机电一体化论文三通换向阀设计.doc

准考证号： 本科生毕业论文（设计） 三通换向阀的设计、应用与控制学 院： 江西科技学院 专 业： 机电一体化技术 班 级： 学生姓名： xxx 指导老师： 黄 雁 彬 完成日期： 2014年4月10日 本科论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 本科论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日江西科技学院本科生毕业论文（设计）摘 要以双气缸三通换向阀为例，介绍了如何以最少的钢铁材料和最小的阀门体积，以及如何选用合适的材料和结构形式来进行三通阀设计。对三通换向阀在蓄热式加热炉上应用中存在的问题进行分析，并就存在的问题采取了相应对策，确保了加热炉能力的正常发挥和安全运行。三通换向阀作为蓄热式加热炉稳定运行的关键设备之一，控制烧嘴的切除与投入，对其加热工艺的执行、设备的稳定和加热炉安全生产起到至关重要的作用。本文从三通换向阀的工作原理、使用现状和常见故障等方面进行简单介绍，阐述了换向阀的控制系统。关键词：三通换向阀；设计；维护及应用；控制；电磁阀；蓄热式加热炉18AbstractTaking the double cylinder three-way diver valves as an example, the way of three-way valve design with the fewest steel materials, the smallest valve size, the proper material and structure form was introduced.The paper analyzed the existing problem in the application of three-way reversing valve of the regenerative reheating furnace and the correspondence measures were adapted to assure the capacity of reheating furnace and safety operation.Three-way reversing valve as one of the crucial instrument ensures regenerative reheating furnace steady working It controls bumers removal and plunging which plays important roles in implementing heating technology , equipment steady working and safe production of reheating fumace . This article explains the significance of reversing valve by virtue of the brief introduction of three-way reversing valve function principle and common malfunctions.Key Words: three-way reversing valve; design; maintenance and application; control; electro magnetic valve; regenerative reheating furnace 目 录第一章 引 