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1、摘 要 毕 业 论 文作 者： 郝永吉 学 号： 2014412040108 学 院： 机械工程学院 专 业： 机电一体化技术 题 目： K301单座调节阀设计 指导者： 张筱洁 副教授 评阅者： 2017 年 6 月 吉 林1摘 要题目：K301单座调节阀设计摘 要工程自动控制和仪器为我国国民经济和每个部门重要基础技术装备。在生产过程中，调节阀在弱动力级和执行流动流体控制所需的强动力级功能之间，实现了必需的能量扩大功能，为控制系统中至关重要的组成部分，对维续现代工程制造的产品质量，节约成本，降低功耗，提升效益相当重要。本课题在详细调研的基础上，分析了国内外目前调节阀技术的发展情况和已有调节阀
2、的性能水平。通过对国外调节阀产品的技术特点与优势的调研，举例指出了现阶段传统单座调节阀的缺点和短板。根据实际工况和我国工业生产的特点，引进国外单座调节阀的领先科技，研发出新式的更适合现代工业需求的单座调节阀。本课程设计主要攻克的关键技术为：阀体内采用S型介质流通方案，因为流线式流道可以明显降低压降损耗，并使阀体通流性能增强。阀体内主要零件设计，降低调节阀内流体泄漏，优化结构，减少制造成本。提供更高的流量可调范围。相信不远的未来，随着各方面技术的不断进步和提高，将有更多创新技术的调节阀问世。关键词：单座调节阀；阀内件结构；可调范围1第1章 绪 论目 录摘要I第1章 绪论11.1 问题的提出11.
3、2单座调节阀设计的目的及意义11.3国内外技术发展水平概况21.4论文的主要内容3第2章 调节阀总体方案的设计计算52.1阀体形式的选择与设计52.1.1阀体结构形式52.1.2壁厚的选择与计算72.2 阀体连接形式的选择与设计92.3上阀盖设计92.4阀芯设计102.5阀芯导向型式112.6阀座设计112.7阀杆设计112.8执行机构的选择及内零件简介12第3章 单座调节阀的流量特性及其选择163.1可调范围163.2 流量特性183.2.1理想流量特性183.2.2工作流量特性19第4章 调节阀的发展与展望21结论22致谢23参考文献241第1章 绪 论1.1 问题的提出现代化工业主要以先
4、进的自动化生产为基础。根据自动化系统的发展历程和技术革新来分析，控制技术的创新和进步意义重大。虽然多种新型的控制技术接连涌现，但是最核心的控制技术不会改变。不断更新换代的只是技术工具。传统的生产控制方式已不能完善的调控现代化工业生产系统，现用模拟电路、数字化过程控制、微机编程软件控制等先进技术的应用进行创新。现代数字化仪表的研制和应用加快了工业自动化的脚步。代表性的自动化控制系统主要分为三个部分：检测、控制和执行。现阶段，数字技术与微型处理器技术对监测与控制技术的影响巨大，对相关工业技术领域带来的促进作用已是众所周知，尤其是为成产过程提供控制的产品调节阀，更有飞速的进步。虽然传统的调节阀产品已
5、经投入到工业成产中，但现代化工业所需的是更为优秀的调节阀产品，所以如何生产出适用于现代机电一体化控制技术的单座调节阀，并能提高调节阀的质量等级，更有效更安全地进行操作，更充分地利用与节约能源和保护生态环境，都将给调节阀的设计提出新的课题， 人们已经对调节阀的设计提出更严格、更高标准的设计要求。放眼未来，人们将要面对的难题还会很多，例如生产原料供应不足，煤、石油、天然气等化石能源的越用越少。人类社会对生产力的需求。人们对好的工作条件的需求。人类社会的可持续发展等。为解决这些与人类生活息息相关问题，都要改善和改造原有的过程控制系统，或是创造出更先进的过程控制元件，而这样的控制系统的诞生就要求有更先
