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碳钢闸阀、截止阀的阀杆推力、操作扭矩及手轮圆周力的简易计算

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-04 点击: 11,144

1.前言

阀杆推力、操作扭矩、手轮圆周力是决定阀门操作的三个重要的参数,本文将给出碳钢闸阀、截止阀简便的计算公式来确定这三个参数,通过下面的计算,可以得到不同压差下的输出扭矩、阀杆推力等数据。本文的公式适用于工作温度≤425℃的闸阀截止阀的阀杆推力、操作扭矩、手轮圆周力的计算。

2.推力

阀门阀杆推力主要作用在阀门阀座上和脱开阀座上的力,推力主要由三部分组成,公式如下:

F=f1+f2+f3

F——阀杆推力,(N)牛顿;

f1——作用在阀座上的推力,(N)牛顿;

f1=阀门阀座孔面积×阀门最大压差×阀门系数=M×△P×阀门系数,

阀门阀座孑L面积一(阀座孔直径)2×3.14/4=d2×3.14/4,mm2平方毫米,

如果不知道阀座孔直径d,可以用阀门流道直径来作为估计值。阀门阀座孔面积见表1中M。

阀门最大压差△P=P1-P2,P1为阀门上游压力,P2为阀门下游压力值,单位为MPa;如果不知道P1,P2值,△P可取表1中压力值(MPa)。

阀门系数见表2。

f2——阀杆载荷(阀杆的活塞效应),(N)牛顿;

f2——阀杆面积×阀门上游最大最压力P1=df2×3.14/4,mm2平方毫米;

df为阀门阀杆最小直径,见表3;

表1 阀门阀座孔面积
通径
in
压力等级MPa(psig) 通径

mm
PN2.0
(285)
PN5.0
(740)
PN6.8
(990)
PN10.0
(1480)
PN15.0
(2220)
PN25.0
(3705)
PN42.0
(6170)
d M d M d M d M d M d M d M
1/2 13 132.7 13 132.7 13 132.7 13 132.7 13 132.7 13 132.7 13 132.7 15
3/4 19 283.5 19 283.5 19 283.5 19 283.5 19 283.5 19 283.5 19 283.5 20
1 25 490.9 25 490.9 25 490.9 25 490.9 25 490.9 25 490.9 25 490.9 25
1-1/4 32 804.2 32 804.2 32 804.2 32 804.2 32 804.2 32 804.2 32 804.2 32
1-1/2 38 1134.1 38 1134.1 38 1134.1 38 1134.1 38 1134.1 38 1134.1 38 1134.1 40
2 49 1885.7 49 1885.7 49 1885.7 49 1885.7 49 1885.7 49 1885.7 42 1385.4 50
2-1/2 62 3019.1 62 3019.1 62 3019.1 62 3019.1 62 3019.1 62 3019.1 52 2123.7 65
3 74 4300.8 74 4300.8 74 4300.8 74 4300.8 74 4300.8 74 4300.8 62 3019.1 80
4 100 7854.0 100 7854.0 100 7854.0 100 7854.0 100 7854.0 100 7854.0 87 5944.7 100
5 127 12667.8 127 12667.8 127 12667.8 127 12667.8 127 12667.8 111 9676.9 92 6647.6 125
6 150 17671.5 150 17671.5 150 17671.5 150 17671.5 150 17671.5 144 16286.0 131 13478.2 150
8 201 31730.9 201 31730.9 201 31730.9 201 31730.9 201 31730.9 192 28952.9 179 25164.9 200
10 252 49875.9 252 49875.9 252 49875.9 252 49875.9 252 49875.9 239 44862.7 223 39057.1 250
12 303 72106.6 303 72106.6 303 72106.6 303 72106.6 303 72106.6 287 64692.5 265 55154.6 300
14 334 87615.9 334 87615.9 334 87615.9 334 87615.9 322 81433.2 315 77931.1 241 45616.7 350
16 385 116415.6 385 116415.6 385 116415.6 385 116415.6 373 109271.7 360 101787.6 274 58964.6 400
18 436 149301.0 436 149301.0 436 149301.0 436 149301.0 423 140530.5 371 108103.0 311 75964.5 450
20 487 186272.1 487 186272.1 487 186272.1 487 186272.1 471 174233.5 415 135265.2 343 92401.3 500
22 538 227328.8 538 227328.8 538 227328.8 538 227328.8 522 214008.4 457 164029.6 378 112220.8 550
24 589 272471.1 589 272471.1 589 272471.1 589 272471.1 570 255175.9 498 194781.9 413 133964.6 600
26 633 314700.4 633 314700.4 633 314700.4 633 314700.4 617 298992.4 540 229022.1 448 157632.6 650
28 684 367453.2 684 367453.2 684 367453.2 684 367453.2 665 347322.7 584 267864.8 483 183224.8 700
30 735 424291.7 735 424291.7 735 424291.7 735 424291.7 712 398152.9 625 306796.2 517 209928.3 750
32 779 476611.8 779 476611.8 779 476611.8 779 476611.8 760 453646.0 - - - - 800
34 830 541060.8 830 541060.8 830 541060.8 830 541060.8 808 512758.2 - - - - 850
36 874 599946.8 874 599946.8 874 599946.8 874 599946.8 855 574145.7 - - - - 900
38 925 672006.3 925 672006.3 925 672006.3 925 672006.3 - - - - - - 950
40 976 748181.4 976 748181.4 976 748181.4 976 748181.4 - - - - - - 1000
42 1020 817128.2 1020 817128.2 1020 817128.2 1020 817128.2 - - - - - - 1050
48 1166 1067792.7 1166 1067792.7 1166 1067792.7 1166 1067792.7 - - - - - - 1200
54 1312 1351940.4 1312 1351940.4 1312 1351940.4 1312 1351940.4 - - - - - - 1350
56 1360 145267.4 1360 145267.4 1360 145267.4 1360 145267.4 - - - - - - 1400
60 1458 1669571.1 1458 1669571.1 1458 1669571.1 1458 1669571.1 - - -   - - 1500