言11.1三通换向阀的概述11.1.1三通换向阀的概念11.1.2三通换向阀的使用目的11.2三通换向阀的应用与控制11.2.1三通换向阀的应用11.2.2三通换向阀的控制1第二章 三通换向阀的工作原理及组成22.1三通换向阀的工作原理及PLC控制系统22.1.1三通换向阀的工作原理22.1.2三通换向阀的PLC控制系统22.2三通换向阀的结构组成与装配52.2.1三通换向阀的结构组成52.2.2三通换向阀的装配6第三章 三通换向阀的设计依据和动力气缸的设计方法103.1三通换向阀的设计依据103.2三通换向阀动力气缸的设计方法13第四章 三通换向阀的使用环境、抗腐和密封154.1三通换向阀的使用环境154.2三通换向阀的抗腐和密封15第五章 三通换向阀的常见故障及处理165.1三通换向阀机械部分的损坏与电气自动化故障165.2 三通换向阀的故障处理及维护16第六章 结论与展望17参考文献18致谢19第一章 引 言1.1 三通换向阀的概述1.1.1 三通换向阀的概念三通换向阀是一种应用于蓄热式工业窑炉上的一种烟气与空气（或气体燃料）的换向装置。1.1.2 三通换向阀的使用目的钢坯在以煤气为燃料的加热炉中加热时,三通换向阀是用以控制煤气、空气、送入炉内燃烧和排出炉内燃烧烟气的一种阀门,它共有三个导入和导出的接口，使用中每一个阀门的二个相通的接口是交替使用的，因为加热炉两侧面的烧嘴是交替使用的，于是三通阀就起了进排气交替使用的目的。1.2 三通换向阀的应用与控制1.2.1 三通换向阀的应用三通换向阀作为保证蓄热式加热炉正常运行的关键设备之一, 主要影响到燃料的供给量、废气的排出及温度、炉子的安全、加热坯料的能力及质量等, 对加热工艺的执行、烧钢质量起至关重要的作用。1.2.2 三通换向阀的控制换向系统是蓄热式加热炉上一个关键控制系统,具有定时换向、超温报警、顺序动作、自动保护、自动调节等一系列功能。三通换向阀控制HM I可实现所有换向阀的阀位显示、换向操作和故障时的声、光报警、显示故障点等功能。第二章 三通换向阀的工作原理及组成2.1 三通换向阀的工作原理及PLC控制系统蓄热式加热炉的特点就是频繁换向, 通过换向阀实现空气、煤气、烟气3种介质的同时换向。了解三通换向阀的结构及工作原理, 掌握其性能, 这样才能正确使用和维护换向阀, 确保其正常工作。2.1.1 三通换向阀的工作原理蓄热式加热炉两侧每个燃烧单元由烧嘴、蓄热体和切换系统组成，蓄热体在烧嘴之前给气体预热。一侧气体经蓄热体加热在烧嘴后燃烧，给钢坯加热; 另一侧烧嘴充当排烟角色, 同时加热蓄热体。结合加热炉的炉型特点和现场环境，为顺利实现换热功能，使用三通换向阀构成燃烧和排烟系统。三通换向阀的结构如图 2-1 三通换向阀工作原理图所示。 图 2-1 三通换向阀工作原理图三通换向阀为常闭式双阀结构, 立式双列布置, 即每组三通阀配有两个双缸控制阀形成三通道, 故名三通换向阀。其中一侧为空气(煤气)入口, 通入燃烧气体; 另一侧为废气出口, 用于排烟及调节炉压, 同时加热蓄热体; 下侧与烧嘴蓄热室相连。2.1.2 三通换向阀的PLC控制系统三通换向阀使用压缩空气作动力源, 开关阀杆由气缸控制。通过PLC 的DO 模块输出的24 VDC 电源控制单电控二位五通电磁阀的得电和失电, 从而控制气源的通断, 在阀瓣周围形成上低下高或上高下低的压差, 推动关闭件移动, 打开和关闭阀门。为准确知道三通阀的开关到位情况, 换向阀每个气缸支架上均配置有到位接近开关, 通过D I模块将三通换向阀的到位情况反馈到PLC 控制系统中, 用于在HM I上显示三通换向阀的启闭位置, 及时了解换向系统是否正常工作, 及时判断故障。交替使用的，于是三通阀就起了进排气交替使用的目的。整个控制系统由上位机PC 机( HM I)、下位机PLC、传感器(输入部分)、电磁换向阀(控制部分)和气动执行元件部分等组成, 通过输出24 VDC 电源控制电磁换向阀的得电与失电, 从而接通气路通道对气动执行元件进行控制, 实现换向。