6、进的调节阀技术1。1.2单座调节阀设计的目的及意义提升调节阀的质量、功能和适用范围，对现代化工业的意义非同寻常，而生产制造出可以适合各个方面要求的新型调节阀则是当务之急。因单座调节阀结构形式的限制，其只能在大部分工况中适用。本课题设计目的是使单座调节阀向着现代化工业所需求方向设计：稳定可靠的产品质量，安全便捷的操作。在成产过程控制中，调节阀与控制管路中的流体相直接接触，如果发生故障，后果十分严重。在石油工业中，再整条生产线中，多种生产设备密集地集中检测与调制。多数操控都是在高温低压或高温高压中完成的，介质大部分为易燃易爆的油品。因此，调节阀的安全可靠和防火防爆性能应该受到高度重视。在化工厂内，
7、过程控制更为复杂，温度、压力、流量和液体位置的四大热工变量对调节阀的质量要求更为苛刻。在电力生产中，火力发电厂要对锅炉进行控制，锅炉调节系统对水位的控制，都要求调节阀具有高的控制精确度与控制的灵敏性。自然生活环境的保护与资源的充分利用也是调节阀设计中应该考虑的问题。调节阀可能对环境造成大气污染和噪音等问题，所以本课题的设计应解决或改善以下问题。第一，设备泄漏直接造成了原料与能源浪费，并造成环境的污染，对员工的健康造成威胁，还可能引起重大安全事故。大气污染的防止，要求阀座密封良好。因此，密封方法与材料的选用应该达到密封要求。当流通介质存在毒性时，如一氧化氮、二氧化硫等介质，就应用波纹管密封或更安
8、全可靠的密封方法。第二，调节阀在系统中，噪音污染比较严重。因为调节阀的应用一定会造成流体压强降低。速度变化与阀体振动，所以噪声不可避免，在过程控制中，电动机、叶片、变速器、煤炉、调节阀等，调节阀的噪音占比例较大。所以本课题研究的目的是要控制它的噪音等级的大小。现如今社会对能源的消费和需求越来越大，人们也在寻找节约传统能源和制造新能源途径，所以单座调节阀还要以节约能源和适应于新能源为目的方向设计和制造。也只有这样才能适应现代生产制造业的资源节约与新能源的应用需求，同时还能为企业节约生产成本。1.3国内外技术发展水平概况全球阀门市场总值约为400亿美元。随着历史的发展，工业自动化成度的提高调节阀的
9、技术水平也突飞猛进，从原理较为简单的自力式稳压器发展到全智能数字化的控制阀，大约历经100年的时间。目前调节阀在工业生产中地位已非常重要，自简易的热互换器温度调节阀到复杂的调控系统的正常工作，都必须要有调节阀的调控。以下列举了两个调节阀技术较为发达的国家和我国的调节阀发展过程。美国是全球经济高度发达的国家，一直以来是的阀门生产制造强国。在第二次世界大战后期成产研发了大约全世界一半的阀门，但后来由于其他国家阀门自产能力的提高美国阀门产品在世界上的比例呈减少趋势。近几年美国阀门行业增长甚微，某些增长因素被某些行业的萎缩相抵消了，虽然如此，美国阀门公司依然占据了全球阀门市场的 40%。TYCO 国际
10、公司是美国一家全球五百强企业，其下属的TYCO流体控制公司是世界最大的阀门、执行器生产企业，此公司名下有六十多个自主的品牌，可以制造最完备的调节阀类成品，拥有完善的阀门调控技术链条。美国的FLOWSERVE公司为世界最早的可以自主研发流体控制元件和相关维护与更新服务的公司。其最早研发了调节阀顶部导向和底部导向技术，最早研发了首台通用调节阀，最早发明了用于控制阀口径计算与工作过程中可以准确的测量其噪声的方法。大大简化了阀门口径的设计概念。英国是最先完成工业化的国家，是世界工业制造业基地。在阀门的国际贸易中英国的阀门销量处于领先地位，几乎全部的制造厂在阀门设计和制造方面都应用了自动设计系统与工艺过
