井下圓柱正弦活齒減速器設計【說明書+CAD】

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井下圓柱正弦活齒減速器設計 學生：曾運運，機械學院 指導老師：黃天成，長江大學機械學院 [摘要]為了使石油井下鉆具在最佳工況下工作，常常需要在其原動機和工作機之間安裝減速傳動裝置。目前井下減速傳動裝置主要由NGW型行星減速器、開式減速器、定軸輪系減速器，這些減速器或因齒輪模數(shù)過小，齒輪抗彎強度不足而很快破壞，或因傳動穩(wěn)定性能偏低，或因慣性力不易平衡等因素，使其應用受到限制。本文設計的圓柱正弦活齒減速器是一種新型少齒差行星輪系傳動機構，具有體積小、徑向尺寸小、傳動比大、結構緊湊、承載能力大、傳動效率高等優(yōu)點，符合石油井下減速傳動裝置的特定要求。 本文主要對圓柱正弦活齒減速器嚙合特征和受力分析進行了理論推導，建立起連續(xù)運動條件公式、傳動比公式、空間齒面方程、主曲率方程、空間力作用方程和接觸應力方程。利用已推導的公式，建立了輸入軸、殼體、活齒和活齒架的結構參數(shù)，并設計這些零件的結構，同時為了更好的將圓柱正弦活齒減速器應用到井下渦輪鉆具中，本文結合鉆井的工作環(huán)境，對圓柱正弦活齒減速器進行井下機械密封和井下潤滑進行結構設計。在此理論基礎上建立圓柱正弦活齒減速器的三維模型，并用ANSYS Workbench對圓柱正弦活齒減速器整體進行靜力分析和模態(tài)分析。 [關鍵字]：圓柱正弦活齒減速器 空間齒面方程 靜力分析 模態(tài)分析 機械密封與潤滑 XVIII 長江大學畢業(yè)設計(論文)任務書 學院（系） 機械工程學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 裝備10901 學生姓名 曾運運 指導教師/職稱 黃天成/講師 1. 畢業(yè)設計(論文)題目： 井下圓柱正弦活齒減速器設計 2. 畢業(yè)設計（論文）起止時間：13年3月25日～13年6月20日 3．畢業(yè)設計(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分） (1) 性能參數(shù) 輸出軸最大扭矩：1000N m； 輸入軸轉速：1480r/min； 輸出軸轉速：150r/min； 傳動比 10。 (2)工作環(huán)境 環(huán)境溫度：小于 70 攝氏度；浸沒在一定速度流動的流體內。 (3)尺寸限制 徑向尺寸小于 105mm； 軸向尺寸：不受限制。 需要參考資料： [1] 張展. 齒輪減速器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 水利電力機械，2001，1：58-59. [2] 吳曉鈴. 齒輪傳動的發(fā)展及市場前景[J]. 現(xiàn)代制造，2003，20(10)：62-64. [3] 孫瑜. 微小型正弦活齒減速器的研制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學機械設計及理論學科博士學位論文，2004：2-4. [4] 曲繼方. 活齒傳動理論[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1993. [5] 李勇進，劉金剛，劉剛. 活齒傳動分類方法及結構改進新思路的探索[J]. 維修與改造，2007，9：70-73. 等等。 4．畢業(yè)設計(論文)應完成的主要內容 把現(xiàn)代設計方法運用于井下圓柱正弦活齒減速器的設計中，掌握減速器的工作原理、結構設計及計算方法，并能夠用計算機輔助手段完成設計。 主要內容包括： （1）活齒減速器概述； （2）井下圓柱正弦活齒減速器總體方案設計； （3）設計參數(shù)選擇與計算； （4）主要零部件結構設計； （5）井下圓柱正弦活齒減速器結構圖（二維、三維）； （6）重要零部件強度校核； （7）潤滑方式的選擇。 5．畢業(yè)設計(論文)的目標及具體要求 通過畢業(yè)設計，對學生進行綜合的工程訓練，基本掌握課題立項和具體實施的全過程，綜合應用所學的基本理論和專業(yè)知識，獨立完成蝸輪蝸桿減速器設計的設計計算，從而達到鍛煉學生實際動手能力和解決問題能力的目的。 畢業(yè)設計(論文)的要求： 1）學生按照畢業(yè)設計指導小組的進度安排，按時完成文獻綜述、開題報告及主要零部件的結構設計、強度計算以及二維、三維設計并撰寫畢業(yè)設計論文等工作； 2）在每周的答疑時間學生應把所做工作的進展情況向給指導老師匯報，并把設計內容提供給指導老師審閱； 3）論文撰寫語言通順流暢、內容條理清晰、版式規(guī)范、參考文獻格式正確。 ①閱讀與研究課題相關的有代表性的參考文獻資料25篇以上 ②翻譯：與研究課題有關的譯文不少于3千漢字（或2萬印刷字符的外文原文的翻譯）； ③畢業(yè)設計（論文）正文：字數(shù)不少于1.2萬字或1.2萬字篇幅的內容。 ④繪圖要求：零件圖不少于3張，總裝圖1張 完成畢業(yè)設計(論文)所需的條件及上機時數(shù)要求 1）查閱相關參考資料，掌握減速器設計過程； 2）熟練應用二維及三維設計軟件以及ANSYS軟件； 3）上機時數(shù)：200h。 