明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

明杆楔式单闸板钢制闸阀设计说明书

（设计型号：Z41H-40(DN200)闸阀）

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

任务书：

一、课题名称：系列阀门设计 ---机械设计及工艺 二、设计主要内容：

阀门作为管道系统中的一个重要组成部分，应保证安全可靠地执行管道系统对阀门提出的使用要求。其零部件结构和装配关系可以通过Ug软件来绘制阀门的三维零件图并进行装配，从而辅助完成阀门设计 。 (一).本次设计任务：

设计标准：根据标准GB12234《通用阀门法兰和对焊连接钢制闸阀》 设计系列：低压小口径系列闸阀

设计型号：Z41H-40(明杆楔式单闸板钢制闸阀)

介质工作压力为：PN4.0Mpa 公称通径要求：DN250mm 介质的工作温度：t420C。 操作方法：手轮直接操作。

与管道连接形式：法兰连接,采用GB9113.5标准。 管道介质：为水、油品。 (二)设计内容如下：

1．Z41H-40阀门结构设计

阀体、闸板、阀座、压盖、手轮、螺柱、六角螺母、活节螺栓、圆柱销等的结构设计 2．计算工作量

⑴.闸阀的密封副设计，以确定密封副的材料及宽度。 ⑵.阀体与阀盖的设计。

⑶.中法兰的设计，主要内容有：

确定法兰型式和密封面型式； 选择垫片材料型式和尺寸； 确定螺栓直径与数量。

⑷.阀杆的强度计算。 ⑸.阀杆的稳定性校核。

(三)、总体设计；Z41H-40阀门（PN4.0Mpa DN250mm）二、三维装配图 三、毕业设计基本要求

1．具有查阅文献、综合分析、合理选用标准的能力 2．熟练使用UG软件进行产品的零件、装配建模设计。 3．能独立拟定设计方案，编写设计说明书。

4．运用学过的理论知识，采用工程分析计算方法，完成设计中的计算工作。 5．翻译不少于5000 字的外文资料

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

四、课题的准备工作

1、阀门资料收集;

2、UG下阀门3D设计；

3、翻译不少于5000 字的外文资料; 五、毕业设计进度（按周计） 查阅资料，翻译并选型、实习 阀体，密封副，阀杆设计 支架，中法兰设计 填料压盖设计 装配图协同设计 校验，设计说明书 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 六、参考文献： 1、《机械工程手册》第14卷《通用机械》 作者：沈鸿 2、《中国机械工业标准汇编》阀门卷 -------中国标准出版社 3、《阀门设计手册》 杨源泉 --------机械工业出版社 4、《阀门制造工艺》 作者：沈阳阀门研究所----------机械工业出版 5、《阀门设计与计算》 6、《阀门》杂志2001年第一期《UT软件在系列化阀门产品设计中的应用

中英文摘要:

[摘要]：

阀门在国民经济的各个部门中有着广泛的应用。阀门安装在各种管路系统中用于控制流体的压力，流量和流向。由于流体的压力、流量、温度和物理化学性质的不同，对流体系统的控制要求和使用要求也不同，所以阀门的种类和品种规格非常多。

本文着重介绍了闸阀，对闸阀的各种重要组成部件进行验算，以达到理论上验算合格才可使用。在计算时，严格按照参考书及手册的步骤核算，同时应保证所设计产品的材料低廉。

[关键词]： 阀门，闸阀，计算。

[Demand]:

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

目录

一.绪言…………………………………………….5 二.密封副设计……………………………………8 三.阀盖壁厚的计算………………………………10 四.阀体壁厚的计算………………………………11 五.阀门零部件的选用……………………………12 六.阀杆的设计与计算……………………………19 七.阀杆的强度计算………………………………20 八.阀杆的稳定性计算……………………………21 九.闸阀阀杆力矩和手轮选定验算………………22 十.支架的验算……………………………………23 十一.闸板的厚度计算……………………………26 十二.中法兰连接螺栓的验算……………………27 十三.填料压盖强度验算…………………………28 十四.支架连接螺栓强度验算……………………29 十五.中法兰强度验算……………………………30 十六.参考文献……………………………………32 十七.附件1……………………………………….33

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一.绪言

阀门是管路流体输送系统中控制部件,它是用来改变通路断面和介质流动方向,具有导流、截止、调节、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。

用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格繁多， 阀门的公称通径从极微小的仪表阀大至通径达10m的工业管路用阀。阀门可用于控制水、蒸汽、油品、气体、泥浆、各种腐蚀性介质、 液态金属和放射性流体等各种类型流体的流动 ，阀门的工作压力可从1.3?10MPa到1000MPa 的超高压，工作温度从-269‵的超低温到1430‵的高温。阀门的控制可采用多种传动方式， 如手动、电动、液动、气动、蜗轮、电磁动、电磁--液动、电--液动、气--液动、正齿轮、伞齿轮驱动等；可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下， 按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭，阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动， 从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。

基础设施建设是我国经济建设的重点，给排水工程，特别是污水处理工程规模浩大，WTO业已进入，西部大开发业已启动，阀门市场前景一片大好。我国自来水事业虽然历史有近120年，比日本还早7年，但仍有很大的缺口，需要建设，现状是在我国700多个城市一半缺水，100个城市严重缺水。平均每年用水量将递增700万m3/d；特别是我国“九五”期间提出了治理环境污染的关键之一是污水处理，以治理三湖(太湖、巢湖、滇池)、三河为重点(淮海、辽河、海河)，并同时要求全国640个50万人口以上的县级市在2003年前全部至少建设一个城市一座污水处理厂，九五期间污水处理率25%，2010年要求达到46%，即1000座厂。目前全国仅在200余个地级市有污水处理厂，未来几年将在近400余个城市建污水处理厂。至2003年要投入1800亿治理城市污水，从2000年起每年要投入600亿元人民币，每年设备投资达200亿，阀门也占有不小的份额，一个中等污水处理厂大约需要阀门投资600-800万。除此之外，给水工程、水电、化工等行业需求量也是很大的。到2008年前，北京为承办奥运即投资1800个亿，其中大部用在基本建设，在基本建设中，用阀门的数量也将是可观的。上述情况仅为国内市场，进入WTO后，我们能见到的市场国内仅是一小块，更大的市场在国外，现在已进入全球化要充分利用我国阀门业的优势，积极走向世界经济的平台。 阀门是一种管路附件，是大型成套装置中的重要组成部分，它是用来改变管 路断面和介质流动方向，控制输送介质流动的一种装置。具体来讲，阀门有以下几种用途：

