铸钢楔式闸阀的优化设计

叶得强

宁波田湖阀门科技有限公司

摘要：阀门是管线中主要作用是控制流体流量、压力、或流动方向。阀门在我们生活中也是很常见，比如小到自来水的龙头大到工业管线输送的大口径高压力阀门。特别是在工业生产领域管道的流体控制方面是必不可少的设备，需求量逐年递增，应用范围广，在石油化工、纺织、冶金、化工、电力、装备制造业、军工生产企业和土木建筑等各个民生经济领域都有比较广泛的应用。基于此本文针对大口径楔式闸阀进行了相关研究，主要包括闸阀结构设计（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阀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。

关键词：楔式；闸阀；优化

阀门是装备制造业的重要组成部分，关系到国计民生，同时作为一个具有较高价值的行业，在国际社会的工业领域和社会的基础设施建设中具有至关重要的意义近些年来，阀门行业的发展十分迅速，在发挥着基础性作用的同时，因为具有广泛性和需求量大，也是现代社会中不可或缺的朝阳行业。

一、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所含主要部件包括为：电动机构、阀杆、支架、4阀盖、阀体、阀板以及一些附件。

闸阀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。

二、楔式闸阀结构设计

1、主要零件尺寸设计

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。

（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：

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；[L]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）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/T9113.1-2000《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由上到下分别为840mm、770mm、720mm和690mm。

（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；[w]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、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。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：

QFZ'=115.48kN，QFZ''=158.68kN

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。

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ss=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。

4、闸板T型槽道设计

T型槽道是用于闸板上方与阀杆连接的零件。由式（9）对T型槽道进行强度校核：

其中，sw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。

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。

参考文献:

[1]王家权.大口径楔式闸阀结构设计与优化[D].沈阳大学,2015.

[2]何建孟.球阀和闸阀结构强度的阀门设计与有限元分析[D].大连理工大学,2016.

[3]李向英.楔式闸阀低压密封泄漏分析和改进[J].通用机械,2014(4)