闸阀支架的计算与优化考虑

1.立柱横梁式支架

（1）截止阀、调节阀支架 立柱横梁的螺纹部分截面如图3-103b所示。其截面积A_c按式（3-68）确定：

式中，A_c为立柱顶端螺纹心部的截面积（mm²）；F_T为阀杆总轴向力（N）；[σ]为材料的许用应力（MPa）。

阀门在关闭过程中，两立柱的顶端螺纹受拉，而在开启过程中，支柱横梁下面的平直部分受压。这部分直径大小可以不予计算，因为支柱中部的圆的直径，比顶部螺纹部分要大得多，其强度足够。

横梁由两支柱支撑，在中心最大轴向力F_T的作用下，它受弯曲应力和切应力。

确切地说，载荷并不通过“横梁”的几何中心，而是作用在驱动螺杆的外径d₃的圆周上，如图3-103a所示。如果横梁上的螺母是锒套的，甚至还要偏远些，如图3-103b所示。

横梁的有效宽度按式（3-69）计算：

式中，b_o为横梁的有效宽度（mm）；L为螺栓孔轴线之间的距离（mm）（图3-103a）；h为横梁的厚度（mm），由所需的螺纹旋合长度确定。

螺纹旋合长度H_T（图3-103），按式（3-70）计算：

式中，H_T为螺纹旋合长度（mm）；t_s为螺纹的螺距（mm）；[p_b]为螺纹螺旋旋合表面上的许用比压（MPa），推荐[p_b]=7MPa；d₃为螺纹大径（mm）；d₄为螺纹根部直径（mm）。

无论螺纹是直接在横梁上，还是在镶套上，H_T都是螺纹旋合长度。假如是在镶套上，则横梁厚度h小于H_T。考虑反复使用后的磨损，H_T的最小值不能小于d₃+6mm。

（2）闸阀支架 图3-109所示为闸阀常用的立柱横梁式支架。

1）立柱上部根径按式（3-71）计算：

式中，d_c为立柱上部根径（mm）；F_A为阀杆总轴向力（N）；n_p为立柱数量，一般为2根，在高压大口径阀门中，有时采用4根立柱；[σ]为应用应力（MPa）。

2）横梁中心处的有效深度按式（3-72）计算：

式中，d_x为横梁中心处的有效深度（mm）；L为螺栓孔轴线之间的距离（mm）；b_x为横梁中心处的有效宽度（mm）。

图3-109 闸阀的立柱横梁式支架

2.整体支架的计算

整体支架包括阀杆螺母式支架及法兰连接式支架。其受力情况比较复杂，可将其作为超静定的固定桁架，在其中间部分受到阀杆轴向力F_z′的作用来计算。

（1）闸阀支架 其闸阀支架的典型结构如图3-110所示。必须分别检验Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ、Ⅲ—Ⅲ截面处的应力。

1）Ⅰ—Ⅰ截面处的合成应力按式（3-73）校核：

σ_∑Ⅰ=σ_WⅠ+σ_LⅠ+σ^N_WⅠ≤[σ_L] （3-73）

式中，σ_∑Ⅰ为Ⅰ—Ⅰ截面的合成应力（MPa）；σ_WⅠ为弯曲应力（MPa）；σ_LⅠ为拉应力（MPa）；σ^N_WⅠ为力矩引起的弯曲应力（MPa）；[σ_L]为材料的许用拉应力（MPa）。

①σ_WⅠ按式（3-74）计算：

式中，M_Ⅰ为弯曲力矩（N·mm）；W^y_Ⅰ为Ⅰ—Ⅰ断面对y轴的截面系数（mm³），按表3-43计算。

M_Ⅰ按式（3-75）计算：

式中，l为框架两重心之间的距离（mm）；I^x_Ⅲ、I^y_Ⅲ分别为Ⅲ—Ⅲ截面对x轴和Ⅱ—Ⅱ截面对y轴的惯性矩（mm⁴），按表3-43计算；H为框架高度（mm）；

