、多用閥類 用于替代兩個、三個甚至更多個類型的閥門。如截止止回閥、止回球 閥、截止止回安全閥等。7、其他特殊專用閥類如排污閥、放空閥、清焦閥、清管閥等。三，按主要技術參數(shù)分類1、按公稱通徑分類1）小口徑閥門 公稱通徑DN<40mm的閥門。2）中口徑閥門 公稱通徑DN50-300mm的閥門。

15、3）大口徑閥門 公稱通徑DN3501200mm的閥門。4）特大口徑閥門 公稱通徑DN>1400mm的閥門。2、按公稱壓力分類1）真空閥 工作壓力低于標準大氣壓的閥門。2）低壓閥 公稱壓力PN<1.6MPA的閥門。3）中壓閥 公稱壓力PN2.5-6.4MPA的閥門。4）高壓閥 公稱壓力PN10.0-80.0MPA的閥門。5）超高壓閥 公稱壓力PIIOOMPA的閥門。3、按介質工作溫度分類1）高溫閥t>450*C的閥門。2）中溫閥120-C<t<450*C的閥門。3）常溫閥-40*C<t<120*C的閥門。4）低溫閥-ioor<t<-4or的閥

16、門。5）超低溫閥t<-100*C的閥門。四、按結構特征分類1）截門形關閉件沿著閥座的中心線移動。2）閘門形關閉件沿著垂直于閥座中心線的方向移動。3）旋塞和球形關閉件是柱塞、錐塞或球體，圍繞本身的軸線旋轉。4）旋啟形關閉件圍繞閥座外的軸線旋轉。5）蝶形關閉件的圓盤，圍繞閥座內(nèi)的軸線旋轉（中線式）或圍繞閥座外的軸線旋 轉（偏心式）的結構。1.2閥門的主要參數(shù)1.2.1閥門的主要性能參數(shù)表示閥門的主要性能參數(shù)有公稱壓力、公稱通徑、工作壓力、工作溫度、 壓力一溫度額定值。A.公稱壓力公稱壓力是指閥門在指定溫度下允許的工作壓力，以PN表示，單位通常用MPa。 它是一個用數(shù)字表示的與壓力有關的標示代

17、號，是供參考用的方便的圓整數(shù)。同一 公稱壓力（PN）值所標示的同一公稱通徑（DN）的所有管路附件具有與端部連接型 式相適應的同一連接尺寸。B. 公稱通徑公稱通徑是表征閥門口徑的名義內(nèi)徑，以DN表示，單位通常用mm。公稱通徑 DN是管路系統(tǒng)中所有管路附件用數(shù)字表示的尺寸，以區(qū)別用螺紋或外徑表示的那些 零件。公稱通徑是用作參考的經(jīng)過圓整的數(shù)字，與加工尺寸數(shù)值上不完全等同。C. 工作壓力工作壓力是閥門在適用介質溫度下的壓力，單位通常用MPa。D工作溫度工作溫度是閥門在適用介質下的溫度，單位通常用*0。E.壓力一溫度額定值閥門的壓力一一溫度額定值，是在指定溫度下用表壓表示的最大允許工作壓力。 當溫度升

18、高時，最大允許工作壓力隨之降低。壓力一溫度額定值數(shù)據(jù)是在不同工作 溫度和工作壓力下正確選用法蘭、閥門及管件的主要依據(jù)，也是工程設計和生產(chǎn)制 造中的基本參數(shù)。1.2.2閥門的主要功能參數(shù)1 強度性能閥門的強度性能是指閥門承受介質壓力的能力。閥門是承受內(nèi)壓的機械產(chǎn)品， 因而必須具有足夠的強度和剛度，以保證長期使用而不發(fā)生破裂或產(chǎn)生變形。2 密封性能閥門的密封性能是指閥門各密封部位阻止介質泄漏的能力，它是閥門最重要的 技術性能指標。閥門的密封部位有三處：啟閉件與閥座兩密封面間的接觸處；填料 與閥桿和填料函的配和處；閥體與閥蓋的連接處。其中前一處的泄漏叫做內(nèi)漏，也 就是通常所說的關不嚴，它將影響閥門截