任務書批準日期 2013 年 3 月 日教研室(系)主任(簽字) 任務書下達日期 2013 年 3 月 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 2013 年 6 月 日 學生（簽名） II Underground cylinder sine oscillating tooth gear reducer design Abstract: In order to make the oil drilling work in the best conditions, the reducer often is equipped between the prime mover and working machine. At present, the underground transmission device mainly consists of NGW type planetary gear reducer, the fixed axis gear reducer. In the circumstances, the small gear modulus lead to the shortage of gear tooth bending strength, or stable transmission performance is low, or the inertia force is not easy to be balanced. Due to the factors, its application be limited. The Cylinder sine the oscillating tooth gear reducer is a new few teeth difference planetary gear drive mechanism, and has the advantages of small volume, small size, large transmission ratio, compact structure, large bearing capacity, high transmission efficiency. The advantages meet specific requirements of petroleum underground reducer drive device. In the course of the study, this paper mainly deduce and calculate the meshing characteristic and stress analysis of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer and establish the continuous motion conditions of formula, the formulas of transmission ratio, the equation of space tooth surface, the principal curvature equation, the equation of space force and the contact stress equation. In order to put the cylinder sine oscillating tooth reducer into underground turbine drill, combining drilling work environment, the paper study underground mechanical seal and underground lubrication of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer. A three-dimensional model be based on the theory of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer, using ANSYS Workbench to make static analysis and model analysis of Cylinder sine oscillating tooth gear reducer. Keywords: Cylinder sine oscillating tooth gear reducer; equation of space tooth surface; static analysis; model analysis; mechanical seal and lubrication. XVIII 2 研究目的和意義 井下圓柱正弦活齒減速器設計 學生：曾運運，機械工程學院過程裝備與控制工程 指導老師：黃天成，長江大學機械工程學院 1 題目來源 生產實踐 2 研究目的和意義 當代科學技術發(fā)展日新月異，機械制造業(yè)的整體發(fā)展方向越來越要求向高可靠度、精密、高速度、小型化發(fā)展?，F(xiàn)代機械中大部分傳動環(huán)節(jié)是由減速器實現(xiàn)的，傳動部件的設計與制造水平直接關系到機械工作的效率精度，所以必然對其提出了更高的要求。減速器的設計與制造技術的發(fā)展水平，在工業(yè)發(fā)展過程中占有很重要的地位。因此，減速器技術的研究在我國有著非常重要的意義。 現(xiàn)代社會對石油的消耗越來越大，深井和超深井鉆探技術中井下減速器應用于渦輪動力鉆具的研究日益受到人們的關注。井下減速器的徑向尺寸受到油井套管的限制，要想使其在重載荷下長時間的運行，則必須解決如下兩點：徑向尺寸小和傳動效率高。 目前應用最多的井下減速器是NGW型行星減速器、同步減速器、單螺桿式減速器、摩擦滾珠減速器和定軸輪系減速器等幾種。其中行星齒輪減速器及定軸輪系減速器在渦輪鉆具中使用的較多，下面以行星齒輪減速器和定軸輪系減速器為例闡述這兩種減速器渦輪鉆具的缺點。