图3-110 闸阀支架

l按式（3-76）计算：

l=l₁+2x₂ （3-76）

式中，x₂为框架形心位置，根据截面形状按表3-43计算。

②σ_LⅠ按式（3-77）计算：

式中，A_Ⅰ为Ⅰ—Ⅰ截面的面积（mm²），按表3-43计算。

③σ^N_WⅠ按式（3-78）计算：

式中，M^N_Ⅲ为力矩（N·mm）；W^x_Ⅰ为Ⅰ—Ⅰ截面对x轴的截面系数（mm³），按表3-43计算。

M^N_Ⅲ按式（3-79）计算：

式中，M_FJ为阀杆螺母和支架间的摩擦力矩（N·mm）。

2）Ⅱ—Ⅱ截面的合成应力按式（3-80）校核：

σ∑Ⅱ=σWⅡ+σLⅡ≤[σ_L]（3-80）

计算方法与Ⅰ—Ⅰ截面相同。

3）Ⅲ—Ⅲ截面的弯曲应力按式（3-81）校核：

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式中，M_Ⅲ为Ⅲ—Ⅲ截面的弯曲力矩（N·mm）；W^x_Ⅲ为Ⅲ—Ⅲ截面对x轴的截面系数（mm³），按表3-43计算。

表3-43 截面的特性

注：，表示弧度。

M_Ⅲ按式（3-82）计算：

（2）截止阀、节流阀支架 其典型结构如图3-111所示。必须分别检验Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ、Ⅲ—Ⅲ、Ⅳ—Ⅳ截面处的应力。

1）Ⅰ—Ⅰ截面的合成应力 按式（3-83）校核：

σ_∑Ⅰ=σ_WⅠ+σ_LⅠ+σ^N_WⅠ≤[σ_L] （3-83）

式中，σ_WⅠ为弯曲应力（MPa）；σ_LⅠ为拉应力（MPa）；σ^N_WⅠ为力矩引起的弯曲应力（MPa）。

①σ_WⅠ按式（3-84）计算：

式中，M_Ⅰ为弯曲力矩（N·mm）。

M_Ⅰ按式（3-85）计算：

图3-111 截止阀、节流阀支架

②σ_LⅠ按式（3-86）计算：

③σ^N_WⅠ按式（3-87）计算：

式中，M^N_Ⅰ为力矩（N·mm）。

M^N_Ⅰ按式（3-88）计算：

2）Ⅱ—Ⅱ截面的合成应力按式（3-89）校核：

σ_∑Ⅱ=σ_WⅡ+σ_LⅡ+σ^N_WⅡ≤[σL] （3-89）

式中，σ_WⅡ为弯曲应力（MPa）；σ_LⅡ为拉应力（MPa）；σ^N_WⅡ为力矩引起的弯曲应力（MPa）。

①σ_WⅡ按式（3-90）计算：

式中，M_Ⅱ为Ⅱ—Ⅱ截面弯曲力矩，M_Ⅱ=M_Ⅰ。

②σ_LⅡ按式（3-91）计算：

③σ^N_WⅡ按式（3-92）计算：

式中，M^N_Ⅱ为力矩（N·mm）。

M^N_Ⅱ按式（3-93）计算：

3）Ⅲ—Ⅲ截面的弯曲应力按式（3-94）校核：

式中，M_Ⅲ为Ⅲ—Ⅲ截面的弯曲力矩（N·mm）。

M_Ⅲ按式（3-95）计算：

4）Ⅳ—Ⅳ截面的合成应力按式（3-96）校核：

σ_∑Ⅳ=σ_WⅣ+σ_LⅣ≤[σ_L] （3-96）

式中，σ_WⅣ为Ⅳ—Ⅳ截面弯曲应力（MPa）；σ_LⅣ为Ⅳ—Ⅳ截面拉应力（MPa）。

①σ_LⅣ按式（3-97）计算：

②σ_WⅣ按式（3-98）计算：

式中，M_Ⅳ为Ⅳ—Ⅳ截面弯曲力矩（N·mm）。

M_Ⅳ按式（3-99）计算：