a.阻止管路中的介质倒流。 b.分离介质。

c.接通或截断管路中的介质。

d.调节、控制管路中介质的流动的方向。 e.改变管路中介质流动的方向。 f.指示和调节液面高度。 g.其他用途。

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二.密封副设计

完全依靠阀杆的作用力，就能在出口端密封面上形成足够的密封比压而达到密封。当然在介质作用下，出口密封面间比压会进一步增大，但单面强制密封要求既使不考虑介质的作用力，或介质压力在0到工作压力之间的任意值时，出口端都能保持密封。

闸阀的密封副设计都是对称的。因而，由于阀杆的作用力，在进口与出口密封上应形成相同的密封比压。但由于介质力的作用，使进口端密封副间的比压减少而出口端比压增大，因而对于单面强制密封，阀杆的作用力只能保证出口断具有足够密封比压，而进口端是不能保证密封的。 对于一般工业系统中，单面强制密封已能满足要求，因而他是一种应用广泛的密封，通常设计计算也大多按这种性质的密封来进行。

密封面材料除一般的强度，耐腐蚀等要求外，对密封性能影响最大的时它的硬度，对密封面的硬度要求，主要是具有承受相应密封比压，防止发生塑性变形（宏观）和被压溃，硬度还与密封面耐冲蚀能力有关。

应当指出密封面的硬度除与材料有关外，还和加工方法有关，表面加工造成的冷作硬化将使局部硬度发生变化，因而不同的加工方法甚至不同的切削加工用量也会使同样光洁度的同种材料具有不同的密封性能。

密封材料的亲水性能，吸附性能将对密封产生影响。通常金属对各种液体介质都具有良好的亲水性。由于毛细管作用将对密封产生不利的影响而易于泄漏。因此在密封面上油膜的存在将对密封性能产生有利的影响，这是因为油本身极易与金属密封面浸润，而在毛细通道内形成边界层阻塞通道，同时油膜的存在破坏了密封面对工作介质的亲水性，从而使本来能浸润密封的介质变得不能浸润，这时毛细作用就变得有利于密封了，因此在某些场合的阀门，采用在密封面间注油或滑脂的方法来提高密封性就是这个道理，润滑脂由于具有较大的粘度而更容易造成毛细通道的闭合。

密封面的宽度增加将使介质有内沿泄漏导外缘所经过的路径增加，流阻增加。应当指出毛细通道的实际长度将远大于密封宽度，同时通道曲折，截面变化的程度从几率上来说也肯定增加，这就使得闭塞形成的可能性增大，所以增加密封面的宽度是会有利于密封的。

但是密封面宽度增加，对于施加同样的密封力则其比压将下降，另外应当指出密封面宽度增加使加工精度难于保证，易于造成密封副不能良好地吻合，使间隙增大。

已知：介质工作压力为：PN4.0Mpa 公称通径要求：DN200mm 1. 《阀门设计手册》第398页

密封面宽度bm=(1/20∽1/50)DN=(1/20∽1/50)*200=(4∽10)mm, 密封面宽度通常不小于2—3mm。取bm=4mm。 密封面的验算：

由《机械设计课程设计手册》第31页表2-16 密封面材料的许用挤压应力：〔бcy 〕=120Mpa

由复印资料第56页公式qk=Qmz/〔π(Dmn+bm)*bm〕

=162212.4/〔π*210*4〕=61.5<〔бcy 〕 即验算合格。

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（闸板的密封面内径D1’与阀座密封面的平均直径相等。即D1’= Dmn+bm=210mm。）

由复印资料第56页公式

d=DN+(5∽6)=200+(5∽6)=205∽206mm 取d=206mm 2.《阀门设计手册》第403页

闸板的密封面内径D1’与阀座密封面的平均直径相等。

即D1’= Dmn+bm=210mm。

3.《阀门设计手册》第398∽403页

闸板的密封面宽度bm’为：bm’= k*bm (k=1.5∽2.5，取k=1.5)

bm’= k*bm=1.5*4=6mm。

4.《阀门设计手册》第404页表4-35

闸板的密封面最小磨损余量：6.4 mm。 5.《阀门设计手册》第405∽406页表4-38 铸钢闸阀楔式弹性闸板推荐尺寸：

DN=200mm, S=50,S1=19,h=20,d=140,H=122,A=60,B=60,

D=240,D1=202,bm=15 (单位均为毫米)

6.《阀门设计手册》第428页表4∽67 楔半角φ=5°。

第429页表4-68，关闭时密封面间摩擦系数fm’=0.25。 作用在出口密封面上的介质静压力：

Qmj=0.785(d+bm)²p=0.785*(206+4) ²*4=138474N 第429页表4-65，必需比压qmf=9。 密封面上达到必需比压时的作用力：

Qmf=π(d+bm)bm*qmf=3.14*(206+4)*4*9=23738.4N 单面强制密封时，闸阀密封面上总作用力Qmz:

Qmz= Qmf+ Qmj=23738.4+138474=162212.4N 7.《阀门设计手册》第425页

闸阀密封面比压：q=Qmz/﹝π(d+bm)*bm﹞. 单面强制密封时，q=162212.4/﹝π(206+4)*4﹞=61.5 8.验算密封面比压： （a）《阀门设计手册》第428页表4-66密封面材料的许用比压 ﹝q﹞=100Mpa