NGW型行星減速器沿徑向布置，結構特點是“徑向尺寸受限制，軸向尺寸不受限”。如果減小徑向尺寸，則必然導致模數(shù)或齒數(shù)減小。模數(shù)減少引起齒輪的承載能力降低；齒數(shù)減小引起傳動比降低。定軸輪系減速器，其減震能力差、傳動穩(wěn)定性能偏低、壽命短、難以加工裝備。 研究的目的是找到一種在徑向尺寸受到約束的條件下能夠實現(xiàn)結構緊湊、傳動效率高、低噪音、承載能力大、傳動比范圍廣的減速器。 為了克服上述減速器的不足，針對深井和超深井的需要，提出了一種面向石油井下鉆采工況的新型減速器—圓柱正弦活齒減速器。 活齒傳動是一種新型的齒輪傳動方式，因為其獨特的結構特點，使之具有傳統(tǒng)齒輪傳動不可比擬的優(yōu)越性能。在一定的工作條件下，是傳統(tǒng)齒輪傳動理想的替代產品。本課題研究的圓柱正弦活齒減速器是一種新型的活齒傳動機構，它體積小、噪音小、結構緊湊、潤滑性能好、傳動效率高、傳動誤差小、性價比高、有自鎖功能等優(yōu)點，切合石油井下減速器傳動裝置的特定要求。 XIII 5主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 3閱讀的主要參考文獻及資料名稱 [1] 鮑有光. 國外小井眼鉆井技術的發(fā)展[J]. 鉆采工藝, 1995, 18(2): 97-102 [2] 曲繼方. 活齒輪傳動原理[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1993 [3] 孫瑜. 微小型正弦活齒減速器的研制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2004 [4] 夏虎. 圓柱正弦活齒傳動力學分析與模態(tài)仿真[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2012 [5] 李飛, 謝慶繁, 馮定. 新型減速渦輪鉆具應用研究[J]. 石油天然氣學報, 2005, 27(4): 698-699 [6] 王幼寧. 微分幾何講義[M]. 第二版. 北京：北京師范大學出版社, 2011 [7] 孫桓, 陳作模, 葛文杰. 機械原理[M]. 第七版. 北京: 高等教育出版社, 2005 [8] 吳序堂. 齒輪嚙合原理[M]. 第二版. 西安：西安交通大學出版社, 2009 [9] 章希勝, 武震, 張景春. 機械零件的接觸應力計算[J]. 機械, 2004, 21(1): 24-26 [10] 譚春飛, 夏彬, 夏栢如, 周麗莎. 172組合減速渦輪鉆具的研究與應用[J]. 鉆采工藝, 2010, 33(5): 77-80 [11] 濮良貴, 紀名剛. 機械設計[M]. 第八版. 北京: 高等教育出版社, 2006 [12] 許福東, 張曉東, 華北莊, 付達良. 180渦輪鉆具用同步減速器研制[J]. 江漢石油學院學報，2004, 26(增刊): 123-124 [13] 陳艷霞, 陳磊. 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JSPE, 1900, 56(4): 751-756 [18] 楊世奇, 薛敦松, 蔡鏡侖, 趙寧, 譚春飛. 渦輪鉆井技術的新進展[J]. 石油大學報，2002，26(3): 128-132 4國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 4.1 活齒傳動國外研究現(xiàn)狀 最早的活齒傳動結構是20世紀30年代由德國人提出，后來他們就把活齒傳動技術應用到汽車的轉向機構中。50年代到70年代，原蘇聯(lián)和美國在這方面做了大量研究，原蘇聯(lián)學者對活齒傳動的一種形式“柱塞傳動”進行了理論研究，提出了它的運動學和力的計算方法。美國學者提出了推桿活齒減速裝置及少齒差減速機，開發(fā)出滑齒減速器，并且研制成產品，投放到國際市場。70年代，蘇美兩國積極開發(fā)活齒傳動的新型式，蘇聯(lián)推出了“正弦滾珠傳動”，美國推出了“無齒齒輪傳動技術”曾引起各國科技工作者的極大興趣。到了80年代，國際上研究活齒傳動國家越來越多，日本、聯(lián)邦德國、英國、美國等國家先后發(fā)表了一些有關活齒傳動的專利和發(fā)明，這些都表明活齒傳動的研究和應用，在國外越來越活躍。 到口前為止，國際上只有原蘇聯(lián)對正弦活齒傳動進行了研究，但在國內也很少能檢索到他們的相關文獻。原蘇聯(lián)將正弦活齒減速器成功應用于復雜井下采油裝置中，解決了渦輪鉆具轉速過高的難題。此外，還將其廣泛應用于離心機的傳動裝置等很多領域。 4.2活齒傳動國內研究現(xiàn)狀 由于很多復雜原因，我國對活齒傳動的研究時間很短，從上世紀70年代起，我國的工程師和科技工作者才開始注意國外活齒傳動的發(fā)展;近30多年，在艱苦的條件下，不斷學習國外活齒傳動研究成果，開拓創(chuàng)新，與時俱進，經過十兒年開拓，先后發(fā)明了多項技術專利:滾道減速機(CN86 200768)、旋轉活齒減速器(CN87101702)、擺動活齒減速機(CN 2075729U)、套筒活齒少齒差傳動裝置(CN87203751U)、變速傳動軸承(CN85 200923)、活齒諧波減速機(CN87 206444U)等。 80年代初，多種多樣的活齒傳動出現(xiàn)，例如以曲繼方教授為研究代表的擺線活齒傳動活齒傳動，以周有強教授為研究代表的套筒活齒傳動機構，以朱紹仁為研究代表的推桿活齒傳動，四川大學梁尚明研究了擺動活齒的強度、效率、運動學嚙合剛度等。