19、斷介質的能力。對于截斷閥類來說，內(nèi)漏 是不允許的。后兩處的泄漏叫做外漏，即介質從閥內(nèi)泄漏到閥外。外漏會造成物料損失，污 染環(huán)境，嚴重時還會造成事故。對于易燃易爆、有毒或有放射的介質，外漏更是不 能允許的，因而閥門必須具有可靠的密封性能。3 流動性能介質流過閥門后會產(chǎn)生壓力損失（既閥門前后的壓力差），也就是閥門對介質的第5頁（共27頁）選題背景流動有一定的阻力，介質為克服閥門的阻力就要消耗一定的能量。從節(jié)約能源上考 慮，設計和制造閥門時，要盡可能降低閥門對流動介質的阻力。4 動作性能1) 動作靈敏度和可靠性這是指閥門對于介質參數(shù)變化，做出相應反應的敏感程度。對于節(jié)流閥、減壓 閥、調節(jié)閥等用來調節(jié)

20、介質參數(shù)的閥門以及安全閥、疏水閥等具有特定功能的閥門 來說，其功能靈敏度與可靠性是十分重要的技術性能指標。2) 啟閉力和啟閉力矩啟閉力和啟閉力矩是指閥門開啟或關閉所必須施加的作用力或力矩。關閉閥門 時，需要使啟閉件與發(fā)座兩密封面間形成一定的密封比壓，同時還要克服閥桿與填 料之間、閥桿與螺母的螺紋之間、閥桿端部支承處及其他磨擦部位的摩擦力，因而 必須施加一定的關閉力和關閉力矩，閥門在啟閉過程中，所需要的啟閉力和啟閉力 矩是變化的，其最大值是在關閉的最終瞬時或開啟的最初瞬時。設計和制造閥門時 應力求降低其關閉力和關閉力矩。2選題背景21題目來源閥門作為管道的重要控制元件，廣泛應用于石油、化工、冶金

21、、天然氣輸送、 發(fā)電站、城市供水等國民經(jīng)濟的各個部門。節(jié)流閥以構造較簡單，便于制造和維修, 成本低，更是得到廣泛的應用。因而我的畢業(yè)論文題目來源于生產(chǎn)/社會實際。2.2研究目的和意義在井口高壓管道裝置中，節(jié)流閥起著非常重要的作用。節(jié)流閥是鉆井井控管匯 中的關鍵設備，它是否正常工作直接關系到壓井的成敗。在鉆井過程中，常常需要 對節(jié)流管匯中的節(jié)流閥進行開度調節(jié)，控制流體流過節(jié)流閥后產(chǎn)生的壓降，從而向 井底提供適當?shù)幕貕阂云胶獾貙訅毫?，防止井涌、井噴等事故的發(fā)生冋。在某些高 壓地層條件下，地層壓力大多在SOMPa以上個別地層壓力甚至達到120MPa,這對 提供壓力控制的節(jié)流閥提出了很高的性能要求。管

22、路限流是提高回壓的主要手段之 一，限流的關鍵在于增大這個循環(huán)系統(tǒng)中的壓力損失同。管路中的流動內(nèi)摩擦是造 第5頁(共27頁)選題背景成壓力損失的一個原因，但由此造成的壓力損失一般都不大，與壓井所需的壓力損 失相比大約低兩個量級，甚至更小，完全可忽略不計。因此，增大管路中的壓力損 失，在很大程度上，依賴節(jié)流閥。因此，提高現(xiàn)有節(jié)流閥的性能，改進現(xiàn)有節(jié)流閥 的結構，勢在必行。因此，對節(jié)流閥的研究在井口高壓管道裝置中有著非常重要的 現(xiàn)實意義。2.3國內(nèi)外研究情況及發(fā)展趨勢2.3.1國內(nèi)外研究情況：國內(nèi)在復雜條件下超高壓油氣井壓力控制工藝技術研究方面主要進行的是壓井 設備、工具的研制。燕山大學液壓研究所的

23、高殿榮對流體傳動與控制系統(tǒng)中廣泛使 用的錐閥流場研究頗多，對圖1所示的外流式錐閥結構，用伽遼金有限元法對液壓 錐閥在不同的開口度、不同的閥芯結構、不同的閥座尺寸下的內(nèi)流場進行數(shù)值計算， 并用DPW技術對錐閥內(nèi)流場進行試驗可視化研究。其研究結果對閥口處的噪聲 和降低能耗具有指導意義，其方法值得借鑒。國外各大公司，如Cameron公司、EEC司、FMC公司、WOM公司等在解決 節(jié)流閥零部件使用可靠性方面取得了重大突破，如Cameron公司將筒形閥板閥座改 進為兩塊圓盤轉動孔錯位方式，防止了閥板震動，提高了節(jié)流效果，減少了沖蝕磨 損。又如EEC公司嵌裝硬質合金套在結實的閥板上，避免了震斷閥桿等現(xiàn)象。

