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液控蝶阀的设计计算

作者:浙江顺源阀门有限公司 来源:/ 发布于:2016-12-23 16:08:04
液控蝶阀的设计计算
随着我国经济和电力行业的飞速发展,对高性能、大口径液控蝶阀的需求越来越大。液控蝶阀主要应用于水电站水轮机进口,或水利、电力和给排水等各类泵站的水泵出口。工作时,液控蝶阀与管道主机连锁控制,按照水力过程控制原理,通过电气控制系统预设的启闭控制程序,实现管路的截止,有效消除水锤对管路的冲击,起到保护管路系统安全的作用。
结构特性
液控蝶阀主要由三偏心金属密封蝶阀、机械传动装置、液压油缸、液压泵站和电气控制系统等组成(图1)。
三偏心金属密封蝶阀
三偏心金属密封蝶阀主要由阀体、蝶板、密封圈和阀杆等组成(图2)。阀杆旋转中心与阀体轴向中心(管)之间有一个偏离X,阀杆旋转中心与阀座密封面之间的偏离Y,密封锥面中心线与管道轴线间夹角θ。偏心X和Y的结合产生了一种凸轮效应。当阀门开启时,蝶板可以快速脱离阀座,有效的减小了蝶板与阀座的磨损,降低了阀门的开关力矩。三偏心金属密封蝶阀具有启闭灵活,力矩小,操作简单,使用寿命长等特点。
机械传动装置
机械传动部分主要由箱体、箱盖、开关指示、齿轮、齿条、齿条座和调整座等组成,齿轮齿条传动将液压缸的直线推力运动转换成阀门的圆周运动,驱动阀门进行启闭动作。
液压油缸部分 液压油缸部分主要由缸体、活塞、活塞杆、缸头和缸盖等组成。液压缸将液压能转换成机械能,使机械实现直线往复运动。
液压泵站部分 液压泵站主要由油箱、液压集成块、电机、高压油泵、蓄能器和管路等组成。根据液控蝶阀的动作要求,液控泵站主要由两条控制油路和一条辅助油路控制阀门的启闭、缓闭和游动等动作。
电气控制部分 电气控制部分主要由控制箱柜、低压电器、可编程控制器(PLC)和转换电源等组成。控制系统以PLC为核心,可提供对单个蝶阀的现场手动和远距离手动,可接受来自DCS的控制信号,与循环水泵配合联动。提供蝶阀卡涩报警,蓄能器压力低和异常报警,过扭矩报警,油源滤油器堵塞报警,油箱液位超高或超低报警等功能。执行开阀操作时,如在规定时间内蝶阀未能正常开启,可实现联动停循环水泵。
 蝶阀
(1)壳体最小壁厚
钢及合金钢圆形阀体(图3)的最小壁厚tB为
 (1)
式中 p———计算压力,MPa
Dn———计算内径,mm
[σL]———许用拉应力,MPa
C———腐蚀余量,mm
蝶板
三偏心蝶阀的蝶板(图4)受力比较复杂,采用估算法算出蝶板的厚度,然后用Solidworks或有限元分析软件进行校核,确定蝶板的合适尺寸。
阀杆力矩阀杆力矩M为
式中 MM———密封面间摩擦力矩,N·mm
MC———阀杆轴承摩擦力矩,N·mm
MT———密封填料摩擦力矩,N·mm
MJ———静水力矩,N·mm
MD———动水力矩,N·mm
qM———密封面必需比压,MPa
R———蝶板密封半径,mm
bM———密封面接触宽度,mm
fM———密封面摩擦因数
h———阀杆与蝶板中心的偏心距,mm
FC———作用在阀杆轴承上的载荷,N
fC———轴承摩擦系数
bM———密封面接触宽度,mm
dF———阀杆直径,mm
D———蝶板直径,mm
ρ———介质密度,N/mm3
g———重力加速度,mm/s2
mΦ———动水力系数
H———最大静压水头,mm
H=9.8´104(p+Δp) (8)
Δp———压力升值,MPa
qv———体积流量,m3/h
A———管子截面积,m2
t———关阀时间,s
εΦ———蝶板开度为Φ°时的流阻系数
ε0———蝶板开度为0°时的流阻系数
V———介质流速,mm/s
(4)阀杆强度
一般情况下,蝶阀的阀杆通常选用没有台阶的整体棒料加工(图5),其扭转应力τN为