在理論研究方面，燕山大學曲繼方對活齒傳動結構理論、運動學理論、齒形理論和嚙合理論做了探討，并用這些理論分析了各種典型的活齒傳動的結構特征和傳動性能，逐步形成了完整的活齒傳動體系，從而完成了一部較為全面系統(tǒng)研究活齒的著作《活齒傳動理論》。 我國活齒傳動的研究和開發(fā)時間短，技術人員少而且分散，生產經驗積累不足，與先進國家先比，在總體上仍然有很大的差距。我國與1988年和1991年，有機械電子工業(yè)部分別提出了《行星齒輪傳動基本術語》和《滾柱活齒減速器》行業(yè)標準，今后定將推動我國的活齒傳動技術更快的發(fā)展。 4.3國內外的研究的主攻方向 活齒傳動有很多結構型式，具有典型意義的有：推桿活齒傳動、滾柱（珠）活齒傳動、擺動活齒傳動、套筒活齒傳動、平面滾珠傳動等等。國內外的研究主要是針對一個結構型式的活齒傳動進行齒廓曲線特征分析、嚙合副自鎖機理分析、齒形的加工與修形研究等等。燕山大學曲繼方教授在進行活齒傳動研究時，形成了專著《活齒傳動原理》，在此書中他建立起針對所有活齒傳動的“活齒傳動分析與綜合的理論基礎”。 5主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 把現(xiàn)代設計方法運用于井下圓柱正弦活齒減速器的設計中，掌握減速器的工作原理、結構設計及計算方法，并能夠用計算機輔助手段完成設計。 5.1 主要研究內容包括 （1）活齒減速器概述； （2）井下圓柱正弦活齒減速器總體方案設計； （3）設計參數(shù)選擇與計算； （4）主要零部件結構設計； （5）井下圓柱正弦活齒減速器結構圖（二維、三維）； （6）重要零部件強度校核； （7）潤滑方式的選擇； 5.2 重點研究的關鍵問題 (1) 研究圓柱正弦活齒的傳動比公式和連續(xù)傳動條件,計算殼體和主動軸正弦滾道與活齒接觸點處的主曲率，分析減速器的結構參數(shù)對主曲率的影響規(guī)律;利用主動軸正弦滾道和活齒間相對滑動速度的計算公式，分析減速器結構參數(shù)變化對相對滑動速度的影響規(guī)律，建立活齒的空間力學模型，計算活齒對殼體和主動軸的作用力，根據(jù)活齒和正弦滾道間的接觸應力公式，分析減速器的結構參數(shù)對活齒接觸應力的影響規(guī)律。 (2)結合深井采油的實際工作環(huán)境，給定具體的工作參數(shù)，設計出滿足條件的減速器，并利用ANSYS Workbench對其進行應力分析。 5.3 解決思路 利用曲繼方教授在其專著《活齒傳動理論》建立起來的“活齒傳動分析與綜合的基礎理論”（ 活齒傳動的結構分析、活齒傳動的運動學理論、活齒傳動的齒形理論、活齒傳動的嚙合理論）來分析圓柱正弦活齒減速器的結構特征及傳動性能，并以此為基礎對圓柱正弦活齒減速器進行結構設計。同時，利用有限元軟件（ANSYS Workbench）對零件和模型進行應力分析。 6完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決方法 6完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決方法 完成一篇畢業(yè)設計所需要的條件是方方面面的，在此過程中不免會遇到各種各樣的難題。當遇到問題時，應該靜下心來翻閱已有資料，積極地與指導老師討論，要有不怕吃苦，勇于攀登的精神。 以下列舉幾個完成本課題的畢業(yè)設計所必需的的條件。 （1） 學會利用學校圖書館和網上數(shù)據(jù)庫 （2）掌握本課題相關的基礎知識 （3）會利用三維軟件進行三維畫圖 （4）會利用分析軟件（Matlab、ANSYS Workbench）對相關問題進行分析 7工作的主要階段、進度與時間的安排 第6周 查閱與本課題相關的中文文獻和外文文獻 第7周 選定外文文獻，比對此文獻進行翻譯 第8-9周 接受指導老師分配的任務書，并對減速器進行結構設計 第10-13周 圓柱正弦活齒傳動嚙合特征和受力分析 第14-15周 畫圓柱正弦活齒三維圖和二維裝配圖 第16周 對三維模型進行應力分析 第17周 整理論文，準備答辯 指導老師審查意見 8指導老師審查意見 長江大學 畢業(yè)設計開題報告 題 目 名 稱 井下圓柱正弦活齒減速器設計 院 （系） 機械工程學院 專 業(yè) 班 級 裝備10901班 學 生 姓 名 曾運運 指 導 教 師 黃天成 輔 導 教 師 黃天成 開題報告日期 2013年4月 III 題目來源 液壓式平板閘閥設計 學 生： 彭楊 機械工程學院 指導教師： 張先勇 機械工程學院 1 題目來源 該題目來自于生產社會實際 2 研究目的和意義 閘閥是指關閉件，即閘板的運動方向與流體運動方向垂直的閥門，在管路中主要作為切斷介質用，閘閥只能全開或全閉，不能調節(jié)和節(jié)流。它可以適用低溫低壓，也可以適用于高溫高壓，并可根據(jù)閥門的不同材質用于各種不同的介質。閘閥主要應用于石油、天然氣的開采提煉加工和管道輸送系統(tǒng)中，化工產品、醫(yī)藥和食品生產系統(tǒng)中，水電、火電和核電的電力生產系統(tǒng)中，城市和工業(yè)企業(yè)的給排水、供熱和供氣系統(tǒng)中，農田灌溉系統(tǒng)中，冶金生產系統(tǒng)中，國防生產系統(tǒng)和航天等新技術領域中等。因此，它是我國實現(xiàn)四個現(xiàn)代化不可缺少的重要機械產品，與生產建設、國防建設和人民生活都有著密切的聯(lián)系。 閘閥作為流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，與其它類型閥門相比，主要優(yōu)點有：流體阻力小，密封面受介質的沖刷和侵蝕??；開閉較省力；介質流向不受限制，不擾流、不降低壓力；形體簡單，結構長度短，制造工藝性好，適用范圍廣。