1、 準考證號： 本科生畢業論文（設計） 三通換向閥的設計、應用與控制學 院： 江西科技學院 專 業： 機電一體化技術 班 級： 學生姓名： xxx 指導老師： 黃 雁 彬 完成日期： 2014年4月10日 本科論文原創性申明本人鄭重申明：所呈交的論文（設計）是本人在指導老師的指導下獨立進行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。學位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 本科論文版權使用授權書本學位論文

2、作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權江西科技學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。學位論文作者簽名（手寫）： 指導老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日江西科技學院本科生畢業論文（設計）摘 要以雙氣缸三通換向閥為例，介紹了如何以最少的鋼鐵材料和最小的閥門體積，以及如何選用合適的材料和結構形式來進行三通閥設計。對三通換向閥在蓄熱式加熱爐上應用中存在的問題進行分析，并就存在的問題采取了相應對策，確保

3、了加熱爐能力的正常發揮和安全運行。三通換向閥作為蓄熱式加熱爐穩定運行的關鍵設備之一，控制燒嘴的切除與投入，對其加熱工藝的執行、設備的穩定和加熱爐安全生產起到至關重要的作用。本文從三通換向閥的工作原理、使用現狀和常見故障等方面進行簡單介紹，闡述了換向閥的控制系統。關鍵詞：三通換向閥；設計；維護及應用；控制；電磁閥；蓄熱式加熱爐18abstracttaking the double cylinder three-way diver valves as an example, the way of three-way valve design with the fewest steel materi

4、als, 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 a

5、nd 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 fuma

6、ce . 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 reheatin

7、g furnace 目 錄第一章 引 言11.1三通換向閥的概述11.1.1三通換向閥的概念11.1.2三通換向閥的使用目的11.2三通換向閥的應用與控制11.2.1三通換向閥的應用11.2.2三通換向閥的控制1第二章 三通換向閥的工作原理及組成22.1三通換向閥的工作原理及plc控制系統22.1.1三通換向閥的工作原理22.1.2三通換向閥的plc控制系統22.2三通換向閥的結構組成與裝配52.2.1三通換向閥的結構組成52.2.2三通換向閥的裝配6第三章 三通換向閥的設計依據和動力氣缸的設計方法103.1三通換向閥的設計依據103.2三通換向閥動力氣缸的設計方法13第四章 三通換向閥的使用

8、環境、抗腐和密封154.1三通換向閥的使用環境154.2三通換向閥的抗腐和密封15第五章 三通換向閥的常見故障及處理165.1三通換向閥機械部分的損壞與電氣自動化故障165.2 三通換向閥的故障處理及維護16第六章 結論與展望17參考文獻18致謝19第一章 引 言1.1 三通換向閥的概述1.1.1 三通換向閥的概念三通換向閥是一種應用于蓄熱式工業窯爐上的一種煙氣與空氣（或氣體燃料）的換向裝置。1.1.2 三通換向閥的使用目的鋼坯在以煤氣為燃料的加熱爐中加熱時,三通換向閥是用以控制煤氣、空氣、送入爐內燃燒和排出爐內燃燒煙氣的一種閥門,它共有三個導入和導出的接口，使用中每一個閥門的二個相通的接口是

9、交替使用的，因為加熱爐兩側面的燒嘴是交替使用的，于是三通閥就起了進排氣交替使用的目的。1.2 三通換向閥的應用與控制1.2.1 三通換向閥的應用三通換向閥作為保證蓄熱式加熱爐正常運行的關鍵設備之一, 主要影響到燃料的供給量、廢氣的排出及溫度、爐子的安全、加熱坯料的能力及質量等, 對加熱工藝的執行、燒鋼質量起至關重要的作用。1.2.2 三通換向閥的控制換向系統是蓄熱式加熱爐上一個關鍵控制系統,具有定時換向、超溫報警、順序動作、自動保護、自動調節等一系列功能。三通換向閥控制hm i可實現所有換向閥的閥位顯示、換向操作和故障時的聲、光報警、顯示故障點等功能。第二章 三通換向閥的工作原理及組成2.1