24、國外 在平板閥降低開關力矩方面，閥板浮動密封，防止閥腔帶壓，并采用記憶合金材料, 可多次保證密封（EEC公司開關閥板1500次）性能良好，解決了低壓密封技術關鍵。 國內(nèi)外對節(jié)流閥的研究和產(chǎn)品開發(fā)都投入了大量的精力。美國的MASCO公司（在中 國主第7頁（共27頁）設計論述要從事鉆井、采油、地面設備及建設等項目）設計了 MOV 一多孔閥板型節(jié)流閥 （MultiOrificevalve）o多孔閥板型節(jié)流閥是三種基本型節(jié)流閥中可靠性最高，性能最 好的一種（相對于控制式節(jié)流閥及閥桿閥座式節(jié)流閥）。MOV產(chǎn)品采用范圍廣泛，尺 寸從1"到6",其制造標準滿足API, ANSI和NACE

25、的要求。MOV產(chǎn)品近乎于 線性的流體特性，使它非常適用于生產(chǎn)作業(yè)。日本的CFD技術已達到了實用階段，如為減少氣蝕和沖蝕，日本設計了兩級平 板式節(jié)流閥口的形式;歐洲的芬蘭采用了兩級錐閥式節(jié)流閥口。華中科技大學液壓氣 動集輸研究中心近10年來一直在從事海、淡水液壓傳動技術及基礎理論的研究，在 海、淡水節(jié)流閥研究方面取得了初步成果，1997年研制出壓力7MPa、流量10OL/min 的溢流閥和節(jié)流閥;1998年研制出壓力14MPa.流量lOUmin的溢流閥和節(jié)流閥，目 前正在進行不同類型閥口的流量一壓力特性、氣蝕特性等方面的基礎研究工作。2.3.2發(fā)展趨勢國外各大公司，如Cameron公司、EEC公

26、司、FMC公司、WOM公司等在完 善節(jié)流、壓井相關節(jié)流閥零部件方面取得了較大突破，從機理上采用平衡受力、改 善流體特性、采用等離子注入技術、采用記憶合金材料等關鍵技術，解決了低壓密 封問題，節(jié)流壓井系統(tǒng)使用可靠性得到了一定提高冋。為滿足節(jié)流閥在高壓地層工況下實施安全壓井作業(yè)，運用數(shù)值模擬技術冋，對 其進行流場分析和力學計算，優(yōu)化節(jié)流閥流道結構、流動，減少噪聲，提高節(jié)流閥 工作性能。從機理上爭取采用平衡式受力，改進流道結構，改善流場分布方面入手, 優(yōu)化節(jié)流口的形式，使節(jié)流閥的壓力、流量控制更好地服務于現(xiàn)場操作。2.4本文研究的主要內(nèi)容本文主要設計出指定規(guī)格的筒式節(jié)流閥，并將計算機功能應用于設計中

27、。本文 設計的是可調式手動節(jié)流閥。主要內(nèi)容包括閥門設計發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，筒式節(jié) 流閥結構設計、設計計算方法、主要零部件圖的繪制和強度校核等。3設計論述3.1節(jié)流閥的特點節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制流體流量的閥，它的構造較簡單, 外形尺寸小，便于制造和維修，重量輕，成本低，制造精度高，能較準確地調節(jié)流 量或壓力，而且流量調節(jié)范圍大，流量一壓差變化平滑；內(nèi)泄漏量小，調節(jié)力矩小, 動作靈敏。節(jié)流閥作為采油樹和管匯的主要部件，主要用于控制油井口產(chǎn)量，其工 作壓力級別可達lOOOOpsi。節(jié)流閥在啟閉時流通截面的變化比較緩慢，調節(jié)性能好；但調節(jié)精度低于針形 閥，流體通過閥心和閥座時，流速較

28、大，易沖蝕密封面，因此密封性較差，不宜作 隔斷閥使用；節(jié)流閥主要用于輸送溫度較低、壓力較高介質的管路系統(tǒng)，以調節(jié)流 量、調節(jié)壓力之用。常用節(jié)流閥的節(jié)流口都是可調的，只有在個別情況下才采用固 定式節(jié)流口。節(jié)流閥工作性能的好壞，常常取決于節(jié)流口的結構形式。節(jié)流口的形 式有許多種，但基本都是利用閥芯的形狀或在閥芯上開不同形狀的槽及鉆眼等辦法 與閥座或閥體通道相配合，以造成各種不同的縫隙，同時利用旋轉或軸移閥芯來改 變縫隙的大小或長度，進而實現(xiàn)對流量的控制何。3.2節(jié)流閥的工作原理節(jié)流閥是指通過改變通道面積來調節(jié)介質流量與壓力的閥門，不作關閉之用。 節(jié)流閥分可調式節(jié)流閥和固定式節(jié)流閥兩種類型，可調節(jié)流