三通阀换向程序中设定自动状态下定时换向,分散控制则每段内换向阀换向完全错开, 实行每一加热段内三通换向阀顺序打开和关闭的原则。通过一个控制字节来完成每段烧嘴的顺序换向, 每隔一定时间打开或关闭一个烧嘴, 而集中换向则只需要控制大三通的开/关即可。分散控制程序如图 2-2 三通换向阀分散控制程序图所示： 图 2-2 三通换向阀分散控制程序图上述程序中, b it1为每秒产生的脉冲信号, 作为times每秒钟自累加触发信号, 则times每秒钟累加一次, 当times与设定的换向周期time set相等时, 三通阀开始换向并将times置0重新计数, b it 2是产生周期1. 5 s的脉冲信号, 每隔1. 5 s依次顺序打开一侧换向阀。通过控制换向阀的动作, 使进入炉内的煤气和空气经过蓄热室加热, 成为热的燃气, 提高燃烧效率。从炉内排出的烟气的热量被蓄热室内陶瓷球吸收, 排出的烟气温度低于150 , 从而减少能源流失, 达到节能目的。并且通过煤气侧及空气侧的循环燃烧, 使炉内温度稳定, 钢坯温度均匀, 有利于安全稳定的生产。三通换向阀的部分控制程序如图 2-3 三通换向阀的部分控制程序图所示：图 2-3 三通换向阀的部分控制程序图上述三通换向阀的程序中, 输入信号有换向阀切除/投入和自动/手动转换。三通阀的进气侧、排气侧关到位检测信号, 手动打开换向阀(自动由程序内部根据换向周期及换向条件自动控制阀门的开关), 手动关闭换向阀, 温度连锁强制换向; 输出信号为进气侧、排气侧的阀门控制, 换向阀通过二位五通双控电磁换向阀的得电与失电控制气路的接通与断开来实现。三通换向阀的控制程序同时设有换向连锁、数值检测、报警、故障显示、急停等安全保护功能。换向连锁条件是: 开始时先通空气, 后开煤气; 换向时先关煤气, 后排烟气。系统运行过程中, 如果出现煤气通断阀开不到位或空气换向阀开不到位时, 系统自动关断煤气通断阀, 同时, 蜂鸣器报警, 上位机画面上各加热段状态图中显示相应阀位/开不到位0或/ 关不到位0, 并有开/关不到位故障指示, 操作人员通过故障指示及时找到故障阀, 并采取相应的处理措施, 可避免在换向过程中因阀开关不到位引起的各类安全问题。在控制上要求换向为进气时, 排烟侧关闭到位或排烟侧关闭命令发出1 s之后方可进行; 同理排烟时进气侧关闭到位或进气侧关闭命令发出1 s之后方可进行, 避免进气与废气相混。2.2 三通换向阀的结构组成与装配2.2.1 三通换向阀的结构组成三通换向阀主要由阀体、气缸、阀杆、阀瓣、阀盖、密封圈、电磁阀等构成。通过电磁阀控制两台气缸交替工作, 带动两个阀瓣交替开启和关闭。换向阀工作过程中空气、煤气不能与烟气相串混, 因此换向阀的密闭性要好。 2.2.2 三通换向阀的装配三通换向阀的总装配由以下零件图组成：阀体、阀盖、气缸总成、销轴一、叉头、阀杆、阀杆导向、销轴二、阀杆头、阀瓣压板、阀瓣、密封圈压环、密封圈。在装配之前，每个零件必须符合图纸加工工艺要求，装配后在制造厂内进行试车运行，以保证设备正常使用。三通换向阀实物图如图 2-5 所示。 图 2-5 三通换向阀实物图图 2-6 三通换向阀装配图三通换向阀的装配图如图 2-6 三通换向阀装配图所示。其中阀体、阀盖、阀瓣为焊接件，焊接产品按照焊接技术通用条件JB/T5000.3-1998制造和验收（对接焊缝质量评定等级：BS；角焊缝及其它焊缝质量评定等级：BK；尺寸公差精度等级：B：角度公差精度等级：B；形位公差精度：F)，所有盲孔不允许加工成通孔，采用 E50焊条连续焊接(未注双面、45°焊缝), 焊脚高度为被焊接件的最薄厚度。