表2 阀门系数
阀门类型 液体 气体
400℃以下 400℃以上 400℃以下 400℃以上
平行式闸阀和弹性楔式闸阀或双闸板 0.25 0.3 0.35 0.45
刚性楔式闸阀 0.35 0.4 0.45 0.5
2″(50毫米)以上截止阀 1.15 1.15 1.15 1.15
2″(50毫米)以下截止阀 1.5 1.5 1.5 1.5

如果不知道阀门上游最大最压力P1值(如管道压力不大于6.89MPa时,阀杆载荷f2可忽略不计),可取表1中压力值(MPa)来进行计算。

f3——阀杆填料摩擦力,具体数据见表4,(N)牛顿。

表4 填料摩擦推力和转矩以及阀杆的活塞效应
摩擦推力
(升降杆)
阀杆直径 1〃(25毫米)
以下
1〃~2〃
(25~50毫米)
2〃(50毫米)
以上
推力 4450牛顿 N 6670牛顿 N 11120牛顿 N
活塞效应
(眀杆阀阀杆载荷)
如果管道压力超过6.897MPa,应加入介质对阀杆的推力(活塞效应),介质对阀杆的推力=管道压力×阀杆面积(通过填料压盖处)
摩擦转矩
(旋转杆)
摩擦转矩=摩推力×阀杆半径(在填料压盖处的半径)

注:(1)填料给升降阀杆增加摩擦推力。给旋转阀杆增加转矩。

(2)管道压力作用于阀杆(通过填料压盖处)的截面积上,有开启阀门的趋势。对于管道压力在6.897MPa以上的明杆闸阀,这个活塞效应的影响是很大的。

(3)对于截止阀,阀杆面积已包括在阀瓣面积中,所以活塞效应可以忽略。

3.扭矩

扭矩是一个转动的力,闸阀和截止阀的阀杆通过驱动螺母上30°的梯形螺纹,驱动阀杆作升降运动。扭矩是由阀杆的推力转化而来的,它是利用螺纹的机械旋转产生直线运动,阀杆系数有通过梯形螺纹把阀杆推力转换为扭矩的作用,即通常我们所讲的梯形螺纹的摩擦半径。一旦获得阀杆推力,就可以通过公式(2)计算得到扭矩值。

扭矩=阀杆推力×阀杆系数M= F×阀杆系数 (2)

M——扭矩,N·M(牛顿·米)