29、閥通過轉動手輪帶動閥 桿進退來調節(jié)節(jié)油嘴開度面積的大小，達到控制、調節(jié)產(chǎn)量的目的。固定節(jié)流閥則 通過更換油嘴尺寸來達到控制、調節(jié)產(chǎn)量的目的。節(jié)流閥具有一節(jié)流元件，使油液流過時產(chǎn)生節(jié)流作用以控制回路流量的閥。節(jié) 流元件有多種結構形式，例如：針閥式一利用針閥和閥座間的環(huán)形間隙節(jié)流，改 變針閥開度可改變節(jié)流縫隙的通流面積；軸向三角槽式一在圓柱閥芯表面開出截 面呈三角形的斜槽，和閥體間形成狹小通路，對油液產(chǎn)生節(jié)流作用，改變閥芯軸向 位置可改變斜槽通流截面積；周向縫隙式一在圓柱閥芯表面開出弧形橫槽，和閥 體上的徑向孔之間形成縫隙，對油液產(chǎn)生節(jié)流作用，旋轉閥芯可改變縫隙通流面積。 節(jié)流閥通流面積在安裝時調

30、定后，運行中不可調的稱為固定式節(jié)流閥；運行中可調 的稱為可調式節(jié)流閥。利用節(jié)流閥調節(jié)液動機運行速度，可將節(jié)流閥裝于液動機進 油管路或回油管路，控制流過液動機的流量，同時利用溢流閥使多余流量溢回油箱, 從而控制液動機運行速度；也可將節(jié)流閥裝于液動機的旁通管路上，通過控制旁通 流量控制液動機速度旳。3.3節(jié)流閥的結構組成節(jié)流閥的實體模型如圖2：壓力油從進口流入，經(jīng)節(jié)流口從出口流出。進口圖2節(jié)流閥實體模型3.4筒式節(jié)流閥設計與計算本文設計的節(jié)流閥為手動可調式節(jié)流閥，節(jié)流閥的閥芯為筒式。筒式節(jié)流閥是 節(jié)流閥中的一種，由閥芯和閥體組成，形成可變或非可變的節(jié)流口?？勺児?jié)流口一 般由可動部分（閥芯）和固定部

31、分（閥體）相對運動來改變節(jié)流開口大小?？烧{式節(jié)流閥 主要用來控制氣井的壓力和流量，其安裝部位和所起的作用與用于油井的固定式節(jié) 流閥相同。對可調式節(jié)流閥，主要要求它耐沖蝕和壽命長，因此其閥座用脆性材料 制成。脆性材料耐沖蝕但不耐張力，因而采氣井口裝置上使用的可調式節(jié)流閥均設 計成不密封型，故不需進行密封面的設計與計算。節(jié)流閥的最大工作壓力和公稱通 徑是用進口端的參數(shù)來表示已知的數(shù)據(jù)為公稱通徑 DN=29/16jj （in） =65mm工作壓力P=25Mpa 3.4.1閥體設計閥體是閥門最重要的零件之一，通常閥體的質量占整個閥門質量的70 %左右， 是集各個部件的主體結構。它是最主要的承受壓力部件

32、，應結構緊湊，有良好的強 度、剛度和抗振性能，因此將閥體設計為直角式，外連接法蘭（按標準法蘭選取）。 由于所設計的閥門用在井口高壓管道裝置中，考慮到各種因素，閥體材料選用奧氏 體不銹鋼lCrl8Ni9Ti,可査表知lCrl8Ni9Ti的許用應力為（rh = 441 MPa=196 MPa對于鋼制高壓閥門的閥體壁厚，按厚壁容器公式計算Sb=2 幷吃 9主Gos® + yk sin©Y = -xL sin® + yk cos®式中Dn閥體中腔最大內(nèi)徑（mm）,取Dv =94mmSg考慮腐蝕裕量后閥體的壁厚（mm）C 考慮鑄造偏差，工藝性和介質腐蝕等因素而附加