阀体结构件制作完毕后，对阀体充水，进行压力试验；实验压力为 0.5MPa，保压时间为1小时，不允许有任何可见泄漏，且不许有压降现象可见。阀盖和阀瓣内孔为焊后加工。阀杆采用20#锻造，锻造成品必须符合锻件通用技术条件JB/T5000.8-1998之规定，正火处理。图 2-7 三通换向阀阀体图图 2-8 三通换向阀阀杆图图 2-9 三通换向阀阀瓣图图 2-10 三通换向阀阀盖图在此毕业设计中只说明示意出三通换向阀的阀体（图 2-7 三通换向阀阀体图）、阀杆（图 2-8 三通换向阀阀杆图）、阀瓣（图 2-9 三通换向阀阀瓣图）、阀盖（图 2-10 三通换向阀阀盖图）几个主要零件，具体详见毕业设计图纸。 第三章 三通换向阀的设计依据和动力气缸的设计方法3.1 三通换向阀的设计依据阀门设计的主要出发点以进口口径为依据。要设计一个阀门， 最重要的是气体在阀门内通过时的压力损失要尽可能小， 阀门的体积也要尽量小，即可用的材料要最省，同时要能抗腐、耐磨、耐温，用的动力要尽量的小，能达到这样的阀门，则设计是较为合理的。气流自进气口直至出气口， 如果能很平稳地流过，则它的压力损失将可达到最低，那么在阀门内的各通过口直径应该都一样大小， 但如果是这样，则阀门的体积比较大。为了要节约材料，应尽量减小体积，从阀门的结构型式看，唯一可以做的是将内部密封口处缩小，由此减小阀门其他部位的尺寸，但缩小后的密封口将使气体通过时形成湍流，增加了阻力系数， 要使密封口处的阻力系数不是增加很大，而同时又能缩小阀体的尺寸，这是设计中的要点。 图 3-1 气体在管道中流经孔板时的阻力系数以进出口为基础，则密封口的面积和进出口面积的比值对阻力系数的关系是重要的，根据气体流动时的流动特点，在管道内各种不同条件下的流动结果，见图 3-1 到图 3-5。由图 3-1 可见，密封口与进口面积之比对阻力系数的相对关系是一曲线关系，当密封口面积对进出口面积比的比值大时，即二口径的大小很接近时，阻力系数很小，但当面积比小时，阻力系数就成倍地增长，但要减小阀门体积，这个比值很有关系，从图 3-1 中可以看出面积比在0.7 以上时阻力系数很小，不到1， 当面积比在0.6 以下时阻力系数很快上升，所以密封面处开口不能收缩得太小，据此，设计中采用了0.7 以上，平均以0.75 计，密封口的面积缩小为进气口面积的75%时， 形成湍流的阻力系数很小，这样的阀门的体积可以得到一定的减小， 而气体通过阀门时不会引起阻力的很大增加。图 3-2 气体在管道中流经管径突然扩大时的阻力系数图 3-3 气体在管道中流经管径突然缩小时的阻力系数按照阀体结构布置的需要，其他各处形成的阻力系数的曲线图见图 3-2 到图 3-5 ，按照阀门图形设计要求做出的尺寸，其体积扩大和缩小的结果，有关的比数均在较低的数值，从图 3-2 到图 3-5可以看出，阻力最大也不超过1。由此看来，阀门中形成阻力最大的是密封口处面积的大小，是气流形成湍流时所造成的阻力，掌握了此处的尺寸就能得到较理想的阀门设计。图 3-4 气体在管道中流经逐渐扩大时的阻力系数图 3-5 气体在管道中流经逐渐缩小时的阻力系数阻力损失的计算公式，参照气体在管道内流动时：式中：局部阻力损失，MPa只要各处阻力系数K 的数值控制在较低的数值时， 总的阻力损失就将是较低的。3.2 三通换向阀动力气缸的设计方法三通换向阀的密封处使用动力气缸将阀瓣压紧在基座上达到密封，动力气缸的使用有两个目的，一个是当要求密封时需由动力气缸的压力将阀瓣压紧而密封住，不能被气体所冲开；第二个目的是当阀瓣被阀内气体压住而密封紧时， 要用气缸的力量将其打开，这样左右二个密封处能够得到交替使用，轮换通道，三通换向阀就能灵活地交替使用。要打开或封紧密封口，所需要的最小力F是阀内气体对阀瓣上的总压力加气缸拉起的阀瓣等总重量。 