11、程自动化控制系统。其中英国ABB公司为研发与生产控制阀门的技术处于领先地位，如今也是欧洲最大的控制阀生产企业之一。HOPKINGSANS历经近半个世纪的积累与发展，阀门研发经验也非常成熟。英国的SPARAX公司，该公司历史悠久，目前为全球最大的蒸汽系统阀门生产和供应商，其产品广泛，主要有锅炉控制系统、单项截流阀、自力式温度压力控制阀、蒸汽疏水阀、凝结水回水泵、流速计、换热器模块、洁净蒸汽机、截止阀、止回阀等产品、气动电动控制阀和控制器。我国在20世纪40年代，角形调节阀、蝶阀、隔膜调节阀和球阀先后问世。20世纪50年代，球阀的使用很受工业生产的欢迎。还使用三通阀替代两台单座阀投入系统使用。20
12、世纪60年代，套筒阀的研发很快受到重视且成为主流产品。20世纪70年代，偏心旋转阀问世。20世纪80年代中期，我国从日本引进了CV3000精小型阀。主要特点是小型化和高容量化。从此以后我国开始拥有了自主研发的精小型阀类产品。20世纪90年代末，全功能超轻型调节阀问世，这是首个由中国人自主研发的新种类阀门。21世纪，智能数字化阀门的问世，为调节阀历史掀开了崭新的一页。目前智能数字化调节阀的制造更能适应现代化工业的工况需求。电动调节阀和气动调节阀，都能够研制成智能化控制系统。气动调节阀执行机构上配以全电子式阀位定位器，并用先进的电子元件代替磁力马达，就能够应用PID（比例积分微分）运算。先进的智能
13、化调节阀把阀体、执行机构、电气转换定位器结合在了一起，且配备现场显示仪、微机处理器、液位感应仪、温度、位置传感仪、先进的数字量子输入输出电路模块。并可以与计算机和电脑传输数据端连接。现行研制的智能数字化调节阀已可以把全部控制系统整合在阀上，统一为一个完善地现场数字控制一体化系统2。1.4论文的主要内容（1）论文分析了调节技术发展的现状，针对调节阀的技术背景和发展趋势进改进与设计，并与传统单座阀比较，分析其综合性能，适用范围及对实际使用工况的适用能力，提出单座调节阀的设计方向。（2）对单座调节阀结构形式的研究与优化，制定设计内容，优化比较单座调节阀内部主要零件，分析调节阀的适用工况环境，对阀内主
14、要零件分别进行设计，提高其使用寿命与使用范围，还要对核心元件地主要研究内容设列数学模型，进行理论分析与公式计算。（3）对单座调节阀进行流量研究设计，并对各种流量特性经行分析。关键对阀体零件件进行壳体密封试验、上密封试验与整机密封试验。在流量试验中，根据两类流量特性的试验数据的分析计算，列出流量特性表格。（4）对设计结果进行罗列研究，总结调节阀的工作表现和理论计算的偏差。找出偏差成因，然后进行完善。（5）通过本次课程设计，对单座调节阀技术提出一些遇到的实际问题，并表明看法。1第2章 调节阀总体方案的设计计算 第2章 调节阀总体方案的设计计算2.1阀体形式的选择与设计单座调节阀是管路中关键的组成单位，确保调控管路系统的安全运行，要对阀门的研制工作提出很多难题。所以，单座调节阀的研制一定要符合工作流体的压力、温度、 腐蚀等介质工况条件对单座调节阀的使用要求。本课题中K301单座调节阀设计应满足以下条件： （1）阀门口径：100mm； （2）压力等级：4Mpa； （3）最大行程：30mm； （4）适用于有冲刷、气蚀等严峻条件的工况； （5）泄漏量小，容易保证密封，泄漏量满足标准ANSI B16.104要求；2.1.1阀体结构形式目前单座阀阀体应用比较普