(密封面材料为黄铜（Hsi80-3）, 材料硬度HB95∽110, 密封面间无滑动) （b）《阀门设计手册》第426页表4-65必需比压qmf=10。 那么以上的计算符合qmf法兰和对焊连接钢制闸阀的壳体最小壁厚(GB12234):t=15.6mm 10.《阀门设计手册》第801页表6-239

钢制阀门阀体颈部的最小壁厚(GB12234)：t=10mm. 11.《阀门设计手册》第349页表4-2 推荐的加工余量值：≥12mm

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三.阀盖壁厚的计算

阀盖与阀体大多为法兰连接，也有螺纹连接，卡箍连接和内压自紧密封的连接。阀盖上部有填料函，支架也设在阀盖上或与阀盖铸成一体，支架的方向应设计成与阀体通道方向正交。

阀盖中央的阀杆孔下缘常加工成45度锥面并有足够光洁度，当阀杆提升到极限位置时，阀杆头部锥面与它相接触而形成密封，称上密封结构，阀盖上的锥面称下密封面，阀杆上的锥面称上密封面，其作用是在全开时可以隔离填料和介质，必要时可更换填料。 阀盖上部常开有螺孔，其作用是在进行密封或强度试验时，排放腔内残留的空气。

由介质的工作温度：t420C，介质工作压力为：PN4.0Mpa

由《阀门设计计算手册》p80表3-65得：

1. 过渡半径：r=10mm; 2. 内球面半径：R=150mm; 3. 形状系数：（由P178表4-29）得：K=2 4. 计算压力：P= PN=4.0Mpa; 5. 许用弯曲应力：（由P112表4-3），得：〔бw〕=50Mpa 6. 腐蚀余量：C=3mm；

7. 计算厚度：SB′=[(P*R)/(2〔бw〕)*K+3

=[(4*150)/(2*40)*2+3=18mm

8. 实际厚度取：SB=20mm> SB′

即选取合格

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四.阀体壁厚的计算

闸阀阀体通常为铸造，由于形状复杂，近年来对中小型阀体多采用紧密铸造。

阀体与管道多为法兰连接，其中腔截面为圆形或椭圆形，上有导轨为闸板升降导向。

阀座两密封间沿通道中心线的距离称档宽，它应当略小于闸板中心相应的厚度尺寸，已使得当密封面有一定程度磨损，闸板关闭位置下移时，仍能保证密封面的良好接触（指楔式闸阀）。

对某些大口径闸阀，其阀体可设计成有缩口形式，即其通道的进出口呈渐缩和渐扩的形式，以使得闸板尺寸不致过大。有的闸板装有导流装置，当全开时导流管随闸板提升而将阀体两密封面连接起来以减少流阻，当全关时，导流管在阀体中腔的下部，因而阀体下部尺寸较大，对装有外旁通的闸阀，在阀体进出口通道上开连接管口，旁通管的作用是在闸阀开启前，先将旁通阀打开。使阀后充压以平衡闸板两侧的压力，减少开启力，这种装置多用于大口径场合。

阀体底部开有螺孔，用于出厂前进行密封性试验，以及清理排除积存阀腔内的污垢。

阀体表面应铸有公称压力和公称通径的数值。

阀体与阀盖连接的法兰称中法兰，中法兰上表面至阀体通道中线的距离称中心高，其数值应考虑当闸板提升至其密封面下缘离开阀座密封面上缘时，阀杆头部的上密封锥面与阀盖上的下密封面刚刚接触或保持一定距离。

已知：介质的工作温度：t420C，介质工作压力为：PN4.0Mpa， 由《阀门设计计算手册》p25得 1.计算压力：P= PN=4.0Mpa; 2.计算内径：Dn=268mm;

3.由p114表4-33，根据阀体的材料（碳素铸钢）得 许用拉应力：〔бl〕=51Mpa；

4.腐蚀余量：C=3mm；(由《阀门设计手册》p358表4-14查得) 5.计算厚度：SB′=[(P*Dn)/(2.3〔бl〕-P)]+C =[(4*268)/(2.3*51-4)]+3 =12.462mm 6.实际厚度取：SB=16mm> SB′

即选取合格

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五.阀门零部件的选用

(由《阀门设计手册》查得,单位：mm)

1阀杆螺母P496-499

Tr36*6LH-7H M52*1.5 d1=49 d=38 D=60 D1=80 L=174

S(dll)=55 l1=106 l2=16 l3=55 l=26 B=16 b=2.5 C=3.5 C1=1.5

2平形手轮P490-491

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3. 锁紧螺母P500-501

表4-120A型，B型，C型平行手轮的尺寸 D=400，H=26,d1=95,d2=70,d=54

df=36,M52*1.5,D=78,R=32,D1=67,B=12,b=8,t=3.5

4. 轴承压盖p501-502

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df=36,d(Bll)=60,D=115,d1=94,M97*2,h(b12)=35,b=3.5,H=42,L=103

5. 填料压盖p506-507

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df=36,D=52,D1=70,D2=56,d1=38,d0=18,A=102,H=38,h1=22,h2=20, h3=10,b=14,r=18,r1=4,r2=2 ,=0.62kg

6. 石棉填料p511表4-148

df=36,B=8,H=8,a=30º =7.13kg

8. 上密封座p519-520

df=36,M56*2,d1=53,d2=52,D=66,D1=56,D2=56,D3=42,h=22,H=32 C=5,C1=4, =0.54kg

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9. 凹凸面整体钢制管法兰p702-704

DN=200,D=375,K=320,L=30,n=12,Th=M27,d=284,X=259,Y=260,f=3, f1=4.5,f2=3.5,C=34,N=254,R=8,S=14,S1=27