10、三通換向閥的工作原理及plc控制系統蓄熱式加熱爐的特點就是頻繁換向, 通過換向閥實現空氣、煤氣、煙氣3種介質的同時換向。了解三通換向閥的結構及工作原理, 掌握其性能, 這樣才能正確使用和維護換向閥, 確保其正常工作。2.1.1 三通換向閥的工作原理蓄熱式加熱爐兩側每個燃燒單元由燒嘴、蓄熱體和切換系統組成，蓄熱體在燒嘴之前給氣體預熱。一側氣體經蓄熱體加熱在燒嘴后燃燒，給鋼坯加熱; 另一側燒嘴充當排煙角色, 同時加熱蓄熱體。結合加熱爐的爐型特點和現場環境，為順利實現換熱功能，使用三通換向閥構成燃燒和排煙系統。三通換向閥的結構如圖 2-1 三通換向閥工作原理圖所示。 圖 2-1 三通換向閥工作原理圖

11、三通換向閥為常閉式雙閥結構, 立式雙列布置, 即每組三通閥配有兩個雙缸控制閥形成三通道, 故名三通換向閥。其中一側為空氣(煤氣)入口, 通入燃燒氣體; 另一側為廢氣出口, 用于排煙及調節爐壓, 同時加熱蓄熱體; 下側與燒嘴蓄熱室相連。2.1.2 三通換向閥的plc控制系統三通換向閥使用壓縮空氣作動力源, 開關閥桿由氣缸控制。通過plc 的do 模塊輸出的24 vdc 電源控制單電控二位五通電磁閥的得電和失電, 從而控制氣源的通斷, 在閥瓣周圍形成上低下高或上高下低的壓差, 推動關閉件移動, 打開和關閉閥門。為準確知道三通閥的開關到位情況, 換向閥每個氣缸支架上均配置有到位接近開關, 通過d i

12、模塊將三通換向閥的到位情況反饋到plc 控制系統中, 用于在hm i上顯示三通換向閥的啟閉位置, 及時了解換向系統是否正常工作, 及時判斷故障。交替使用的，于是三通閥就起了進排氣交替使用的目的。整個控制系統由上位機pc 機( hm i)、下位機plc、傳感器(輸入部分)、電磁換向閥(控制部分)和氣動執行元件部分等組成, 通過輸出24 vdc 電源控制電磁換向閥的得電與失電, 從而接通氣路通道對氣動執行元件進行控制, 實現換向。三通閥換向程序中設定自動狀態下定時換向,分散控制則每段內換向閥換向完全錯開, 實行每一加熱段內三通換向閥順序打開和關閉的原則。通過一個控制字節來完成每段燒嘴的順序換向,

13、每隔一定時間打開或關閉一個燒嘴, 而集中換向則只需要控制大三通的開/關即可。分散控制程序如圖 2-2 三通換向閥分散控制程序圖所示： 圖 2-2 三通換向閥分散控制程序圖上述程序中, b it1為每秒產生的脈沖信號, 作為times每秒鐘自累加觸發信號, 則times每秒鐘累加一次, 當times與設定的換向周期time set相等時, 三通閥開始換向并將times置0重新計數, b it 2是產生周期1. 5 s的脈沖信號, 每隔1. 5 s依次順序打開一側換向閥。通過控制換向閥的動作, 使進入爐內的煤氣和空氣經過蓄熱室加熱, 成為熱的燃氣, 提高燃燒效率。從爐內排出的煙氣的熱量被蓄熱室內陶

14、瓷球吸收, 排出的煙氣溫度低于150 , 從而減少能源流失, 達到節能目的。并且通過煤氣側及空氣側的循環燃燒, 使爐內溫度穩定, 鋼坯溫度均勻, 有利于安全穩定的生產。三通換向閥的部分控制程序如圖 2-3 三通換向閥的部分控制程序圖所示：圖 2-3 三通換向閥的部分控制程序圖上述三通換向閥的程序中, 輸入信號有換向閥切除/投入和自動/手動轉換。三通閥的進氣側、排氣側關到位檢測信號, 手動打開換向閥(自動由程序內部根據換向周期及換向條件自動控制閥門的開關), 手動關閉換向閥, 溫度連鎖強制換向; 輸出信號為進氣側、排氣側的閥門控制, 換向閥通過二位五通雙控電磁換向閥的得電與失電控制氣路的接通與斷