阀杆系数,见表5。

反之,知道扭矩,也可以通过上面的公式计算阀杆推力。

表5 梯形螺纹的阀杆系数
阀杆尺寸
直径×螺距
阀杆系数 阀杆尺寸
直径×螺距
阀杆系数 阀杆尺寸
直径×螺距
阀杆系数
19.0×6-s 0.0020104 44.4×4-s 0.0042389 76.2×2-s 0.0071362
19.0×5-s 0.0021191 44.4×3-s 0.0045084 79.4×2-s 0.0075602
22.2×6-s 0.0022543 47.6×3-s 0.0047531 82.6×2-s 0.0075912
22.2×5-s 0.0026088 50.8×4-s 0.0047310 88.9×2-s 0.0080442
25.4×5-s 0.0028519 50.8×3-s 0.0049988 95.2×2-s 0.0085020
28.6×5-s 0.0030155 54.0×3-s 0.0051133 101.6×2-s 0.0089629
28.6×4-s 0.0030983 57.2×3-s 0.0053531 108.0×2-s 0.0094228
31.8×5-s 0.0032610 60.3×3-s 0.0055878 114.3×2-s 0.0098851
31.8×4-s 0.0035069 63.5×3-s 0.0058234 127×2-s 0.0107980
34.9×4-s 0.0037523 66.7×3-s 0.0060619    
31.8×4-s 0.0042747 69.8×3-s 0.0062988    
43.3×3-s 0.0042389 73.0×3-s 0.0065351    

注:(1)表中阀杆系数为单头螺纹系数,单位N·m/N。

①对于暗杆阀,阀杆系数要乘以1.5;

②对于水闸,阀杆系数要乘以1.25,并确保估算的推力至少为阀门重量的3倍。

(2)表中6—S表示每英寸6牙,以此类推。

(3)对于29o 梯形螺纹的阀杆系数由公式DFL/2×(cosΨtgα+μ)/(cosΨ-tgα×μ)求得。其中,DFL=名义直径D-O.5×螺距;梯形螺纹牙形角Ψ=14.5o,摩擦系数μ=O.15;tga=导程/πDFL。

4.手轮圆周力

有些闸阀、截止阀是通过手轮操作来实现阀门的开启和关闭,而标准也对施加在手轮轮毂边缘上的力作出了规定。利用上面计算得到的扭矩,通过公式(3)可以计算到手轮上的圆周力,并可以判定其是否符合标准要求,或手轮大小选择是否合理。

手轮圆周力=阀门扭矩/手轮半径 Fs=M/R (3)

Fs——手轮圆周力,牛顿(N);

R——手轮半径,毫米mm。

5.应用示例

有一AP1600弹性楔式闸阀,通径为DNl50,管道压力为PN5.OMPa(压力等级CLASS300),蒸汽阀门,求阀门操作扭矩及手轮圆周力。

(1)计算推力

A:查表l,查得阀门的阀座孔面积为17671.5mm2

B:取压差

阀门工作的恶劣情况是全管道压力下开启,故压差取5.0MPa;

C:查表2得阀门系数为0.45;

由上可计算阀座上的推力f1=17671.5×5.0×0.45= 39760.88N

D:查表3,得阀杆直径31.8,计算f2=(31.8)2×3.14/4×5.0=3969.12N(如管道压力不大于6.89MPa时,可不加入介质对阀杆的推力,因为此管道压力为5.0MPa,故不加。)

E:查表4,得阀杆填料摩擦力,f3=6670N;

F:由上得阀杆推力F= 39760.88+6670=46430.88N。

(2)计算扭矩

A:查表5得阀杆系数0.0032610;

B:扭矩M=46430.88×0.0032610=151.4NM。

(3)计算手轮圆周力

假设阀门手轮直径457mm,手轮半径R=457/2=228.5mm=0.2285m;

手轮圆周力=151.4/0.2285=663N;

附单位换算:1in=25.4mm;

1lbf/in2=0.006894757MPa=1psig:

1lbf=4.44822N。

6.结束语

笔者在实际工作中体会到,主要是应对招投标的技术支持,特别是在外贸技术支持这方面,由于国外客户或招标文件对阀门参数及数据要求比较具体,按照上述简易计算公式,得到的结果比较正确,实际应用效果比较好;工作效率也得到了一定的提高,实用性比较强。在此,笔者愿与行业同仁共同分享!

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