由于閘閥具有許多優(yōu)點，因此適用范圍很廣。通常DN≥50mm的管路作為切斷介質的裝置都選用閘閥。閘閥亦有一些缺點，主要是：密封面之間易引起沖蝕和擦傷，維修比較困難；外形尺寸較大，開啟需要一定的空間，開閉時間長；結構較復雜。 本次畢業(yè)設計，是運用所學知識和利用參考文獻，設計一種“液壓式平板閘閥”。通過這次設計過程，來鍛煉自己運用所學知識的能力，將理論聯(lián)系實際，在實際應用當中進一步鞏固和開拓知識面，同時通過查找資料，鍛煉自學能力，為將來的進一步學習和工作打下基礎。 3 閱讀的主要參考文獻及資料名稱 [1] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊[K]. 3版. 北京：機械工業(yè)出版社，2004. 第1頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 [2] 宋虎堂等. 閥門選用手冊[K]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007. 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Practical Failure Analysis，2003：3(2). 4 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 4.1閘閥種類及結構特點 閘閥種類，按密封面配置可分為楔式閘板式閘閥和平行閘板式閘閥，楔式閘板式閘閥又可分為：單閘板式、雙閘板式和彈性閘板式；平行閘板式閘閥可分為單閘板式和雙閘板式。按閥桿的螺紋位置劃分，可分為明桿閘閥和暗桿閘閥兩種。按驅動方式劃分，可分為手動、氣動、電動、液動和電液聯(lián)動。 4.1.1 常見閘閥種類 （1）平板閘閥的優(yōu)點是阻力小，不縮口的其流阻與短直管的流阻相仿。帶導流孔的平板閘閥安裝在管路上還可直接用清管器進行清管。由于閘板是在兩閘座面上來回滑動，因此平板閘閥也適用于帶懸浮顆粒的介質。平板閘閥的缺點是當介質壓力低時，金屬密封面的密封力不足以達到滿意的密封。相反，當介質壓力高時，如果密封面不用系統(tǒng)介質或外來介質潤滑，經常啟閉，就可能使密封面磨損。而且閘板在切斷高速和高密度介質流時，會產生劇烈振動。平板閘閥適用于以下場合：石油、天然氣輸送管線；成品油的輸送管線和貯存設備；石油、天然氣的開采井口裝置，也就是采油樹用閥；帶有懸浮顆粒介質的管道；城市煤氣輸送管線；自來水工程。 （2）楔式單閘板閘閥結構較彈性閘板閥簡單，在較高溫度下，密封性能不如彈性閘板閥或雙閘板閥好，適用于易結焦的高溫介質。 第3頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 （3）彈性閘板閘閥是楔式單閘板閥的特殊形式。與楔式閘閥比較，在高溫時，密封性能好，且閘板在受熱后不易被卡住；適用于蒸氣、高溫油品及油氣等介質，并適用于開關頻繁的部位。不宜用于易結焦的介質。 （4）雙閘板式閘閥密封性較楔式閘閥好，如密封面的傾斜角度和閥座配合不十分準確時，任具有較好的密封性。閘板密封面磨損后，將球面頂心底部的金屬墊換為較厚的即可使用，一般不必堆焊和研磨密封面，這點單閘板、彈性閘板難以做到。零件較其他形式的閘閥多。除適用于蒸氣、油品等介質外，還適用于開關頻繁的部位及對密封面磨損較大的介質，不宜用于易結焦的介質。 （5）平行式閘閥密封性較其他形式閘閥差。適用于溫度及壓力較低的介質。除在兩塊閘板上裝有固定板的閘板不易脫落外，凡用鉛絲固定兩塊閘板的閘板易脫落，使用不可靠。閘板及閥座的密封面的加工及檢修比其他形式的閘閥簡單。 4.1.2 平板閘閥類型 （1）刀形平板閘閥：圖1所示為刀形平板閘閥。該閥是用于泥漿和纖維材料介質中。這種閥門它靠可以切割纖維材料的刀刃形閘板來切斷這些介質，閥體實際上不存在腔室，閘板在側面導向槽內升降，并由底部的凸耳緊壓在閥座上，如需達到較高的介質密封性時，也可使用O形密封圈閥座。 圖1 刀形平板閘閥 圖2 手動楔式雙閘板平板閘閥 第4頁（共16頁） 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 （2）雙閘板無導流孔平板閘閥：圖2所示的結構為依靠楔面撐開兩塊閘板，使之與閥座很好的密封，閥座與閥體的連接有兩種形式，一種為撐開式，靠脹開的力固接；一種為焊接式，把閥座焊接在閥體上。圖3所示的結構為依靠彈簧把兩閘板沿水平方向撐開，和固定的閥座保證閥門的密封，閥座用焊接的方法牢固地焊接在閥體上。該閥門帶有上密封結構，使開啟狀態(tài)填料不承受介質壓力。 圖3 手動撐開式雙閘板平板閘閥 圖4 單閘板無導流孔平板閘閥 （3）單閘板無導流孔平板閘閥：圖4所示為單閘板無導流孔平板閘閥。該閥采用閥座順流浮動。彈簧預緊自動密封結構，啟閉力小，工作壓力越高，密封性能越好。閘板與閥座的密封有金屬密封和軟、硬雙重密封兩種，金屬密封設有自動注入密封脂機構，介質可雙向流動。主要零件材料為碳素鋼、不銹耐蝕鋼、合金鋼。連接形式為法蘭連接。本閥適用于石油、石油產品、天然氣、煤氣、化工、環(huán)保等輸送管線及放空系統(tǒng)和油、氣儲存設備上作啟閉裝置。 （4）雙閘板有導流孔平板閘閥：圖5所示為雙閘板有導流孔平板閘閥。它依靠固定在閥體上的閥座和兩塊楔形對楔形的閘板保持密封。在整個啟閉過程中閘板始終不脫開閥座密封面，使介質不致掉入閥體下腔內。吹掃管可清除閥體內的臟物。兩塊楔式閘板依靠其上的三個銷釘和掛鉤連接在一起。該閥的閥座靠壓合牢固地固定在閥 第5頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 體上。本閥門連接形式為法蘭連接。