式中：打开或封紧密封口所需的最小力（N）压强（Pa）S受力面积（）G重力（N）m质量（kg）g重力系数（9.8N/kg）如考虑现场情况，有时压缩空气压力的波动或输送路线较长时会引起过大的压力降，为保证生产条件下能正常运转，设计时考虑以1.5 的系数加以保险。以毕业设计中三通换向阀(DN350)为例:装配图中阀口直径为350mm,阀瓣直径为400mm，气缸拉起的阀瓣等总重量62 kg,管道高炉煤气压力5-12KPa,气缸的压缩空气压力0.4MPa。阀瓣打开时阻力： 阀瓣压紧时阻力： 所以，选用气缸最小输出力应大于3172.2N。根据动力气缸制造厂提供的气缸理论输出力表的说明，在实际选用中，表中的理论输出力应乘以0.8 系数后再选用。因此，在毕业设计三通换向阀中选用缸径125mm，杆径32mm的气缸。气缸压紧侧输出力: 气缸拉侧输出力: 因为气缸压紧侧输出力和拉侧输出力均大于阀瓣打开时阻力和压紧时阻力，所以选用缸径125mm，杆径32mm的气缸符合此三通换向阀的工作需求。 第四章 三通换向阀的使用环境、抗腐和密封4.1 三通换向阀的使用环境三通换向阀是用于气体燃烧后烟气经蓄热体后的场合，气体通过时温度比较高，根据现场情况，气体压力，煤气为500012000 Pa，空气为1000012000Pa ，烟气温度不高于300 ，在这样的环境下，三通换向阀的材料需耐受温度300 以上及气压12000 Pa 以上，煤气和烟气中有腐蚀性成分，故又需耐腐蚀，同时烟气或煤气中细小颗粒的粉尘对运动部分的材料有粘附和摩擦作用， 凡此种种在设计中需要加以考虑。4.2 三通换向阀的抗腐和密封煤气或烟气中含有某些腐蚀性物质,所以在通过密封处时，在较高温度下对阀体材料有腐蚀作用，普通的碳素钢在短时期内就会氧化腐蚀坏，所以在活动板和阀体与活动板相接触处均需要用耐腐蚀的不锈钢材料， 采用ICr18Ni9Ti、35# 或ICr13 材质的不锈钢，均可得到满意的结果。密封处因气体温度在300 以下， 所以用氟橡胶为密封条的弹性密封，密封的效果比较理想，但希望气体中含杂质较少，杂质多了易粘附和堵塞密封处或将密封条磨损坏，形成泄漏。其他与气缸杆等摩擦处密封可用聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯，改性聚四氟乙烯的性能优于聚四氟乙烯。如果气体温度>300 ，氟橡胶的密封条无法长期承受高温，会产生密封破坏，那么就应采用较韧性材料的硬密封措施。 第五章 三通换向阀的常见故障及处理5.1 三通换向阀机械部分的损坏与电气自动化故障三通换向阀在工作时, 环境温度可达150 左右, 常出现阀板密封圈烧坏、脱落、气缸漏气、阀体无动作等现象, 开/关不到位。如果阀体关不到位, 会出现一直抽废气现象, 引起空气、煤气的流失, 影响加热炉加热温度和加热质量, 使蓄热室排烟温度超高, 造成该支管路温度升高,如果长时间可能烧红该支管路和三通阀的进一步损坏。阀体卡死。因出现杂质, 或是由于煤气中含有的H2 S, 燃烧后形成SO2 和H2O, 具有腐蚀性, 同时H2O高温下又能与铁反应, 长期使用腐蚀阀体, 产生杂质,杂质进入轴与轴套之间, 卡死阀门。气源压力不稳。三通换向阀使用压缩空气做动力源,气体中的杂质容易造成气孔堵塞或气压不稳使气压下降而无法打开阀门。另外, 电磁阀本体漏气, 压缩空气不能进入气缸, 也无法开关阀门。电气故障。因现场的高温环境, 出现供给电磁阀的24 VDC控制线烧毁, 出现短路现象, 无法打开电磁阀; 另外, 有时因信号线烧毁, 在操作界面上错误显示三通换向阀的工作状态, 应及时更换损坏的信号线, 以免真正出现故障而无法知道。电磁阀线圈消磁或者烧毁, 电磁阀无法正常工作。接近开关损坏, 在高温下电磁阀和行程开关元件极易受损而出现故障, 对三通换向阀的工作状态误报。