式中 W———抗扭断面系数,mm3
[τN]———材料的许用扭转应力,MPa
(5)支架法兰螺栓
螺栓的组合设计有多种形式,应根据蝶阀支架的结构形式(图6)进行受力分析。
单个螺栓载荷力Fo和螺栓小径d为
式中 Kn———安全系数
Z———螺栓数量
r———螺栓孔距中心半径,mm
μ———结合面摩擦系数
[σ]———材料的许用应力,MPa
3.2 齿轮
(1)齿轮(图7)分度圆上的圆周力Ft
 (13)
式中 T———传递的扭矩,N·m
df———分度圆直径,mm
(2)接触强度和弯曲强度
强度简化公式为
式中 a———中心矩,mm
d1———小齿轮中心圆直径,mm
m———端面模数,mm
Z1———小齿轮齿数
Φa,Φd,Φm———齿宽系数
u———齿数比
YFS———复合齿形系数
σHP———许用接触应力,MPa
σFP———许用弯曲应力,MPa
T1———传递的额定转矩,N·m
K———载荷系数
(1)内径
当液压油缸的理论推力和供油压力为已知时,则无活塞杆侧的缸筒内径Dw和有活塞杆侧的缸筒内径Dy为
式中 dh———活塞杆直径,m
P———供油压力,MPa
F1,F2———液压缸的理论推力和拉力,N
(2)螺栓强度
缸筒与端部用法兰连接时,螺纹处的拉应力σL、剪应力τL和合成应力σn为
式中 F———缸筒端部承受的最大推力,N
Kj———拧紧螺纹的系数
K1———螺纹连接的摩擦因数
dL———螺纹底径,m
[σp]———材料的许用应力,MPa
3.4泵站
(1)液压泵的流量
 (22)
式中 T———工作循环周期时间,s
Vi———第i个执行元件在周期内的耗油量,m3
z———工作周期中需要系统供油进行工作的执行元件数
Kx———系统泄漏系数(Kx=1.1~1.2)
(2)电动机驱动功率
式中 PN———液压泵额定压力,MPa
QN———液压泵额定流量,L/min
ηp———液压泵的总效率
Φ———转换系数
(3)蓄能器
蓄能器是将压力液体的液压能转换为势能贮存起来,当系统需要时再由势能转化为液压能而做功的容器。因此,蓄能器可以作为辅助的或是应急的动力源,可以补充系统的泄漏、稳定系统的工作压力,以及吸收泵的脉动和回路上的液压冲击等。蓄能器用液压缸容积Vi和蓄能器的总容积Vo为
式中 Ai———液压缸工作腔有效面积,m2
Li———液压缸行程,m
Ki———系统泄漏系数(Ki=1.2~1.25)
VW———蓄能器有效工作容积,L
Po———充气压力,MPa
P1———最低工作压力,MPa
P2———最高工作压力,MPa
n———指数,绝热过程(n=1.4,对氮气和空气)
3.5 电控系统
电控部分可采用一套系统同时控制一台机组的一台循环水出口蝶阀的控制方式,电控系统由动力部分、控制部分和电源部分组成。
动力部分是三相交流电控制油泵电机,由断路器手动控制电路的通断,交流接触器控制油泵的启动和停止,热过载是保护油泵电机过热而烧坏。
控制部分主要以PLC智能控制器为核心,经编程可接收开、关、停、游动、阀门位置信号和泵站的控制信号等,可输出油泵电机控制信号、开、关、停、游动和泵站的控制信号等。
电源部分是为PLC提供低压稳定的电源及外控电磁阀和指示部分提供电源。有电源转换器,指示灯包括控制电源、开关阀指示、游动指示、全开和全关指示,电磁阀有开阀电磁阀、关阀电磁阀、保压电磁阀和缓闭电磁阀。


顺源阀门主要产品有高性能蝶阀、双偏心高性能蝶阀、硬碰硬蝶阀、通风碟阀、凸耳式对夹蝶阀、国标/美标法兰蝶阀、对夹蝶阀、焊接蝶阀、双向压蝶阀、盲板阀、插板阀以及各种非标阀门等十几个品种,两千多个规格。

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