15、開來實現。三通換向閥的控制程序同時設有換向連鎖、數值檢測、報警、故障顯示、急停等安全保護功能。換向連鎖條件是: 開始時先通空氣, 后開煤氣; 換向時先關煤氣, 后排煙氣。系統運行過程中, 如果出現煤氣通斷閥開不到位或空氣換向閥開不到位時, 系統自動關斷煤氣通斷閥, 同時, 蜂鳴器報警, 上位機畫面上各加熱段狀態圖中顯示相應閥位/開不到位0或/ 關不到位0, 并有開/關不到位故障指示, 操作人員通過故障指示及時找到故障閥, 并采取相應的處理措施, 可避免在換向過程中因閥開關不到位引起的各類安全問題。在控制上要求換向為進氣時, 排煙側關閉到位或排煙側關閉命令發出1 s之后方可進行; 同理排煙時進氣

16、側關閉到位或進氣側關閉命令發出1 s之后方可進行, 避免進氣與廢氣相混。2.2 三通換向閥的結構組成與裝配2.2.1 三通換向閥的結構組成三通換向閥主要由閥體、氣缸、閥桿、閥瓣、閥蓋、密封圈、電磁閥等構成。通過電磁閥控制兩臺氣缸交替工作, 帶動兩個閥瓣交替開啟和關閉。換向閥工作過程中空氣、煤氣不能與煙氣相串混, 因此換向閥的密閉性要好。 2.2.2 三通換向閥的裝配三通換向閥的總裝配由以下零件圖組成：閥體、閥蓋、氣缸總成、銷軸一、叉頭、閥桿、閥桿導向、銷軸二、閥桿頭、閥瓣壓板、閥瓣、密封圈壓環、密封圈。在裝配之前，每個零件必須符合圖紙加工工藝要求，裝配后在制造廠內進行試車運行，以保證設備正常使

17、用。三通換向閥實物圖如圖 2-5 所示。 圖 2-5 三通換向閥實物圖圖 2-6 三通換向閥裝配圖三通換向閥的裝配圖如圖 2-6 三通換向閥裝配圖所示。其中閥體、閥蓋、閥瓣為焊接件，焊接產品按照焊接技術通用條件jb/t5000.3-1998制造和驗收（對接焊縫質量評定等級：bs；角焊縫及其它焊縫質量評定等級：bk；尺寸公差精度等級：b：角度公差精度等級：b；形位公差精度：f)，所有盲孔不允許加工成通孔，采用 e50焊條連續焊接(未注雙面、45焊縫), 焊腳高度為被焊接件的最薄厚度。閥體結構件制作完畢后，對閥體充水，進行壓力試驗；實驗壓力為 0.5mpa，保壓時間為1小時，不允許有任何可見泄漏，

18、且不許有壓降現象可見。閥蓋和閥瓣內孔為焊后加工。閥桿采用20#鍛造，鍛造成品必須符合鍛件通用技術條件jb/t5000.8-1998之規定，正火處理。圖 2-7 三通換向閥閥體圖圖 2-8 三通換向閥閥桿圖圖 2-9 三通換向閥閥瓣圖圖 2-10 三通換向閥閥蓋圖在此畢業設計中只說明示意出三通換向閥的閥體（圖 2-7 三通換向閥閥體圖）、閥桿（圖 2-8 三通換向閥閥桿圖）、閥瓣（圖 2-9 三通換向閥閥瓣圖）、閥蓋（圖 2-10 三通換向閥閥蓋圖）幾個主要零件，具體詳見畢業設計圖紙。 第三章 三通換向閥的設計依據和動力氣缸的設計方法3.1 三通換向閥的設計依據閥門設計的主要出發點以進口口徑為依

19、據。要設計一個閥門， 最重要的是氣體在閥門內通過時的壓力損失要盡可能小， 閥門的體積也要盡量小，即可用的材料要最省，同時要能抗腐、耐磨、耐溫，用的動力要盡量的小，能達到這樣的閥門，則設計是較為合理的。氣流自進氣口直至出氣口， 如果能很平穩地流過，則它的壓力損失將可達到最低，那么在閥門內的各通過口直徑應該都一樣大小， 但如果是這樣，則閥門的體積比較大。為了要節約材料，應盡量減小體積，從閥門的結構型式看，唯一可以做的是將內部密封口處縮小，由此減小閥門其他部位的尺寸，但縮小后的密封口將使氣體通過時形成湍流，增加了阻力系數， 要使密封口處的阻力系數不是增加很大，而同時又能縮小閥體的尺寸，這是設計中的要

