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液控蝶閥的設計計算

作者:浙江順源閥門有限公司 來源:http://www.cnsyvalve.com/ 發布于:2016-12-23 16:08:04
液控蝶閥的設計計算
隨著我國經濟和電力行業的飛速發展,對高性能、大口徑液控蝶閥的需求越來越大。液控蝶閥主要應用于水電站水輪機進口,或水利、電力和給排水等各類泵站的水泵出口。工作時,液控蝶閥與管道主機連鎖控制,按照水力過程控制原理,通過電氣控制系統預設的啟閉控制程序,實現管路的截止,有效消除水錘對管路的沖擊,起到保護管路系統安全的作用。
結構特性
液控蝶閥主要由三偏心金屬密封蝶閥、機械傳動裝置、液壓油缸、液壓泵站和電氣控制系統等組成(圖1)。
三偏心金屬密封蝶閥
三偏心金屬密封蝶閥主要由閥體、蝶板、密封圈和閥桿等組成(圖2)。閥桿旋轉中心與閥體軸向中心(管)之間有一個偏離X,閥桿旋轉中心與閥座密封面之間的偏離Y,密封錐面中心線與管道軸線間夾角θ。偏心X和Y的結合產生了一種凸輪效應。當閥門開啟時,蝶板可以快速脫離閥座,有效的減小了蝶板與閥座的磨損,降低了閥門的開關力矩。三偏心金屬密封蝶閥具有啟閉靈活,力矩小,操作簡單,使用壽命長等特點。
機械傳動裝置
機械傳動部分主要由箱體、箱蓋、開關指示、齒輪、齒條、齒條座和調整座等組成,齒輪齒條傳動將液壓缸的直線推力運動轉換成閥門的圓周運動,驅動閥門進行啟閉動作。
液壓油缸部分 液壓油缸部分主要由缸體、活塞、活塞桿、缸頭和缸蓋等組成。液壓缸將液壓能轉換成機械能,使機械實現直線往復運動。
液壓泵站部分 液壓泵站主要由油箱、液壓集成塊、電機、高壓油泵、蓄能器和管路等組成。根據液控蝶閥的動作要求,液控泵站主要由兩條控制油路和一條輔助油路控制閥門的啟閉、緩閉和游動等動作。
電氣控制部分 電氣控制部分主要由控制箱柜、低壓電器、可編程控制器(PLC)和轉換電源等組成?刂葡到y以PLC為核心,可提供對單個蝶閥的現場手動和遠距離手動,可接受來自DCS的控制信號,與循環水泵配合聯動。提供蝶閥卡澀報警,蓄能器壓力低和異常報警,過扭矩報警,油源濾油器堵塞報警,油箱液位超高或超低報警等功能。執行開閥操作時,如在規定時間內蝶閥未能正常開啟,可實現聯動停循環水泵。
 蝶閥
(1)殼體最小壁厚
鋼及合金鋼圓形閥體(圖3)的最小壁厚tB為
 (1)
式中 p———計算壓力,MPa
Dn———計算內徑,mm
[σL]———許用拉應力,MPa
C———腐蝕余量,mm
蝶板
三偏心蝶閥的蝶板(圖4)受力比較復雜,采用估算法算出蝶板的厚度,然后用Solidworks或有限元分析軟件進行校核,確定蝶板的合適尺寸。
閥桿力矩閥桿力矩M為
式中 MM———密封面間摩擦力矩,N·mm
MC———閥桿軸承摩擦力矩,N·mm
MT———密封填料摩擦力矩,N·mm
MJ———靜水力矩,N·mm
MD———動水力矩,N·mm
qM———密封面必需比壓,MPa
R———蝶板密封半徑,mm
bM———密封面接觸寬度,mm
fM———密封面摩擦因數
h———閥桿與蝶板中心的偏心距,mm
FC———作用在閥桿軸承上的載荷,N
fC———軸承摩擦系數
bM———密封面接觸寬度,mm
dF———閥桿直徑,mm
D———蝶板直徑,mm
ρ———介質密度,N/mm3
g———重力加速度,mm/s2
mΦ———動水力系數
H———最大靜壓水頭,mm
H=9.8´104(p+Δp) (8)
Δp———壓力升值,MPa
qv———體積流量,m3/h
A———管子截面積,m2
t———關閥時間,s
εΦ———蝶板開度為Φ°時的流阻系數
ε0———蝶板開度為0°時的流阻系數
V———介質流速,mm/s
(4)閥桿強度