33、的裕量（mm）參考 下表選取S/CCS/CCW5521 3026104>30111 203第11頁（共27頁）筒式節(jié)流閥設計表I附加裕盤C值K。一閥體外徑與內(nèi)徑之比，按下式計算k rn式中P設計壓力(MPa)0材料的許用應力(MPa),取丑 與 企兩者中的較小值6和6分別為常溫下材料的強度極限和屈服極限(MPQ6> = 441 MPacrs = 196 MPanb和比分別為以巧為強度指標的安全系數(shù)和以6為強度指標的安全系數(shù) 取 nb =4.25"$=23空二二 103 HMPa- = = 85.2MMnb 4.25ns 2.3103.7MPa>85.2MPa因此取c

34、r=85.2MPa則心帚UP廠.8Yb-TJF V 85.2-73x35=(/C0-l)+C = yx(1.8-l)+C = 37.6 + CSp-C = 37.6由表1査得 C=1故S b = 37.6 + 1 = 38.6曲取S& = 39/77/77即閥體的壁厚為39mm閥體的結構如圖3。圖3節(jié)流閥閥體結構3.4.2閥桿設計對用于采氣井口裝置上的可調式節(jié)流閥規(guī)定介質只能從閥瓣上方流入，因為介 質從閥瓣下方流入時，將使閥桿產(chǎn)生極大的振動和噪音，這是不允許的，所以對可 調式節(jié)流閥的計算只考慮介質從閥瓣上方流入時的工況。閥桿材料選用lCrl8Ni9Tie 閥桿直徑估算式為“=(25 7

35、35)禺式中dF閥桿直徑(mm)Q閥桿軸向力(N)Q = QTsinaL-QpQr填料與閥桿的摩擦力第13頁(共27頁)設計論述Qt =戒 fMiPh填料的高度，h=35mm“一閥桿與填料的摩擦系數(shù)，“=006一質作用于閥桿的力Qp =代入數(shù)據(jù)可得心=59.2mm,取心=60mm 根據(jù)閥桿直徑從下表選取梯形螺紋Tr56X8-7h,表2梯形螺紋參數(shù)鈍桿宜徑螺紋閥桿直徑螺紋間桿宜隹螺紋dp螺距卜P均直徑S | dpp升角OLdp蟻距S平均直徑|升角OL<3f螺距S升角1618414.016.05°12r廣32,3640633373。19'2°5T'7580

36、1070752。362討2018.044403°388579842。462。36，2219.54。39'43443。189024521.54°14#508463109512892。27'2623.53°53'55512asr100942討2825.63*60S62。36'1101042仙3032627294*02z346657C1060653°02'2°48#120161122。36圖4節(jié)流閥閥桿結構3.4.3法蘭設計法蘭是一種重要的連接部件，它按照固定于筒體上的方式不同而分為三類：第一類稱為整體式（或固

37、定式）法蘭，如圖5所示。它們與筒體之間為不可拆 的固定連接，法蘭固定與筒體上的方法一般有全焊透結構或整體鍛造。/法蘭薛圖5整體式法蘭圖中（a）、（c）所示為法蘭環(huán)與筒體直接連接，叫做“平板法蘭”。圖中（b）所示為 法蘭環(huán)通過錐頸與筒體連接，叫“錐頸法蘭”。這種法蘭因為在法蘭環(huán)與筒體之間有 一個過渡的錐頸，大大降低了這兩部分由于結構不連續(xù)而造成的局部應力集中，因 而具有較好的強度，所以，可以用在高溫、高壓和大尺寸的容器上。第二類稱為活套法蘭。法蘭環(huán)與閥體或其他零部件之間用角焊、柳接、螺紋連 接等方式連接在一起或直接套在筒體上。第三類稱為任意形式法蘭。它的特點是將法蘭環(huán)鑲在筒體或其他部件上，并在

38、法蘭環(huán)上打上坡口，然后將二者焊在_起。本設計中采用的法蘭為整體式法蘭，法蘭與閥體固定在一起，釆用整體鍛造的 方法，形式如上圖（a）所示。3.4.4閥芯設計本文設計的節(jié)流閥的閥芯為筒式，閥芯和閥座通過相對運動形成可變節(jié)流口。 筒式閥芯與頂部為圓柱形的閥桿配合，具有流體流動性能好，震動小，噪音低。閥 芯末端釆用楔形面和平面相結合的方式，保證流體出流方向不指向殼體，避免了流體對殼體壁的沖蝕。同時，閥芯上端部的直平面滿足了對壓降的線性調節(jié)要求，更 適合現(xiàn)場使用。閥芯材料選用耐腐蝕和耐沖蝕材料!Crl8Ni9Ti,閥芯結構如圖6：3卜仔農(nóng)2YH6?圖6 節(jié)流閥閥芯結構3.4.5閥座設計閥芯和閥座均為節(jié)流

