阀门设计基本理论研究与探讨

阀门设计是一个综合考虑工艺、装置、性能以及成本等要素的设计活动，工艺、装置是保证，功能是目的，性能以及成本是优化目标。只有综合考虑各种要素，才可设计出比较令人满意的设计方案。为了便利工艺完成，对产品类似结构特征，可以实施标准化设计，便于刀量夹具的借用。设计的装置要素即设计方案的多个零件能顺利完成拼装，相互拼装的零件要有装置面（内六角或者外六角等），尽量选用便于组装的零件结构（比方组装不需区分组装方向的对称结构等）。针对尺寸相近的零件，尽量做成共用件，便利管理；针对无法共用的零件，做出差异，防止混料。设计的功用要素即开发产品所完成的基本功用，例如截止、稳压、防止逆流、分流或溢流泄压等功用。此外，阀门产品应尽量操作简略，便于装置拆开以及保护替换，针对调节类阀门，还应设计防误操作功用。 
设计的性能因素即产品的使用安全性、可靠性，不会对使用者、使用环境造成损伤，具备一定的强度要求，比如机械性能（扭矩、弯矩）、耐压性能（低压、高压）、疲劳强度（冷热水循环、抗脉冲性、寿命）、环境模拟适用性等。设计的成本因素，即实现技术功能、满足预定技术性能要求的同时，尽量优化结构，用尽量少的零件个数实现产品结构特征，用尽量简单的加工工艺实现零件加工生产，降低工程造价和产品价格，对社会产生积极作用（避免环境污染，维护生态平衡，促进生产力发展）。 
2 阀门的设计 
2.1 壳体壁厚设计 
在对阀门承压壳体的设计过程中，需要设计人员充分考虑到阀门在实际运用过程中承受的最大压力值，并将最大值设计成壳体的耐压额定值，从而保证壳体设计的科学性和合理性。 
2.2 阀门阀体、阀盖密封结构设计 
2.2.1 强制密封 
强制密封结构，其设计的原理是：对法兰螺栓进行拧紧，对密封垫片产生一个压力，使垫片产生压缩变形，然后密封结构中表面的缝隙就会被填满，从而起到密封效果。 
2.2.2 伍德密封 
伍德密封结构，其主要由以下部分组成：阀体、浮动阀盖、密封环、密封垫、四开环、支承环、牵制螺栓。在其进行升压操纵之前，需要操作人员对螺栓进行预紧，使浮动阀盖上移，从而保证阀盖同弹性楔形垫之间形成密封力。当对密封件进行施压时，阀盖会有向上的趋势，此时，阀盖和楔形密封垫之间的密封比压会随着压力的增加而增加，最终达到预期密封效果。在阀体同密封环接触的地方，为了提高密封结构的硬性要求，可以采用堆焊硬质合金处理来达到相应的目的。 
2.3 密封副设计 
在阀座的设计过程中，软密封阀门的密封面一般采用橡胶、PTFE（或RPTFE）、尼龙或PEEK（聚醚醚酮）等材料作为密封材料，应保证阀门的设计密封比压不小于材料的密封比压。对硬密封阀门，其密封面需要采取堆焊或喷焊司太立（STL）处理，从而保证密封面的强度和使用性能。在对填料部分的设计过程中，设计人员最好采用柔性石墨夹不锈钢丝编制填料以适当增强填料，在一些特殊工况，应采用碟形弹簧加载的动负载结构。 
2.4 连接螺栓的设计 
第一，设计人员需要保证螺栓在工作环境下不会出现螺纹咬死的情况；第二，由于工作環境的特殊性，螺栓在设计时，最好选择粗牙型螺纹，并且还要加大螺纹的中径间隙；第三，为了避免螺栓在实际工作时，出现力相对较松弛的现象，设计人员在具体方案设计的过程中，需要保证剩余预紧力超出实际需求值，从而保证其连接稳固，必要时，可控制螺栓的旋紧扭矩。 
3 阀门设计中的几个关键技术 
3.1 热膨胀量 
在对阀门进行设计的过程中，尤其是高温阀门的设计，热膨胀是材料的一个重要物理现象，其膨胀量的大小直接决定了阀门是否能够有效工作，因此，设计人员需要将材料的热膨胀量以及零部件承受热载差别因素都考虑进去。同时，因为阀门不同部位的散热条件存在差异，因此其热膨胀量也是存在差异的。这就需要设计人员具体情况具体分析，并在阀门零件工作间隙变化的情况下，保证零件之间不会出现卡死、擦伤等情况，并最大限度减少高温对零件产生的损伤。 
3.2 热交变 
在设计人员进行实际设计的过程中，需要规定阀座和支撑件之间的接头为焊接或者是螺纹，保证其密封性。除此之外，大口径的阀门需要对阀座进行堆焊，从而避免同高温介质接触较多的阀门零件受到交变应力的影响而出现过度疲劳现象。同时，还应该将热交变情况对阀座结构以及效果评价的影响因素考虑进去，从而减少热交变对阀门设计的影响，延长阀门的使用寿命。 
总之，阀门设计时，应充分明确设计输入要求，确定产品型号，在产品设计时综合考虑各种因素，通过风险分析，优化产品结构，尽可能地减少或降低失效风险，提高阀门产品质量。 
参考文献： 
[1]张晓，余晓明，朱祥政等.球阀球体与阀杆一体化设计与分析[J].机械制造，2014（01）.