5.2 三通换向阀的故障处理及维护平时做好三通换向阀的巡检工作, 发现问题及时解决。操作工在使用过程中, 多加注意, 勤于观察三通换向阀, 出现故障及时与专业人员联系。做好日常维护, 对于有损害的部件及时更换, 不要等到无法使用时再更换。利用换辊、设备检修等特殊时间对三通换向阀进行检查更换, 利用停炉时间, 操作工、电气人员、自动化人员、机械人员对三通换向阀做全面检查, 包括程序、线路、机械部件, 对易损部位、易损件检查, 发现问题及时修复或更换。 第六章 结论与展望1经过毕业设计对三通换向阀的设计、应用与控制有了更深的了解。同时又熟悉了Word软件和AUTO CAD软件的操作使用。通过这次设计使我对机械设备知识有了一个系统的概念，也体会到做事耐心和仔细的重要性。2机电设备设计是一个实践性很强的工作，需要一定的经验。由于自己经验缺乏，在设计的过程中难免会出现疏漏和错误的地方，这就需要自己查阅相关书籍手册并请教老师同学来解决问题，从而培养了自己思考和解决问题的能力。 3经过这近三个月的条件，毕业论文终于告于段落，在这期间有过辛酸，有过幸福。曾经为了画一幅机电设备图纸而整天闭门不出，有时为了一个小小的设计理念而和同学争的面红耳赤，当你接触机械，你会发现它是如此的神奇。可当你认真的去研究，你会发现你的知识是那么的缺乏，然而当你终于懂得机电设备运动的过程，你又会欣喜若狂。4在设计的过程中，你才明白设计者的艰辛，他们要不停的审核，不停的修改。有时为了能把这个思路延续下去，甚至彻夜未眠，在设计的期间，我才明白细节的重要性，我才明白知识的力量。5在设计过程中，由于要查相关的资料，所以经常去图书馆和阅览室，而且时不时的去老师办公室问问关于机电设备的相关设计，并且通过网络查一些设计流程。还和一些在机械制造厂做过的同学相互交流一下知识。希望自己的设计不单是在理论上可行的，而且在实际上也是可行的。在设计过程，也得到了朋友的支持和帮助，这让我们的友谊更加的深厚，它将成为我人生的财富。 参考文献1 闻邦椿，陈良玉，巩云鹏等. 机械设计手册M.第2卷.第5版.北京，机械工业出版社，2010.2 闻邦椿，宋锦春，张义民等. 机械设计手册M.第4卷.第5版.北京，机械工业出版社，2010.3 闻邦椿，柳洪义，刘杰等. 机械设计手册M.第5卷.第5版.北京，机械工业出版社，2010.4 王秉铨，宋湛苹，孙昌楷等. 工业炉设计手册M.第3版.北京，机械工业出版社，2010.5 李香玲，胡安政，杨俊益等. 三通换向阀在蓄热式加热炉上的应用J.河南冶金，2006，14（3）：48-49.6 童庆年. 蓄热式加热炉换向阀故障诊断与维护J.工业炉，2005,27（3）：20-23.7 虞洪述，徐伯康，高镇等.机械制图M.第2版.西安，西安交通大学出版社，2000.8 董海森，蔡汉跃. 机械制造技术M.北京，机械工业出版社，2001.9 余桂英，郭纪林. AutoCAD 2006中文版实用教程M.大连，大连理工大学出版社，2006. 致 谢本次设计是在指导老师黄老师的悉心指导下完成的，在一些关键性的问题上给了我许多宝贵的意见和建议；其次要感谢同学的无私帮助，他们在论文的编辑和绘图方面给了我好大的帮助。转眼间，近三个月的毕业设计即将结束。本次毕业设计能够如期的顺利完成，得益于指导老师的精心指导和同学的大力帮助。在这里我首先要衷心的感谢我的指导老师。黄老师以实践经验及严谨的治学态度，不厌其烦的对我进行细心的指导。并提供了不少宝贵的资料，同时又让我们学习新的软件，为我们今后学习工作积累了很多的经验。由于我的水平有限，理论联系实际的能力相当匮乏。在设计过程中难免有疏忽和缺点以及不足之处，希望各位老师批评指出，我一定虚心接受并改正。最后，谨以此文献给所有关心和帮助过我的人们！ 学生姓名：xxx 2014年 4 月 10 日