本閥門可適用在石油、天然氣管線上，亦可在全開狀態(tài)下進行清掃管線。 圖5 手動雙閘板帶導流孔升降桿平板閘閥 圖6 有導流孔升降桿平板閘閥 （5）單閘板有導流孔平板閘閥：圖6和圖7所示為單閘板有導流孔平板閘閥。該種平板閘閥的閥座是浮動的。有兩種不同的材料，一種是高彈性體的合成橡膠或聚四氟乙烯，另一種是不銹鋼。閘板采用不銹鋼制成，閘板的下部有一個和公稱通徑相等的圓孔，當閥門全啟時，閘板上的圓孔就與閥座孔相合，這樣閘板就密封了閥體的腔室而防止固體顆粒進入。浮動閥座的密封作用亦允許用作雙重截斷和泄放。如果閥座密封在使用中失效，則可向密封面注入密封脂可進行暫時密封，這樣既可以保證閥桿可靠密封，又增加了閥桿的潤滑。該閥門密封性能良好，操作方便、靈活、省力， 第6頁（共16頁） 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 流阻系數(shù)小，便于清掃管道，使用壽命長。本類閥門適用于石油、石油產品、天然氣、煤氣、水等介質。 圖7 帶浮動閥座有導流孔升降板單板平板閘閥 圖8 有導流孔旋轉桿平板閘閥 （6）單閘板旋轉桿有導流孔平板閘閥：圖8所示為單閘板旋轉桿有導流孔平板閘閥。閥體與閥蓋采用金屬與金屬密封。閥桿和閥蓋設有上密封，使閥門開啟后填料不承受介質壓力。平行閘板和彈簧預加載閥座，使密封可靠，閘板上有導流孔，使開啟后便于清掃管線。本閥適用石油、天然氣的井口裝置。 4.1.3 明桿閘閥和暗桿閘閥 （1）明桿閘閥：驅動裝置固定在閥桿螺母上驅動裝置帶動閥桿螺母旋轉時，閥桿作上下移動，從而帶動閘閥作升降運動而啟閉管路。明桿閘閥開啟時，閥桿從手輪上方伸出，可以直接顯示閘閥的開啟程度。閥桿梯形螺紋在閥桿上的上半部，不予介質直接接觸，不受介質腐蝕，而且潤滑方面。因此，它適用于腐蝕性介質、污濁介質和高溫蒸汽介質的閘閥上。閥的啟閉程度可以從螺紋直接看出，便于操作也是其優(yōu)點 第7頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 之一。不足之處是，由于螺紋外漏，容易黏上空氣中的塵埃，加速螺紋磨損，故應盡量安裝于室內。盡管如此，應用還是較為廣泛。 （2）暗桿閘閥：驅動裝置固定在閥桿上，閥桿螺紋固定在閘板頂部，當驅動裝置轉動時，閥桿螺紋帶動閘板作升降運動。閥桿只能做旋轉運動。優(yōu)點是，開啟時閥桿不升高，所需安裝空間較小。故它常作為大通道閘閥，或安裝空間受限制的場合。由于閥桿不做升降運動，不能像明桿閘閥那樣，通過閥桿伸出長度來顯示開啟程度，因此，應裝設開度指示器。暗桿閘閥由于閥桿螺紋部分和閥桿螺母均在閥腔內部與介質接觸，因而易受介質腐蝕，閥桿螺紋等難于潤滑。 4.1.4 閥門驅動方式 （1）手動：借助手輪、手柄、杠桿或鏈輪等，由人力來操作。當需傳遞較大力矩時，可裝有圓柱直齒輪、圓錐直齒輪、蝸輪蝸桿等減速裝置。 圖9 圓柱直齒輪傳動的閘閥 （2）電動：用電動機、電磁或其他電氣裝置操作。電動閥門適應性強，不受環(huán)境溫度影響，輸出轉矩范圍廣，控制方便，可實現(xiàn)超小型化，具有機械自鎖性，安裝、維護檢修方便。缺點是結構復雜，機械效率低，一般只有25%到60%，易受電源電壓、頻率變化影響。 第8頁（共16頁） 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 圖10 電動閘閥 （3）液動：借助液體（水、油等液體介質）來操縱閥門。液動裝置結構簡單、緊湊，體積小，輸出力大，能無級變速，能遠距離自動控制。缺點是液壓元件和管道易滲漏，維修不便。 圖11 液壓平行式雙閘板閘閥 圖12 氣動帶手動楔式單閘板閘閥 第9頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 （4）氣動：借助空氣來操作。氣動裝置結構簡單，能獲得較高的開關速度。缺點是不適于大口徑高壓力閥門，開關速度不均勻。 4.2閥門行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4.2.1 國外閥門行業(yè)現(xiàn)狀 隨著國外大型成套技術的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列新型成套設備與單機。與閥門有關的新型成套設備發(fā)展的特點是大型化、高參數(shù)化、高性能自動化和成套化，與這些成套設備的控制方式相適應。近20年來，國外閥門的控制方式也有很大發(fā)展。除一般手動、機動、電動、氣動、液動傳動之外，電液連動、氣液連動、自動控制的閥門品種不斷增多，并有進一步發(fā)展的趨勢。? 　　比如煉油設備閥門。最大煉油廠3640萬噸／年(加勒比海的維爾京群島)，3000萬噸／年(委內瑞拉)。目前2000萬噸／年以上的煉油廠有近30個；最大單元煉油減壓裝置的處理能力達到2400萬噸/年，催化裂化裝置達到824萬噸／年，加氫裂化裝置達到320萬噸／年。裝置大型化，迫使閥門也越來越大，控制方式也開始向自動化方向發(fā)展。? 　　近年來，長輸管線發(fā)展很快，因此，長輸管線用閥門近幾年需求大增。與這些成套設備配套的閥門中最大平板閘閥直徑達到1620mm、2000mm；最大蝶閥通徑9750mm；最大球閥通徑3050mm，不算驅動裝置閥門的重量達到184噸；最大水用閘閥通徑2750mm，壓力達到9MPa。? 　　隨著各類成套設備、工藝流程和性能的改善，國外閥門的系列品種還在不斷增加，近年來出現(xiàn)了不少新品種閥門。如：緊急切斷閥、快速開關閥、防火閥、防靜電閥、減溫減壓閥、蝶型止回閥、泄壓閥、真空夾套閥、水冷或氣冷閥、安全閘閥、安全截止閥等多種新式閥門，其中通用閥門中球閥、蝶閥和平板閘閥是20年來發(fā)展最快的閥門品種。? 