10.第401页表4-33

铸钢闸阀焊接式阀座的推荐尺寸：（mm）

d1=203，d3（f9）=230，d=211，d2=206，bm=6，c=4.5，H=24

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11第405页表4-38

12隔环：P510，表4-146：（mm）

d=36，D=52，D1=44，H=24，h=8，z-dt=2-6.5，质量：0.17kg

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13六角螺塞p531表4-189

M8*1,d1=6.5,d=14,D=16.2,S=14,h=2,L=20,Lo=12,C=1,b=2.5, r=0.5,0.01kg

14螺塞垫p532表4-190

d=9,D=14,δ=2,=1.14kg

15. 美制螺纹活节螺栓p899表6-318表6-319

d=16,D=27,b=19,R=12,C=2,L=80,L1=55 垫圈：d=16,b=4.1,s=3.2,

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六.阀杆的设计与计算

明杆闸阀其螺纹在阀杆上部，传动螺纹可采用方形或梯形，暗杆闸阀则螺纹在阀杆的下部。阀杆的非螺纹部分由于与填料摩擦及受腐蚀（石棉填料有氯蚀），因而要进行表面处理，或采用合金钢材料。以提高其耐磨和抗腐蚀性能，为保证手轮顺时针旋转时为关闭行程，故明杆闸阀的阀杆螺纹为左旋。 明杆闸阀的阀杆螺母装于支架上，由手轮或驱动装置带动其旋转，螺母有轴向限位，对于大扭矩情况下还可以设止推轴承，螺母的材料多为合金钢，暗杆闸阀的螺母多装于闸板的T形槽内，阀杆与手轮固定在一起旋转。 1.《阀门设计手册》第444页 闸板组件的重量：

V=2722872.7mm³,ρ=7.8g/cm³. M=ρV=212.384kg Qg=mg=2123.84N 2、《中国机械工业标准汇编》(阀门卷)第235-237页表5

阀杆最小直径 df=34mm,取df=36mm。 3.《阀门设计手册》第442页公式4-151

介质作用于阀杆上的轴向力：

Qp=π*df ²*p/4=π*36²*4/4=4069.44N (介质工作压力为：p=PN4.0Mpa) 4.《阀门设计手册》第442页公式4-148

阀杆直径df=36mm. ‴ 由复印资料第58页:

填料层的宽度bt=(1.0∽1.6)√df=(1.0∽1.6)√36=6.0∽9.6

取bt=8mm.

填料函内径：D= df+2*bt=36+16=52

当PN=4Mpa≤16Mpa, 填料圈数Z=4∽9, 取Z=6 填料函的深度：H=Z*bt=6*8=48mm

填料层的总高度等于填料函的深度：ht=48mm.

第442页阀杆与填料间的摩擦系数，对聚四氟乙烯填料： Ut=0.05∽0.1,取Ut=0.1。 那么阀杆与填料间的摩擦力：

Qt=π*df*ht*Ut*p=π*36*48*0.1*4=2170.368N 5.《阀门设计手册》第444页公式4-164和公式4-165 fm′=0.25, fm″= 0.35

ρ′=arctgfm′=arctg0.25, ρ″= arctgfm″= arctg0.35

tgρ′=0.25,tgρ″=0.35, ρ′=14.036°ρ″=19.29° 6.《阀门设计手册》第444页公式4-166和公式4-167

关闭或开启时阀杆的密封力，即阀杆与闸板间的轴向作用力：

Qˊ=2(Qmf+Qmj)cosφ(tgρ′+tgφ)-Qmj*cosφ〔tg(ρ′+φ)+tgφ〕-Qg =2*（23738.4+138474）*cos5°*(0.25+tg5°)- 138474* cos5°*

〔tg(14.036+5°)+tg5°〕-2123.84 =109072.5134-61789.670135 =47282.8432653N

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Q″=2(Qmf+Qmj)cosφ(tgρ″-tgφ)-Qmj*cosφ〔tg(ρ″-φ)-tgφ〕+Qg

=2*（23738.4+138474）*cos5°*(0.35-tg5°)- 138474* cos5°* 〔tg(19.29-5°)-tg5°〕+2123.84 =84841.64623-33012.786401 =51828.85991N

7.《阀门设计手册》第444页公式4-156和公式4-157 闸阀关闭或开启时阀杆的总轴向力：

Qfzˊ= Qˊ+Qp+Qt=47282.8432653+4069.44+2170.368

=53522.6512653N

Qfz″= Q″+Qt-Qp=51828.85991+2170.368-4069.44

=49929.78791N

七.阀杆的强度计算

1.《阀门设计手册》第454页图4-75

设计时初步取(单位：mm)：B=60,h=20，D=60,A=40,a=30 2.《阀门设计手册》第246-249页表3-140

选阀杆材料为2Cr13,那么许用应力为〔τ〕=68.6Mpa, 〔бw〕=137.2Mpa 3.《阀门设计手册》第454页公式4-234

明杆闸阀阀杆端部的强度校核，即剪切力校核：

τ=（Q″- Qt）/(2*B*h)=( 51828.85991-2170.368)/(2*60*20)

=20.6910 Mpa <〔τ〕=68.6 Mpa. 即合格

4.《阀门设计手册》第454页公式4-235 弯曲应力校核：

бw≈〔3*（Q″- Qt）（D+A-2a）〕/(4*B*h²)

=〔3*(51828.85991-2170.368)(60+40-2*30) 〕/(4*60*20²) =62.0731 Mpa <=〔б〕w=137.2 Mpa 即合格

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

八.阀杆的稳定性计算

1.《阀门设计手册》第453页

阀杆计算长度Lf=(2.2∽2.5)Dmn+500

=(2.2∽2.5)*206+300=(753.2∽815)mm 取Lf=765mm

(Dmn为阀座密封面内径：Dmn=206mm) 2《阀门设计手册》第453页

阀杆的惯性半径，对于圆形断面： i=df/4=36/4=9mm

3《阀门设计手册》第456页表4-94 无中间支承阀杆的u值: u=1

4《阀门设计手册》第456页表4-95 阀杆材料的柔度值：λ1=40，λ2=78.2 5《阀门设计手册》第455页公式4-239 阀杆的柔度：λ=u*Lf/ i=1*765/9=85 即阀杆的柔度符合λ>λ2