一般情況下,蝶閥的閥桿通常選用沒有臺階的整體棒料加工(圖5),其扭轉應力τN為
式中 W———抗扭斷面系數,mm3
[τN]———材料的許用扭轉應力,MPa
(5)支架法蘭螺栓
螺栓的組合設計有多種形式,應根據蝶閥支架的結構形式(圖6)進行受力分析。
單個螺栓載荷力Fo和螺栓小徑d為
式中 Kn———安全系數
Z———螺栓數量
r———螺栓孔距中心半徑,mm
μ———結合面摩擦系數
[σ]———材料的許用應力,MPa
3.2 齒輪
(1)齒輪(圖7)分度圓上的圓周力Ft
 (13)
式中 T———傳遞的扭矩,N·m
df———分度圓直徑,mm
(2)接觸強度和彎曲強度
強度簡化公式為
式中 a———中心矩,mm
d1———小齒輪中心圓直徑,mm
m———端面模數,mm
Z1———小齒輪齒數
Φa,Φd,Φm———齒寬系數
u———齒數比
YFS———復合齒形系數
σHP———許用接觸應力,MPa
σFP———許用彎曲應力,MPa
T1———傳遞的額定轉矩,N·m
K———載荷系數
(1)內徑
當液壓油缸的理論推力和供油壓力為已知時,則無活塞桿側的缸筒內徑Dw和有活塞桿側的缸筒內徑Dy為
式中 dh———活塞桿直徑,m
P———供油壓力,MPa
F1,F2———液壓缸的理論推力和拉力,N
(2)螺栓強度
缸筒與端部用法蘭連接時,螺紋處的拉應力σL、剪應力τL和合成應力σn為
式中 F———缸筒端部承受的最大推力,N
Kj———擰緊螺紋的系數
K1———螺紋連接的摩擦因數
dL———螺紋底徑,m
[σp]———材料的許用應力,MPa
3.4泵站
(1)液壓泵的流量
 (22)
式中 T———工作循環周期時間,s
Vi———第i個執行元件在周期內的耗油量,m3
z———工作周期中需要系統供油進行工作的執行元件數
Kx———系統泄漏系數(Kx=1.1~1.2)
(2)電動機驅動功率
式中 PN———液壓泵額定壓力,MPa
QN———液壓泵額定流量,L/min
ηp———液壓泵的總效率
Φ———轉換系數
(3)蓄能器
蓄能器是將壓力液體的液壓能轉換為勢能貯存起來,當系統需要時再由勢能轉化為液壓能而做功的容器。因此,蓄能器可以作為輔助的或是應急的動力源,可以補充系統的泄漏、穩定系統的工作壓力,以及吸收泵的脈動和回路上的液壓沖擊等。蓄能器用液壓缸容積Vi和蓄能器的總容積Vo為
式中 Ai———液壓缸工作腔有效面積,m2
Li———液壓缸行程,m
Ki———系統泄漏系數(Ki=1.2~1.25)
VW———蓄能器有效工作容積,L
Po———充氣壓力,MPa
P1———最低工作壓力,MPa
P2———最高工作壓力,MPa
n———指數,絕熱過程(n=1.4,對氮氣和空氣)
3.5 電控系統
電控部分可采用一套系統同時控制一臺機組的一臺循環水出口蝶閥的控制方式,電控系統由動力部分、控制部分和電源部分組成。
動力部分是三相交流電控制油泵電機,由斷路器手動控制電路的通斷,交流接觸器控制油泵的啟動和停止,熱過載是保護油泵電機過熱而燒壞。
控制部分主要以PLC智能控制器為核心,經編程可接收開、關、停、游動、閥門位置信號和泵站的控制信號等,可輸出油泵電機控制信號、開、關、停、游動和泵站的控制信號等。
電源部分是為PLC提供低壓穩定的電源及外控電磁閥和指示部分提供電源。有電源轉換器,指示燈包括控制電源、開關閥指示、游動指示、全開和全關指示,電磁閥有開閥電磁閥、關閥電磁閥、保壓電磁閥和緩閉電磁閥。


順源閥門主要產品有高性能蝶閥、雙偏心高性能蝶閥、硬碰硬蝶閥、通風碟閥、凸耳式對夾蝶閥、國標/美標法蘭蝶閥、對夾蝶閥、焊接蝶閥、雙向壓蝶閥、盲板閥、插板閥以及各種非標閥門等十幾個品種,兩千多個規格。

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