39、閥的內(nèi)件，閥芯和閥座材料的磨損會引起閥門的泄漏，改 變流量特性，如果磨損嚴重，會形成新的一條小流路，所以閥座材料選用耐腐蝕材 料lCrl8Ni9Ti,同時它還具有良好的耐沖蝕性能，能延長節(jié)流閥的壽命，本文設計 的節(jié)流閥的閥座的結構如圖7：圖7節(jié)流閥閥座結構3.4.6手輪選用根據(jù)閥門設計手冊，手輪選用平行手輪A型1. 手輪材料：手輪可采用可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵或鋼，也可采用鋁合金或塑料等 材料。本設計釆用ZG235。2. 手輪旋向：關閥，順時針；開閥，逆時針。3. 手輪直徑：根據(jù)設計的閥桿直徑，選取手輪的直徑D=400mmc手輪結構如圖8：第17頁（共27頁）節(jié)流閥強度校核4節(jié)流閥強度校核4.1閥體

40、壁厚校核閥體計算厚度為S 嚴牛（K°-l）+C式中Dr閥體內(nèi)腔最大內(nèi)徑，Dr=104mmK。一閥體外徑與內(nèi)徑之比，心罟皿5B=i(1.4-l)+C = 20.8 + CC取1(mm)則 SB =20.8+1=21.8 (mm)由結構定出該處實際壁厚Sp =39 (mm) 計算厚度S,=21.8 (mm) 故閥體安全。4.2閥桿強度校核1.閥桿承受的最大軸向力F =F. +FFPsviaL式中F關閉時閥桿所受的軸向力F介質作用于閥桿的力£閥桿直徑；dF =60(mm)=6(cm)P工作壓力;P=35(MPa)=357(kgf/cm2)Fj =1/4x3.14x62 x357=

41、10088(kgf)Ffp填料與閥桿的摩擦力Ffp=1.2 TTdf.hu sP式中h填料的總高度；h=3.5(cm)/閥桿與填料的摩擦系數(shù)；=0.06FfP=1.2x3.14x6x3.5x0.06x357=1695(kgf)亞閥桿螺紋的螺旋角aL =arctan -nd卜卡閥桿梯形螺紋為T55x8dFP閥桿梯形螺紋的平均直徑，dFp=56mm t螺距;t=8mm8a, =arctan=2.6°3.14x56則 F =10088+1695sin2.6°=10165(kgf)2 閥桿所承受的最大扭矩Mfz = Mpr + FL式中：mfz閥桿所承受的最大扭矩一閥桿與填料的摩擦

42、扭矩Mft = Ffp cosq =1695xxcos2.6°=5079(kgf.cm)Mfl關閉時閥桿螺紋的摩擦扭矩式中：R珈閥桿螺紋的摩擦半徑pL =aictan/fL閥桿螺紋與閥桿螺母的摩擦系數(shù)；從下表選取，A =0.17,表3閥桿螺紋摩擦系數(shù)閥桿材料閥桿嫁母材料丘.燉P1.有良好瀾滑1有涯滑|螺紋在介質中銅、鑄跌0150.170.20 0.25鋼0.200.250,300.33塑 料0.100.12-P/ =aictan0.17 =9.65° 尺加二苧xtan(965+26)=061則 Mfl =10165x0.61=6200(kgf.cm)Mft =5079+62

43、00=11279(kgf.cm)3 閥桿強度校核閥桿材料lCrl8Ni9Ti,安全系數(shù)嚴23=196(MPa)=1999(kgf/cm2)ct = = 1222. =869 ( kgf/cm2 )ns 2.3rN=0.6 a =0.6x869=521(kgf/cm2)oF=a =1999(kgf/cm2)閥桿的扭應力式中：比一閥桿最小斷面系數(shù)dFZ退刀槽處直徑，仏=5 (cm)= x53 = 24.5(c/w3)16 彩 16v7rv = =460(kgf/cm2 )<rN=521(kgf/cm2)閥桿的壓應力為第25頁(共27頁)閥桿的復合應力<JF = Jb； += J518