6《阀门设计手册》第455页公式4-241 阀杆的压应力：бy= Qfzˊ/(0.785*df²)

=53522.6512653/(0.785*36*36)

=52.60935Mpa

7《阀门设计手册》第456页表4-96 系数a=544.2,b=2.36

8《阀门设计手册》第455页 稳定安全系数：n=2.5

9《阀门设计手册》第456页公式4-242 当λ>λ2时，有：

бy=52.60935Mpa <（π²*E）/(n*λ²)

=(π²*1.89*10²*10³)/(2.5*85²) =103.1675792Mpa

（E——阀杆材料的弹性模数（Mpa）） 由《阀门设计计算手册》第123页表4-6 查得E=1.89*10²*10³） 即阀杆稳定，合格

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

九.闸阀阀杆力矩和手轮选定验算

1.由《阀门设计》P443表4-86阀杆和梯形螺纹的摩擦半径得关闭和开启时摩擦半径：

Rfm´=3.46mm, Rfm\"=3.12mm. 2.关闭和开启时的阀杆总轴向力：

Qfzˊ=53522.6512653N，Qfz″=49929.78791N 3.由《阀门设计》P446式4-177和式4-181 得： 关闭和开启时阀杆螺纹摩擦力矩：

Mflˊ= Qfzˊ* Rfm´=53522.6512653*3.46=185188.373338N.mm Mfl″= Qfz″* Rfm\"=49929.78791*3.12=155780.9382792N.mm 4. .由《阀门设计》P448 推力球轴承的摩擦系数 fg=0.005~0.01,

取 fg=0.01

推力球轴承的平均直径：Dgp=(60+95)/2=77.5mm 5. 由《阀门设计》P448 公式 4-195和公式4-196 关闭和开启时推力球轴承的摩擦力矩：

Mgˊ=( Qfzˊ*fg*Dgp)/2=(53522.6512653*0.01*77.5)/2 =20740.02736202N.mm

Mg″=( Qfz″* fg*Dgp)/2=(49929.78791*0.01*77.5)/2 =19347.792820054N.mm 6.《阀门设计》P447 表4-91 闸阀阀杆的力矩: 关闭和开启时的闸阀阀杆力矩：

Mfzˊ= Mflˊ+ Mgˊ=185.188373338+20.74002736=205.928400698N.m Mfz″= Mfl″+ Mg″=155.7809382792+19.3477928=175.1287310992N.m 由《阀门设计》P547 式5-1及图5-15

选用手轮直径 Ds=400mm

查图5-15 当两个人操作时作用在手轮上的圆周力：Q=1300N 由式5-1 得

Q=(2*ΣM)/Ds=(2*205928.400698)/400=411856.801396/400 =1029.64200349N≈1029.64N<1300N 即手轮选取合格。

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

十.支架的验算

1.《阀门设计手册》第396页表4-29断面的特性：

a=80,b=140,a1=10,b1=15,b2=125.

面积；F1=b1*a+a1*b=15*80+10*125=2450mm²

形心位置：X2=(1/2)*[(b1*a²+b2*a1²)/(b1*a+b2*a1)]

=(1/2)* [(15*80²+125*10²)/(15*80+125*10)]=22.14285714mm

X1=a-X2=80-22.14285714=57.85714286mm (a2=X2-a1=22.14285714-10=12.14285714mm) Y1=b/2=140/2=70mm

惯性距：Iix=(a1*b1³+a*b³)/12=(10*15³+80*140³)/12=18296145.83 Iiy=(1/3)*(b*x2³-b2*a2³+b1*x1³)

=(1/3)*(140*22.14285714³-125*12.14285714³+15*57.85714286³) =1400416.667

截面系数：Wix= Iix/x1=18296145.83/57.85714286=316229.6811mm³ Wiy= Iiy/Y1=1400416.667/70=20005.95238 mm³ 2.《阀门设计手册》第396页表4-29断面的特性：

a=36.25,b=35,a1=10,b1=15,b2=30.

面积；F2=b1*a+a1*b=15*36.25+10*30=843.75mm² 形心位置：X2=(1/2)*[(b1*a²+b2*a1²)/(b1*a+b2*a1)]

=(1/2)* [(15*36.25²+30*10²)/(15*36.25+30*10)] =13.45833333mm

X1=a-X2=36.25-13.45833333=22.79166667mm (a2=X2-a1=13.45833333-10=3.45833333mm) Y1=b/2=35/2=17.5mm

惯性距：Iiix=(a1*b1³+a*b³)/12=(10*15³+36.25*35³)/12 =132330.7292

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

Iiiy=(1/3)*(b*x2³-b2*a2³+b1*x1³)

=(1/3)*(35*13.45833333³-30*3.45833333³+15*22.79166667³) =87222.59789

截面系数：Wiix= Iiix/x1=132330.7292/22.79166667=5806.101462mm³ Wiiy= Iiiy/Y1=87222.59789/17.5=4984.148451mm³ 3.《阀门设计手册》第396页表4-29断面的特性：

惯性距：Iiiix=[(D-d)*b³]/12=[(125-95)*113³]/12=3607242.5 截面系数：Wiiix=[(D-d)*b²]/6=[(125-95)*113²]/6=63845

4. 《阀门设计手册》I-I 截面的合成应力的校核： P395 式4-26框架两重心之间的距离：

.l=l1+2*x1=(260-136)/2+2*33.46153846 =128.92307692mm 框架高度：H=(200+125)/2=162.5mm 阀杆总轴向力：Qfzˊ=53522.6512653N Qfz″=49929.78791N P395 式4-75弯曲力矩：

=[（53522.6512653*128.92307692）/8]*

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

[1/（1+（1/2）*（162.5/128.92307692）*（3607242.5/87222.59789））]