20、點。 圖 3-1 氣體在管道中流經孔板時的阻力系數以進出口為基礎，則密封口的面積和進出口面積的比值對阻力系數的關系是重要的，根據氣體流動時的流動特點，在管道內各種不同條件下的流動結果，見圖 3-1 到圖 3-5。由圖 3-1 可見，密封口與進口面積之比對阻力系數的相對關系是一曲線關系，當密封口面積對進出口面積比的比值大時，即二口徑的大小很接近時，阻力系數很小，但當面積比小時，阻力系數就成倍地增長，但要減小閥門體積，這個比值很有關系，從圖 3-1 中可以看出面積比在0.7 以上時阻力系數很小，不到1， 當面積比在0.6 以下時阻力系數很快上升，所以密封面處開口不能收縮得太小，據此，設計中采用了0

21、.7 以上，平均以0.75 計，密封口的面積縮小為進氣口面積的75%時， 形成湍流的阻力系數很小，這樣的閥門的體積可以得到一定的減小， 而氣體通過閥門時不會引起阻力的很大增加。圖 3-2 氣體在管道中流經管徑突然擴大時的阻力系數圖 3-3 氣體在管道中流經管徑突然縮小時的阻力系數按照閥體結構布置的需要，其他各處形成的阻力系數的曲線圖見圖 3-2 到圖 3-5 ，按照閥門圖形設計要求做出的尺寸，其體積擴大和縮小的結果，有關的比數均在較低的數值，從圖 3-2 到圖 3-5可以看出，阻力最大也不超過1。由此看來，閥門中形成阻力最大的是密封口處面積的大小，是氣流形成湍流時所造成的阻力，掌握了此處的尺寸

22、就能得到較理想的閥門設計。圖 3-4 氣體在管道中流經逐漸擴大時的阻力系數圖 3-5 氣體在管道中流經逐漸縮小時的阻力系數阻力損失的計算公式，參照氣體在管道內流動時：式中：局部阻力損失，mpa只要各處阻力系數k 的數值控制在較低的數值時， 總的阻力損失就將是較低的。3.2 三通換向閥動力氣缸的設計方法三通換向閥的密封處使用動力氣缸將閥瓣壓緊在基座上達到密封，動力氣缸的使用有兩個目的，一個是當要求密封時需由動力氣缸的壓力將閥瓣壓緊而密封住，不能被氣體所沖開；第二個目的是當閥瓣被閥內氣體壓住而密封緊時， 要用氣缸的力量將其打開，這樣左右二個密封處能夠得到交替使用，輪換通道，三通換向閥就能靈活地交替

23、使用。要打開或封緊密封口，所需要的最小力f是閥內氣體對閥瓣上的總壓力加氣缸拉起的閥瓣等總重量。 式中：打開或封緊密封口所需的最小力（n）壓強（pa）s受力面積（）g重力（n）m質量（kg）g重力系數（9.8n/kg）如考慮現場情況，有時壓縮空氣壓力的波動或輸送路線較長時會引起過大的壓力降，為保證生產條件下能正常運轉，設計時考慮以1.5 的系數加以保險。以畢業設計中三通換向閥(dn350)為例:裝配圖中閥口直徑為350mm,閥瓣直徑為400mm，氣缸拉起的閥瓣等總重量62 kg,管道高爐煤氣壓力5-12kpa,氣缸的壓縮空氣壓力0.4mpa。閥瓣打開時阻力： 閥瓣壓緊時阻力： 所以，選用氣缸最小

24、輸出力應大于3172.2n。根據動力氣缸制造廠提供的氣缸理論輸出力表的說明，在實際選用中，表中的理論輸出力應乘以0.8 系數后再選用。因此，在畢業設計三通換向閥中選用缸徑125mm，桿徑32mm的氣缸。氣缸壓緊側輸出力: 氣缸拉側輸出力: 因為氣缸壓緊側輸出力和拉側輸出力均大于閥瓣打開時阻力和壓緊時阻力，所以選用缸徑125mm，桿徑32mm的氣缸符合此三通換向閥的工作需求。 第四章 三通換向閥的使用環境、抗腐和密封4.1 三通換向閥的使用環境三通換向閥是用于氣體燃燒后煙氣經蓄熱體后的場合，氣體通過時溫度比較高，根據現場情況，氣體壓力，煤氣為500012000 pa，空氣為1000012000p