44、+4x460 = 1055伙gf/ctn2) v o> = 999(kgf /cm2)因此閥桿安全。4.閥桿穩(wěn)定性驗算：閥桿實際細長比的計算公式為式中:/< 長度系數(shù)，査表可得< =0.518；If閥桿計算長度，/廠737mm； d卜.閥桿直徑9 d卜=60mm ；所以04/ lF 4 x 0.518 x 737X = 23.4dF60又有表可査得此材料的閥桿中細長比的下界人=30,九=55,當2<A時，對于 這類低細長比(即小柔度)壓桿，不進行穩(wěn)定性校核。4.3閥座的應力校核當閥座承受內(nèi)壓后，在閥座的內(nèi)壁上所產(chǎn)生的最大剪應力為式中：P最大工作壓力，P=35MPa；Dz

45、h，閥座外徑，=104mm；%閥座內(nèi)徑，% =72mm；所以maxP必必一砥35x1041042 - 722=67.2MPa閥座的許用剪切應力為計=0.53%由表可査得 % =40000psi=275.8MPa 所以 卜=0.530 =0.53X275.8=146.2MParmax = 67.2MPa < r= 146.2MPa故閥座安全4.4閥桿螺紋的強度校核閥桿的材料為lCrl8Ni9Ti,此材料的許用應力可由實用閥門設計手冊査得 0/一材料的許用擠壓應力，0/=1450 (kgf/cm2 )材料的許用彎曲應力，k，=1550 (kgf/cm2)H材料的許用剪切應力，r=810 (k

46、gf/cm2)1 梯形螺紋剪切應力校核_F_式中：F閥桿受到的總軸向力，F(xiàn) =10165 (kgf)Fj單牙螺紋受剪切面積，可査表得F7 =2.93 (cm2)n閥桿螺母的工作圈數(shù)，H7/ =H螺紋總高度，H=214 (cm)t螺距，t=0.8 (cm)=26.75H 21.4n =t 0.8所以V-101-129.7 (kgf/cm2) <r=810 (kgf/cm2)26.75x2.93安全2 梯形螺紋表面應力校核nFYFy一一單牙螺紋受擠壓面積，可査表得=1.864 (cm2)所以= =1%=203.8 (kgf/cm2 ) V =1450 (kgf/cm2 )nFy 26.75x

47、1.864安全3 螺紋根部彎曲應力校核F'Xlrr =Xl一一螺紋彎曲力臂，可査表得XL=0.175cmW母單牙螺紋根部的抗彎斷面系數(shù)，可査表得W=0.169 (cm2)所以 E=鷲X ： = 393.5 (kgf/cm2 ) <<rw,=1550 (kgf/cm2 )nW 26.75x0.169螺紋根部安全5節(jié)流口流量分析5.1節(jié)流口的流量特性公式筒式節(jié)流閥是節(jié)流閥中的一種，主要由閥芯和閥體組成，形成可變或非可變的節(jié)流11流量分析流口?？勺児?jié)流口一般由可動部分（閥芯）和固定部分（閥體或閥座）相對運動來 改變節(jié)流口大小。本文設計的節(jié)流閥為可調式手動節(jié)流閥，閥芯為筒式，閥芯和

48、閥 座通過相對運動形成可變節(jié)流口。對于節(jié)流孔口來說，可將流量公式寫成下列形式同式中Ao節(jié)流口的通流面積（m2）Ap節(jié)流口前、后的壓差（Pa）K節(jié)流系數(shù)，由節(jié)流口形狀、流體流態(tài)、流體性質等因素決定，數(shù)值由實 驗得出對薄壁銳邊孔口 K二Cd歷，對細長孔K =G為流量系數(shù)，“為動粘度，d和L為孔徑和孔長。m由節(jié)流口形狀和結構決定的指數(shù)，05VmVl,當節(jié)流口接近于薄刃 式時，m=05,節(jié)流口越接近于細長孔，m就越接近于1。上式說明通過節(jié)流口的流量與節(jié)流口的截面積及節(jié)流口兩端的壓力差的m次方 成正比。它的特殊情況是m=0.5o在閥口壓力差基本恒定的條件下，調節(jié)閥口節(jié)流面 積的大小，就可以調節(jié)流量的大小

49、。5.2影響流量穩(wěn)定性的因素在工作時，希望節(jié)流口大小調節(jié)好后，流量Q穩(wěn)定不變。但實際上流量總會有 變化，特別是小流量時流量穩(wěn)定性與節(jié)流口形狀、節(jié)流壓差以及油液溫度等因素有 關。（1）壓差變化對流量穩(wěn)定性的影響當節(jié)流口前后壓差變化時，通過節(jié)流口的流量將隨之改變，節(jié)流口的這種特性 可用流量剛度來表征。由式（7.1）可求得節(jié)流口的流量剛度T為：流量的剛度反映了節(jié)流口在負載壓力變化時保持流量穩(wěn)定的能力。它定義為節(jié) 流口前后壓差AP的變化與流量Q的波動值的比值。節(jié)流口的流量剛度越大，流量 穩(wěn)定性越好，用于液壓系統(tǒng)時所獲得的負載特性也越好。由式（7.2）可知：節(jié)流口的流量剛度與節(jié)流口壓差成正比，壓差越大，