=862538.1107548259/27.0638777=31870.45553176N.mm P395 式4-74 弯曲应力：

.бwi=Mi/ Wiy=31870.45553176/20005.95238=1.593048655Mpa P395 式4-77 拉应力：

.бli= Qfzˊ/(2*F1)=53522.6512653/(2*2450)=10.922990054Mpa P448 公式4-195和公式4-196：

关闭和开启时推力球轴承的摩擦力矩：

Mgˊ=( Qfzˊ*fg*Dgp)/2=(53522.6512653*0.01*77.5)/2 =20740.02736202N.mm

Mg″=( Qfz″* fg*Dgp)/2=(49929.78791*0.01*77.5)/2 =19347.792820054N.mm

由4-79 Miiin= (Mgˊ*H)/l=(20740.02736202*162.5)/128.92307692 =26141.5917680865N.mm 由P395 式4-78 力矩引起的弯曲应力：

.бwin= Miiin/Wix=26141.591768086465/316229.6811=0.0826664710193Mpa 由P336 表3-192碳素钢阀门主要零件材料选用：

选用支架材料为20#钢。

由P246表3-140常用铸钢核锻钢的许用应力：

许用拉应力[δl]=60.76Mpa,许用弯曲应力[δw]=72.52Mpa P395 式4-73 得I-I 截面的合成应力： .бΣi=бwi+бli+бwin

=1.593048655+10.922990054+0.0826664710193=12.59870518002Mpa ≈12.599Mpa<[δl]=60.76Mpa 即I-I截面验算合格。 II-II 截面的合成应力校核。 P395 式4-24 弯曲应力：

.бwii=Mii/Wiiy=Mi/ Wiiy=31870.45553176/4984.148451=6.39436321873Mpa P395 式4-77 拉应力：

.бlii= Qfzˊ/(2*F2)=53522.6512653/(2*843.75)=31.71712667573Mpa P395 式4-80 得II-II截面的成应力：

.бΣii=бwii+бlii=6.39436321873+31.71712667573

=38.111489894463Mpa≈38.111Mpa<[δl]=60.76Mpa

即II-II截面验算合格。

III-III 截面的弯曲应力校核：

由P395式4-82 得III-III截面弯曲力矩： Miii=(( Qfzˊ*l)/4)-Mi

=(（53522.6512653*128.92307692）/4)-31870.45553176 =1693205.765977892Mpa

由P395式4-81 得III-III 截面的弯曲应力：

.бwiii= Miii/wiiix=1693205.765977892/(63845)=26.5205695978995Mpa ≈26.5206Mpa<[δw]=72.52Mpa

即III-III截面验算合格。

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

十一.闸板的厚度计算

闸板属双重密封，即有两对密封副，闸板两侧都有密封面，闸板的密封面宽度应大于阀座的密封面宽度，且通常硬度也应不小于阀座密封面。

由于在关闭和开启过程中闸板与阀座密封面间有相对摩擦（主要在出口侧）。故密封面应采用耐磨材料。

设计楔式闸板的全关位置，应是其密封面的下缘与阀座密封面的下缘对齐。 闸板通过T形槽与阀杆相连接，并可以在通道轴线方向平行移动，从而在关闭时，在介质力作用下，使闸板压紧出口侧。闸板左右两端开有导槽，嵌于阀体的导轨内，起导向作用。弹性闸板中间有弹性槽。它可以整铸，切削加工或由二半通过心轴焊接形成，而使闸板具有较好的弹性变形能力。 由介质的工作温度：t420C，介质工作压力为：PN4.0Mpa 由《阀门设计计算手册》 p54： 1. 系数：K=1.24

2. 密封面平均半径：R=（DMN+bM）/2=（206+4）/2=105mm 3. 计算压力：P=4.0Mpa

4. 由闸板材料20#钢，由P119表4-5，得 〔бw〕=74Mpa 5. 腐蚀余量：C=3mm

6. 计算厚度：SB′=[R*√（K*P）/〔бw〕]+C =[105*√（1.24*4）/74]+3 =30.18406mm 7. 实际厚度：SB=32mm> SB′ 即选取合格

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

十二.中法兰连接螺栓的验算

由介质的工作温度：t420C，介质工作压力为：PN4.0Mpa

由《阀门设计计算手册》p67表3-47，中低压高温的螺栓强度验算： 1. 已知介质工作温度：t≤420°C 取介质工作温度：t=425°C

2. 由P175表4-22法兰连接零件之间的温度差：

初加温时温度差：Δt′=90°C 高温时温度差：Δt″=19°C 3. 未使用垫片，即垫片厚度：δDP=0 垫片面积：FDP=0

垫片材料弹性系数：EDP=0 4. 中法兰温度：tF″=0.9t=0.9*425°C =382.5°C

5. 螺栓温度：tL″= tF″-Δt″=382.5°C -19°C =363.5°C 6. 螺栓计算长度:L=135mm

7. 由P130表4-8螺栓螺钉材料的力学性能 材料线胀系数: a=11.1 mm/mm°C 8. 螺栓材料弹性系数:

EL=1.57 Mpa

9. 螺栓数量: Z=12

10.由P135表4-9,单个螺栓截面积: F1=4.271cm2=427.1mm2

11.螺栓总截面积:FL=Z*F1=12*427.1=5125.2mm2 12.高温时螺栓温度变形力:

Qt″=Δt″*a*L/(L/FL*EL+δDP/ FDP*EDP)

=19*11.1*135/(135/5125.2*1.57+0) =169596.0786 N

13.常温时螺栓计算载荷:

关闭或开启时阀杆与闸板间的轴向作用力： QLZ=QL=Q″=51828.85991 N 14.螺栓计算载荷:

QLZ″=QLZ+Qt″=51828.85991+169596.0786

=221424.9385 N

15.螺栓拉应力: бL″=QLZ″/FL=221424.9385 / 5125.2

=43.20318007 Mpa

16.由P130表4-8查屈服极限:

[бs]tL″= [бs]=170Mpa 17.安全系数 :

ns″=[бs]tL″/бL″=170/43.20318007

=3.934896>1.35 即螺栓应用合格

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

十三.填料压盖强度验算

常用为石棉纤维编织的方形截面填料，为改善其性质可加入油浸，石墨粉，玻璃纤维，金属丝等，成型填料主要是聚四氟乙烯，近年来柔性石墨填料及碳纤维填料得到了广泛采用。

填料函底面有平底和锥形底两种，石棉填料一般用锥形底，已获得对阀杆的较大密封压力，成型填料，柔性石墨填料则采用平底。

填料是靠压紧螺母或压盖来产生压紧力的，填料压盖有整体和分离两种形式。填料层高度较大时，中间可以加有金属垫片以使得压紧力分布均匀。在重要的或有害介质的场合，填料层中间还可以设引漏管。

由《阀门设计计算手册》p75表3-60得: 1. 填料箱内径：DTN =52 mm 2. 阀杆直径：df=36mm 3. 计算压力：P=4.0 Mpa

4. 由P162表4-12得石棉填料的系数：Ψ=1.08 5. 压紧填料必须压力：

qt=Ψ*P=1.08*4=4.32 Mpa 6. 两孔距离：L=102 mm

7. 力臂：L1=（L- DTN）/2=（102-52）/2=25mm 8. 压紧填料总力：

QYT=π*（DTN 2-dF2）*qt/4

=π*（522-362）*4.32/4=4774.8096 N

9.I-I断面弯曲力矩：M1= QYT* L1/2=4774.8096*25/2=59685.12 N.mm 10.参数： B=56mm，h=16mm

11.I-I（断面）断面系数：W1=B*h2/6=56*162/6 =2389.333333mm3 12.I-I断面弯曲应力：

бw1=M1/W1=59685.12 / 2389.333333

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

=24.97982143 Mpa

13.参数：BR=56mm，d=38mm，H=38mm 14.力臂：L2=L/2=102/2=51mm

15.II-II断面中性轴到填料压盖上端面的距离：

Y2=[（DTN -d）*H2+（BR - DTN）*h2]/[（DTN -d）*H+（BR - DTN）*h]/2

=[（52 -38）*382+（56 - 52）*162]/[（52 -38）*38+（56 – 52）*16]/2 =17.81879195 mm 16.II-II断面惯性矩：

I2=[（BR -d）Y23+（BR - DTN）（Y2-h）3+（DTN -d）（H- Y2）3]/3 =[（56-38）*17.818791953+（56 - 52）（17.81879195-16）3+（52 -38）*

（52- 17.81879195）3]/3=194302.8892 / 3=64767.62974mm 17．II-II（断面）断面系数：

3

W2= I2/Y2=64767.62974 / 17.81879195=3634.793532mm 18.II-II断面弯曲力矩：

M2= (QYT * L2)/2=(4774.8096*51)/2=121757.6448N.mm 19. II-II断面弯曲应力：

бw2= M2/W2=121757.6448 / 3634.793532=33.49781596Mpa

20.由填料材料20#钢，查《阀门设计手册》P246表3-140，得

弯曲应力：﹝бw﹞=72.52Mpa 由以上计算，得

бw1=24.97982143 Mpa<﹝бw﹞ бw2=33.49781596Mpa<﹝бw﹞

即选取合格

十四.支架连接螺栓强度验算

《阀门设计计算手册》p67表3-49: 1. 螺栓直径:dL=16mm

2. 由P135表4-9,得单个螺栓截面积: F1=1.441cm2=144.1mm2 3. 螺栓数量：Z=4

4. 螺栓总截面积：FL=Z*F1=4*144.1=576.4mm2 5. 关闭时阀杆总轴向力：

QFZ′=53522.6512653 N 6. 螺栓拉应力：

бL= QFZ′/FL=53522.6512653 / 576.4

=92.856786 Mpa

7. 由P151表4-9许用拉应力： [бL]=95 Mpa

即бL<[бL] ，选用合格

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

十五.中法兰强度验算

由《阀门设计计算手册》p71表3-56: 1. 计算内径：DN=268mm

2. 螺栓孔中心圆直径：D1=370mm 3. 中法兰厚度：h=40mm 4. 中法兰根径：DM=326mm 5. 力臂：

L1=(D1- DM)/2=(370-326)/2=22mm

L2=L1+( DM - DN)/4=22+(326-268)/4=36.5mm 6. 断面系数：

WI=(л* DM *h2)/6=(л*326*402)/6=272970.6667mm3 WII=л*( DM + DN)*(( DM - DN)/2)2 =л*( 326 +268)*(( 326 - 268)/2)2 =130716.63mm3

7. 常温时螺栓计算载荷： （根据螺栓强度的计算数据） QLZ=51828.85991 N

8. 高温时螺栓计算载荷： （根据螺栓强度的计算数据）

QLZ″=221424.9385 N

9. 中法兰温度：（根据螺栓强度的计算数据） tF″=0.9t=0.9*425°C =382.5°C 10. 由P115表4-4查得屈服极限： [бs]tF″=185Mpa

11. 由P115表4-4查得蠕变极限： [бR]tF″=83Mpa 12. 许用弯曲应力：

[бs]tF″/1.35=185/1.35=137.03037Mpa [бR]tF″/0.9=83/0.9=92.222222Mpa 取其中较小值：[бW″]= 92.222222Mpa 13. 由P119表4-5，查得许用弯曲应力： [бW]=92MPa 14. 常温时比值系数：

n= QLZ/[бW]= 51828.85991 / 92 =563.3571729mm2

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

15. 常温时比值系数：

n″= QLZ″/[бW″]= 221424.9385 / 92.222222 =2400.993309 mm2 16. 计算载荷，取n，n″中最大时的QLZ,QLZ″ ，即