25、a ，煙氣溫度不高于300 ，在這樣的環境下，三通換向閥的材料需耐受溫度300 以上及氣壓12000 pa 以上，煤氣和煙氣中有腐蝕性成分，故又需耐腐蝕，同時煙氣或煤氣中細小顆粒的粉塵對運動部分的材料有粘附和摩擦作用， 凡此種種在設計中需要加以考慮。4.2 三通換向閥的抗腐和密封煤氣或煙氣中含有某些腐蝕性物質,所以在通過密封處時，在較高溫度下對閥體材料有腐蝕作用，普通的碳素鋼在短時期內就會氧化腐蝕壞，所以在活動板和閥體與活動板相接觸處均需要用耐腐蝕的不銹鋼材料， 采用icr18ni9ti、35# 或icr13 材質的不銹鋼，均可得到滿意的結果。密封處因氣體溫度在300 以下， 所以用氟橡膠為密

26、封條的彈性密封，密封的效果比較理想，但希望氣體中含雜質較少，雜質多了易粘附和堵塞密封處或將密封條磨損壞，形成泄漏。其他與氣缸桿等摩擦處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優于聚四氟乙烯。如果氣體溫度300 ，氟橡膠的密封條無法長期承受高溫，會產生密封破壞，那么就應采用較韌性材料的硬密封措施。 第五章 三通換向閥的常見故障及處理5.1 三通換向閥機械部分的損壞與電氣自動化故障三通換向閥在工作時, 環境溫度可達150 左右, 常出現閥板密封圈燒壞、脫落、氣缸漏氣、閥體無動作等現象, 開/關不到位。如果閥體關不到位, 會出現一直抽廢氣現象, 引起空氣、煤氣的流失, 影響加熱爐加熱

27、溫度和加熱質量, 使蓄熱室排煙溫度超高, 造成該支管路溫度升高,如果長時間可能燒紅該支管路和三通閥的進一步損壞。閥體卡死。因出現雜質, 或是由于煤氣中含有的h2 s, 燃燒后形成so2 和h2o, 具有腐蝕性, 同時h2o高溫下又能與鐵反應, 長期使用腐蝕閥體, 產生雜質,雜質進入軸與軸套之間, 卡死閥門。氣源壓力不穩。三通換向閥使用壓縮空氣做動力源,氣體中的雜質容易造成氣孔堵塞或氣壓不穩使氣壓下降而無法打開閥門。另外, 電磁閥本體漏氣, 壓縮空氣不能進入氣缸, 也無法開關閥門。電氣故障。因現場的高溫環境, 出現供給電磁閥的24 vdc控制線燒毀, 出現短路現象, 無法打開電磁閥; 另外, 有

28、時因信號線燒毀, 在操作界面上錯誤顯示三通換向閥的工作狀態, 應及時更換損壞的信號線, 以免真正出現故障而無法知道。電磁閥線圈消磁或者燒毀, 電磁閥無法正常工作。接近開關損壞, 在高溫下電磁閥和行程開關元件極易受損而出現故障, 對三通換向閥的工作狀態誤報。5.2 三通換向閥的故障處理及維護平時做好三通換向閥的巡檢工作, 發現問題及時解決。操作工在使用過程中, 多加注意, 勤于觀察三通換向閥, 出現故障及時與專業人員聯系。做好日常維護, 對于有損害的部件及時更換, 不要等到無法使用時再更換。利用換輥、設備檢修等特殊時間對三通換向閥進行檢查更換, 利用停爐時間, 操作工、電氣人員、自動化人員、機械

29、人員對三通換向閥做全面檢查, 包括程序、線路、機械部件, 對易損部位、易損件檢查, 發現問題及時修復或更換。 第六章 結論與展望1經過畢業設計對三通換向閥的設計、應用與控制有了更深的了解。同時又熟悉了word軟件和auto cad軟件的操作使用。通過這次設計使我對機械設備知識有了一個系統的概念，也體會到做事耐心和仔細的重要性。2機電設備設計是一個實踐性很強的工作，需要一定的經驗。由于自己經驗缺乏，在設計的過程中難免會出現疏漏和錯誤的地方，這就需要自己查閱相關書籍手冊并請教老師同學來解決問題，從而培養了自己思考和解決問題的能力。 3經過這近三個月的條件，畢業論文終于告于段落，在這期間有過辛酸，有過幸福。曾經為了畫一幅機電設備圖紙而整天閉門不出，有時為了一個小小的設計理念而和同學爭的面紅耳赤，當你接觸機械，你會發現它是如此的神奇。可當你認真的去研究，你會發現你的知識是那么的缺乏，然而當你終于懂得機電設備運動的過程，你又會欣喜若狂。4在設計的過程中，你才明白設計者的艱辛，他們要不停的審核，不停的修改。有時為