50、剛度就越大；當節(jié)流口壓差一定時，剛度與流量成反比，通過節(jié)流口的流量越小，剛度也越 大；系數(shù)m越小，剛度越大。m越大，AP變化后對流量的影響就越大，薄壁孔(m =0.5)比細長孔(m=l)的流量穩(wěn)定性受AP變化的影響要小。因此，為了獲得較 小的系數(shù)，應盡量避免采用細長孔節(jié)流口，即避免使流體在層流狀態(tài)下流動；而是 盡可能使節(jié)流口形式接近于薄壁孔口，也就是說讓流體在節(jié)流口處的流動處在紊流 狀態(tài)，以獲得較好的流量穩(wěn)定性。(2) 油溫變化對流量穩(wěn)定性的影響當開口度不變時，若油溫升高，油液粘度會降低。對于細長孔，當油溫升高使 油的粘度降低時，流量Q就會增加。所以節(jié)流通道長時溫度對流量的穩(wěn)定性影響大。 而對

51、于薄壁孔，油的溫度對流量的影響是較小的，這是由于流體流過薄刃式節(jié)流口 時為紊流狀態(tài)，其流量與雷諾數(shù)無關，即不受油液粘度變化的影響；節(jié)流口形式越 接近于薄壁孔，流量穩(wěn)定性就越好。(3) 阻塞對流量穩(wěn)定性的影響流量小時，流量穩(wěn)定性與油液的性質和節(jié)流口的結構都有關。表面上看只要把 節(jié)流口關得足夠小，便能得到任意小的流量。但是油中不可避免有臟物，節(jié)流口開 得太小就容易被臟物堵住，使通過節(jié)流口的流量不穩(wěn)定。產(chǎn)生堵塞的主要原因是：1 油液中的機械雜質或因氧化析出的膠質、瀝青、炭渣等污物堆積在節(jié)流縫隙處;2由于油液老化或受到擠壓后產(chǎn)生帶電的極化分子，而節(jié)流縫隙的金屬表面上存 在電位差，故極化分子被吸附到縫隙

52、表面，形成牢固的邊界吸附層，因而影響了節(jié) 流縫隙的大小。以上堆積、吸附物增長到一定厚度時，會被液流沖刷掉，隨后又重 新附在閥口上。這樣周而復始，就形成流量的脈動；3 閥口壓差較大時容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。減輕堵塞現(xiàn)象的措施有：采用大水力半徑的薄刃式節(jié)流口。一般通流面積越大，節(jié)流通道越短以及水力 半徑越大時，節(jié)流口越不易堵塞。適當選擇節(jié)流口前后的壓差。一般取AP=0.203MPa。因為壓差太大，能量 損失大，將會引起流體通過節(jié)流口時的溫度升高，從而加劇油液氧化變質而析出各 種雜質，造成阻塞；此外，當流量相同時，壓差大的節(jié)流口所對應的開口量小，也 易引起阻塞。若壓差太小，又會使節(jié)流口的剛度降低，造成流量

53、的不穩(wěn)定。精密過濾并定期更換油液。在節(jié)流閥前設置單獨的精濾裝置，為了除去鐵屑和第23頁（共27頁）總結磨料，可采用磁性過濾器。構成節(jié)流口的各零件的材料應盡量選用電位差較小的金屬，以減小吸附層的厚 度。選用抗氧化穩(wěn)定性好的油液、并控制油液溫度的升高，以防止油液過快地氧化 和極化，都有助于緩解堵塞的產(chǎn)生。6總結畢業(yè)設計是對我們大學四年所學知識的一次綜合訓練和檢驗。在本次畢業(yè)設計 過程中，我先后用到了機械設計、液壓與氣壓傳動、機械制圖、工程材料、 材料力學等課程方面的知識。本次畢業(yè)設計歷時三個多月，査閱了大量的相關 資料后，逐步完成了設計任務。本次畢業(yè)設計，我所做的課題是筒式節(jié)流閥設計。設計期間，需要考慮的問題 比較多，但是通過自己的努力和老師的指導，還是將這些問題逐一解決了。通過這次畢業(yè)設計，使我對設計過程有了