Q= QLZ″=221424.9385mm2 17.I-I断面弯曲应力：

бw1=(Q*L1)/ WI=(221424.9385*22)/ 272970.6667 =17.845685Mpa 18.II-II断面弯曲应力：

бw2=(0.4*Q*L2)/ WII=(0.4*221424.9385*22*36.5)/ 130716.63 =24.73139112Mpa 19.常温时：

бw1=17.845685Mpa<[бW]=92Mpa бw2 =24.73139112Mpa<[бW]=92Mpa 即选取合格

高温时：

бw1=17.845685Mpa<[бW″]=92.222222Mpa

бw2 =24.73139112Mpa<[бW″]=92.222222Mpa

即选取合格

31

明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

十六.参考文献

1、《中国机械工业标准汇编》阀门卷

出版社：中国标准出版社

2、《几何量公差与测量》 甘永立主编

出版社：上海科学技术出版社

3、《机械设计课程设计手册》 吴宗泽 罗圣国 主编

出版社：高等教育出版社

4、《阀门设计计算手册》 陆培文 高凤琴 洪勉成

出版社：中国标准出版社 5、《阀门设计与计算》

6、《阀门制造工艺》 沈阳高中压阀门厂编

出版社：机械工业出版社 7、《阀门选用手册》

8、《阀门设计手册》 杨源泉著

出版社：机械工业出版社

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

十七、附件： 零件及三维建模设计概述

图形 名称及相关描述 阀体 此阀体的制造材料为：碳素铸钢（WCB）。在三维建模时，严格按照设计要求绘制，例如，为了保证阀门的正常工作，阀体的中心高（中法兰至阀体通道中线的距离称中心高，其数值应考虑当闸板提升至其密封面下缘离开阀座密封面上缘时，阀杆头 部的上密封锥面与阀盖上的下密封面刚刚接触或 保持一定距离），档宽（阀座两密封面间沿通道中心线的距离称档宽），都要考虑其合理性。 阀盖 阀盖选用的制造材料为：碳素铸钢（WCB）。 阀盖与阀体大多为法兰连接，也有螺纹连接，卡箍连接和内压自紧密封的连接。阀盖上部有填料函。阀盖中央的阀杆孔下缘常加工成45度锥面并有足够光洁度，当阀杆提升到极限位置时，阀杆头部锥面与它相接触而形成密封，称上 密封结构，其作用是在全开时可以隔离填料和介质，必要时可更换填料。 支架 支架选用的制造材料为：20钢。支架的方向应设计成与阀体通道方向正交。其上部开有注轴承润滑油的螺纹孔。 孔尺寸应保证既能润滑轴承，又不被轴承压盖给堵 住。 手轮 手轮选用的制造材料为：球墨铸铁（QT400-15）。因为 手轮与阀杆螺母直接连接配合，所以在选用手轮时要考虑 与阀杆螺母的配合尺寸，以及验算手轮选用的合理 性。 33

明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

闸板 闸板选用的制造材料为：20钢。设计楔式闸板的全关位置，应是其密封面的下缘与阀座密封面的下缘对齐。闸板通过T形槽与阀杆相连接，并可以在通道轴线方向平行移动，从而在关闭时，在介质力作用下，使闸板压紧出口侧。闸板左右两端开有导槽，嵌于阀体的导轨内， 起导向作用。弹性闸板中间有弹性槽。它可以整铸，切削加工或由二半通过心轴焊接形成，而使闸板具有较好的弹性变形能力。 填料压盖 填料压盖选用的制造材料为：20钢。填料函底面有平底和锥形底两种，石棉填料一般用锥形底，已获得对阀杆的较大密封压力，成型填料，柔性石墨填料则采用平底。填料是靠压紧螺母或压盖来产生压紧力的，填料压盖有整体和分离两种形式。填料层高度较大时，中间可以加有金属垫片以使得压紧力分布均匀。在重要的或有害介质的场 合，填料层中间还可以设引漏管。

阀杆螺母 阀杆螺母选用的制造材料为：铸铝青铜（ZcuA19Mn2）。 明杆闸阀的阀杆螺母装于支架上，由手轮或驱动装置带动其旋转，螺母有轴向限位，对于大扭矩情况下还可以设止推轴承，螺母的材料多为合金钢，阀杆与手轮固定在一起 旋转。 阀杆 阀杆选用的制造材料为：铬不锈钢（2Cr13）。明杆闸阀其螺纹在阀杆上部，传动螺纹可采用方形或梯形， 阀杆的非螺纹部分由于与填料摩擦及受腐蚀（石棉填料有氯蚀），因而要进行表面处理，或采用合金钢材料。以提高 其耐磨和抗腐蚀性能，为保证手轮顺时针旋转时为关闭行程，故明杆闸阀的阀杆螺纹为左旋。

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明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

图形 名称 图形 名称 轴承压盖 轴承压盖选用的制造材料为：45钢。 推力球轴承 推力球轴承 选用的制造材 料为： 。 上密封座 上密封座选用的制造材料为：铬不锈。 钢（1Cr13） 锁紧螺母 锁紧螺母选用的制造材料为：35钢。 活节螺栓垫片 活节螺栓垫片 阀座 阀座选用的制造材料为：碳素铸钢（WCC）。 隔环 隔环选用的制造材料为： 铬不锈钢（1Cr13）。 六角螺塞 六角螺塞选用的制 造材料为：碳钢（A3）。 活节螺栓 活节螺栓选用的制造材料为：35钢。 活节螺栓螺母 活节螺栓螺母选用的制造材料为：35钢。 圆柱销 圆柱销选用的制造材料为：35钢。 选用的制造材料为：35 钢。 中法兰垫片 中法兰垫片选用的制造材料为：橡胶石 棉板（XB450）。 35

明杆楔式单闸板钢制闸阀设计

石棉填料 石棉填料选用的制造材料为：石墨石棉绳。 锁紧螺钉M6 锁紧螺钉选用的制造材料为：碳钢（A3）。 双头螺栓 双头螺栓选用的制造材料为：碳钢（A3）。。 支架连接螺栓 支架连接螺栓选用的制造材料为：35 钢。

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