4.2.2 國內閥門行業(yè)現(xiàn)狀 從總體上看，我國閥門技術有了很大的進步，目前已能設計、生產、檢測十幾大類、3000 多個型號、40000 多個規(guī)格的閥門產品。 第10頁（共16頁） 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 “十?五”期間，我國閥門行業(yè)研制了 24 通旋轉閥、固休物料氣力輸送用閥（旋轉加料器、輸送換向閥、滑板閥）、新一代高性能單雙向密封的三偏心復合圈金屬密封蝶閥、高溫蝶閥、軟硬密封高真空電磁閥和手動耐壓閥、GK 型管線球閥、鑲嵌耐磨陶瓷密封圈的閘閥、球閥、調節(jié)閥。此外還開發(fā)生產了高溫高壓 Y 型波紋管截止閥、低溫波紋管氯氣閥、亞臨界和超臨界高溫高壓截止閥、生物抗菌隔膜閥等。有些企業(yè)生產的產品還填補了國內空白，獲得了國家專利。這些產品的研發(fā)標志著我國閥門技術整體水平有了很大的提高。 然而國內閥門技術總體水平與世界發(fā)達國家相比還有一定的差距。大部分國內企業(yè)只能生產技術含量低、附加值少的低端產品，新產品開發(fā)也只是在原有產品上作些改進或者直接拷貝國外同類產品。企業(yè)缺乏具有自主知識產權的核心技術．缺乏具有國際競爭力的高端產品。60 萬千瓦以上火電機組配套的高溫高壓閥門、核電閥門、石化行業(yè)配套的特殊閥門、高參數(shù)高性能安全閥等產品主要依賴進口。 4.2.3 閥門行業(yè)發(fā)展趨勢 （l）設備的大型化：電站的建設大型化，電站由 30 萬千瓦以下機組向 60 萬千瓦以上機組甚至達 130 萬千瓦機組發(fā)展，需要大量用于亞臨界、臨界及超臨界機組的大口徑鍛焊結構高溫高壓減壓閥、安全閥等電站閥門。 （2）可靠性要求更高：核電事業(yè)逐步增加，核電閥門是核電站中量大面廣的水壓設備，它連接整個核電站的 300 余個系統(tǒng)，是核電站安全運行的關鍵附。件根據(jù)國家制訂的“核電 2005~2020 中長期發(fā)展規(guī)劃”，到 2020 年我國裝機容量將達到 5946 萬千瓦，新增建設總投資 4500 億元，需大量安全可靠的閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥、安全閥、主蒸汽隔離閥、球閥、隔膜閥、減壓閥和控制閥等。 （3）抗腐蝕能力和密封性能要求更高：石油開發(fā)向內地和海上轉移，西氣東輸?shù)钠饎?、煉油業(yè)的發(fā)展，輸油管線也得到快速發(fā)展，這些管線對閥門有著嚴格的要求，需要大量的鍛鋼平板閘閥、雙瓣蝶式止回閥、角式節(jié)流閥及球閥；海上采油平臺的采油、防噴、注水、注氣、水下設備等系統(tǒng)需要開發(fā)一些耐海水、耐鹽霧侵蝕的特種閥門。這些閥門要求有較強的抗腐蝕性、抗風暴等異常外力的能力，并且要求密封可靠、操作靈活、維修方便。 第11頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 （4）環(huán)保要求更高：城建系統(tǒng)由過去使用的低壓鐵制閘閥逐步轉向環(huán)保型的膠板閥、平衡閥、金屬密封蝶閥及中線密封蝶閥過渡。 這些大型項目中應用的閥門產品逐漸趨于大型化、高參數(shù)化、高性能、自動化，成套比率大幅提高，因而對閥門的開發(fā)設計提出了更高的要求，促使閥門的發(fā)展更加注秉產品可靠性和安全性等性能指標。 新合成材料、新合金鋼及新工藝為閥門技術的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。如金屬鈦，由于鈦金屬表面能生成一層牢固的鈍化膜，在許多強腐蝕介質中顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性能。聚丙烯、聚碳酯、尼龍等合成材料，已廣泛用于制造化工領域中使用的閥門。新型密封材料柔性石墨，具有耐高溫、耐腐蝕、潤滑等特性，可廣泛用于生產高溫高壓閥門。 4.3閥門研究方向 隨著科學技術的發(fā)展，打破常規(guī),引入新的理念進行設計,以人為本，設計首先考慮安全可靠，其次是操作省力、簡便，再者是外觀；采用新材料派生閥門產品，使閥門產品在性能及特殊用途上達到突破；探索新技術、新結構、新工藝、新材料、新標準等，研制高技術含量、高參數(shù)、耐強腐蝕、高壽命的閥門產品。閥業(yè)成套水平具體呈如下發(fā)展趨勢： （1）研制傳統(tǒng)的阻塞閥技術與控制閥多級技術的結合； （2）研制高技術含量、高參數(shù)、高壽命、耐強腐蝕的閥門 （3）研制用于高粘度聚合物的組合式閥體截止閥； （4）研制由新型密封件來降低控制氣體流動閥門的噪聲； （5）研制采用氧化鋯陶瓷來增強密封面的壽命； （6）研制苛刻工況的噴管單向閥替代普通單向閥； （7）研制發(fā)展城市燃氣發(fā)電機組燃料煤氣切斷球閥； （8）研制發(fā)展先進的合成材料閥門； （9）研制發(fā)展適于啟動和全流量操作功能的閥門； 第12頁（共16頁） 主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 （10）研制開發(fā)滿足地震要求的核安全閥； （11）研制發(fā)展石化、冶金、電力用高溫高壓調節(jié)閥、減溫減壓閥； （12）研制大型乙烯高溫裂解用高溫高壓閥； （13）研制火電用主蒸汽隔離閥（向超臨界發(fā)展）。 5 主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路 5.1 設計應完成的主要內容 （1）液壓式閘閥概況； （2）液壓式平板閘閥結構方案； （3）基本參數(shù)設計計算； （4）液壓式平板閘閥結構設計，含液缸設計； （5）關鍵零件強度校核、其中部分零件用Ansys作有限元分析。 5.2研究的關鍵問題及解決方法 閘閥設計研究最關鍵的問題是密封性能，閘板類型，結構設計，材料選擇，強度計算及校核，介質溫度考慮，填料設計，以及密封結構設計等。 5.2.1閘閥密封原理 雙閘板平板閘閥：雙閘板平板閘閥的關閉件由兩塊閘板組成，中間裝有彈簧或楔式機構。這些彈簧和楔式機構的作用是保持與進出口處的兩密封面滑動接觸并產生密封比壓，以保證進出口端部都能密封，屬于雙面強制密封。不過，中間裝有彈簧的雙閘板平板閘閥，在低壓時介質壓力不足以克服彈簧力，是雙面強制密封；但在高壓時，介質壓力可克服彈簧力，推動閘板向出口端，就成了單面強制密封。兩閘板間裝有楔式機構的，當關閉時，楔式機構就將兩閘板撐開，壓緊密封面，產生密封比壓，關閉越緊，密封比壓越大，因此屬雙面強制密封。 單閘板平板閘閥：單閘板平板閘閥有浮動閥座和固定閥座兩種。浮動閥座的平板閘閥，靠介質壓力將其推向閘板，保證密封。還有的浮動閥座平板閘閥的密封作用是靠每次操作時向出口的閥座面添加密封劑來達到的。為此，浮動閥座帶有一貯槽，其 第13頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 中加有密封劑并在其上部有一浮動活塞，而且整個閥腔注有油脂，并由油脂將介質壓力傳給出口儲槽活塞的頂部。閥門在使用時，密封劑和油脂可從外添加。每一儲槽的劑量約可操作100次。這種密封形式在介質壓力高時，可達到較高的密封性能。固定式閥座的平板閘閥，靠介質壓力把閘板推向出口密封面，達到密封，介質工作壓力越高，密封性能越好，當然閥座與閘板密封面的表面粗糙度值一定要小。這種平板閘閥屬單面強制密封。 5.2.2 材料的選擇注意事項 管線流體中，如果夾有較大較硬的顆粒會把閥內件磨得粗糙不平，易產生塑變和擦傷。沖擊振動會造成零件承受沖擊表面、配合表面的破壞，有時也會引起塑變和擦傷。 液體金屬，例如鈉、鉀，能夠去除金屬表面的氧化膜，在溫度≥204℃（400℉）時，極易產生擦傷且比較嚴重，應仔細選擇材料，避免擦傷的發(fā)生。 防止金屬表面的塑變和擦傷的方法主要有： （1） 零件采用硬度較高材料制成。 （2） 選用低塑變、低擦傷的配對材料。 （3） 對于相互配合的兩種零件，采用不同的材料制造。 （4） 在選用配合零件的材料時，保證配合零件材料的硬度上有5～10Rc的硬度差。 （5） 確定合理零件表面粗糙度和硬度，或者在零件表面采用特殊的覆蓋層，配合運動面的硬度差 。 （6） 確定合理的載荷，根據(jù)載荷選用合理的材料及強度。 （7） 設計時，應根據(jù)高溫下不同材料的膨脹系數(shù)認真計算膨脹量，從而確定配合零件的尺寸，保證閥內件工作時一個適當?shù)牟僮鏖g隙。 5.2.3 介質溫度的考慮 根據(jù)介質的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執(zhí)行機構可承受的溫度。 閥內件、填料函結構和使用溫度之間的關系 （1）450℉（232℃）以上，上閥蓋延伸，用較長的閥蓋閥桿散熱片保持填料密封。 第14頁（共16頁） 完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決的辦法 （2）600℉（316℃）以上，間隙加大閥芯、閥座密封部分硬化處理。 （3）750℉（399℃）以上，所有螺紋連接的閥座將會泄漏，必須施加密封焊，防止松動。 （4）900℉（428℃）以上，所有導向套、閥芯導向和導向桿須表面硬化處理，導向套搭接焊。 （5）1050℉（566℃）以上，表面硬化，采用整體閥座、導向套。 5.2.4 閥門填料設計 大部分閥門是利用填料函來達到閥桿處的密封。要達到閥桿處的有效密封，最主要的是在使用條件下，采用適當?shù)奶盍闲问胶秃线m的填料。選擇填料材料必須考慮下列因素： （1）填料的制作； （2）使用壓力； （3）使用溫度； （4）最低溫度； （5）填料的尺寸； （6）閥桿材料。 特別注意的問題是，雖然不銹鋼閥桿解決了許多機械的和化學的問題，但通常使用石墨作潤滑劑的填料，會使金屬產生“侵蝕凹坑”，它不適用于不銹鋼閥桿。為了解決這個問題，可使用云母、犧牲金屬或聚四氟乙烯來作為填料的潤滑劑。 6 完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決的方法 6.1原始數(shù)據(jù) （1）公稱通徑：DN=350mm； （2）公稱壓力：Class 900磅級（PN=11.95MPa）； （3）適用溫度：≤300℃； （4）適用介質：水、蒸汽、油品； （5）結構尺寸要求：長度L=700mm；全開高度H<1600mm； （6）液壓缸油壓：4.0MPa。 第15頁（共16頁） 液壓式平板閘閥設計 6.2工作條件 （1）圖書文獻：閘閥設計手冊，機械設計手冊等工具書，與設計題目相關的中外論文及其他各種相關的紙質或電子資料。 （2）上機條件：電腦裝有Solidworks、CAD、ANSYS等繪圖、分析軟件。 7 工作的主要階段、進度與時間安排 第1周-第2周：收集資料，并翻譯一篇不少于3000字的外文資料，閱讀文獻并完成開題報告。 第3周-第4周：進行液壓式平板閘閥的理論分析計算。 第5周-第6周：進行液壓式平板閘閥的結構設計并進行結構強度計算。 第7周-第8周：繪制液壓式平板閘閥裝配圖及主要零件圖。 第9周-第10周：液壓式平板閘閥主要零件的ANSYS分析。 第11周：撰寫畢業(yè)論文說明書。 第12周：制作畢業(yè)答辯PPT，完善論文，打印論文并準備答辯。 8 指導教師審查意見 第16頁（共16頁）