阀门毕业生毕业综合实践.docx
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阀门毕业生毕业综合实践
温州职业技术学院
毕业综合实践
课题名称：
煤化工锁渣球阀设计（NPS10CL300）
作者：
陈旺盛学号：
10014104
系别：
机械工程系
专业：
阀门设计与制造
指导老师：
董金新专业技术职务阀门教研室主任
2013年4月浙江温州
课题摘要
本课题来自教师的科研项目,根据已知的球阀设计经验,对压力为5Mpa,口径为DN250的煤化工锁渣球阀进行结构设计，主要包括了结构设计、强度校核和材料选择等，在结构和材料方面在满足强度的前提下，分析工况要求,尽量降低结构的复杂性，以更小的消耗、更简单的结构来实现成品的设计优化。
本设计以已给的参数和工况设计条件为着眼点，同时根据阀门标准为中心，借助autoCAD二维制图软件并根据球阀设计手册的标准框架的结构形式对产品进行了二维制图，确定口径DN250的固定球阀的结构形式和启动方式。
最终对煤化工锁渣球阀进行结构设计，绘制出其总装配图和主要零件图，这对以后设计与研究同类球阀具有一定的参考价值。
关键词：
结构设计、强度校核、材料选用
1.绪论..........................................................5
1.1球阀发展历史..........................................5
1.2国内外研究现状........................................5
1.3本文研究的主要内容、方法和目标........................6
2.阀门的概述..............................................6
2.1阀门的分类.............................................6
2.2阀门参数...............................................6
2.2.1结构型号.............................................7
2.2.2执行标准.............................................7
2.2.3阀门机构.............................................7
3.球阀的结构设计及其校核..................................7
3.1球阀的构成、作用原理、特点和结构分类....................7
3.1.1球阀的构成............................................7
3.1.2球阀的作用原理........................................8
3.1.3球阀的特点............................................8
3.1.4球阀的结构分类........................................9
3.2确定球体最小通道直径....................................9
3.4球体的直径确定.........................................10
3.5壳体壁厚验算..........................................11
3.6密封面上的计算比压....................................11
3.7阀杆头部强度验算.....................................12
3.8中法兰螺栓强度校核...................................15
总结......................................................17
致谢......................................................17
参考书目..................................................17
1.绪论
1.1球阀发展历史
球阀是上世纪50年代问世的一种新型阀门。
在短短的30多年里，球阀已发展成为一种主要的阀类，它在航空航天、石油化工、长输管线、轻工食品、建筑等许多方面都得到了广泛的应用。
早在19世纪80年代美国就开始设计球阀，但是当时缺乏适当的密封材料，限制了求法的发展，使它未能成为一种正式工业产品。
直到上世纪50年代，聚四氟乙烯等弹性密封材料的出现才使球阀的产生发展出现了转机。
同时由于机床工业的发展，使球体加工技术提高，能够实现球体所要求的尺寸精度与表面粗糙度。
1.2国内外研究现状
目前球阀最大公称通径已达到3050mm，这是美国EscherWyss公司为田纳西州的一个泵站所提供的四台球阀，用作透平机出口的切断阀，设计压力为4.8Mpa。
球阀的最高工作压力已达72Mpa，其相应温度高达1000℃。
球阀不仅在一般工业管道上得到了广泛应用，而且在核工业、宇航工业的液氧与液氢输送管线上普遍采用。
全塑料球阀近年来发展较快。
其特点是：
耐腐蚀、重量轻、成本低。
西德一家阀门公司已制造通径为6“的塑料球阀。
美国HillMaccanng公司制成一种含氟材料球阀，商业名称为Kynar，据称有高强度、优良的耐温与耐腐蚀性能，使用温度为
250℃。
同时随着时代的发展，进入21世纪以后，生产和制造技术有了显著优化提高，同时，技术人员大都通过计算机技术对产品进行研发设计和控制优化，在很大程度上提高了设计速度和更新周期。
目前，全球的控制市场如同大部分工业品一样被三个经济体瓜分，分别是美国为代表的北美经济体，以德国、英国、法国为代表的欧盟地区，和以日本为代表的亚太地区。
美国是全球最大的阀门供应商，其阀门协会有超过110家企业，年产值超过40亿美元。
德国在二战之后迅速恢复经济，其产品通过优良的质量迅速占领市场。
德国阀门企业一般都属于专业性很强的公司，在某一类产品的研究、设计和制造方面都有自己的特色。
日本作为世界第二经济体，其阀门类产品由于价格适中，质量较好，迅速占领了中国中低端市场。
目前我国关于球阀的生产企业大多规模小、科研能力弱，大多通过参考外国产品进行设计生产，其主要原因是技术投入资金不足，科研人员数量不足，所以在国内很多的大型工程招标中大多被外国阀门企业所垄断。
1.3本文研究的主要内容、方法和目标
球阀作为新型的阀门品种之一，关于球阀的设计方案十分稀少，本文的主要研究内容为煤化工锁渣球阀的结构设计。
球阀的设计要求保证合适的强度与刚度，从而保证球阀的寿命和稳定性。
本课题主要对NPS10、CL300的煤化工锁渣球阀进行结构设计、强度校核。
课题的研究内容和方法主要包括：
（1）内容：
确定球阀结构长度、法兰数据、最小壁厚、流道直径、球体外径等数据，对密封比压、阀杆强度、阀杆扭矩、中法兰连接强度等项目进行验算。
（2）方法：
1.运用所学的专业知识，以及在实习中学到的专业实践知识，查阅标准和相关资料算出球阀的结构长度、法兰数据、最小壁厚、流道直径球体外径等数据,以及验算密封比压、阀杆强度、阀杆扭矩、中法兰连接强度等项目，正确地解决计算过程、设计中的结构工艺分析、方案论证等问题。
3.进行机械加工工艺的技术分析。
4.查阅设计手册和文献资料，课题设计中能熟练地运用各种技术资料和文献。
2.阀门的概述
2.1阀门分类
阀门的种类繁多，随着各类成套设备、工艺流程的不断改进，阀门的种类还在不断的增加，但总的来说可分为两大类。
（1）自动阀门依靠介质（液体、空气、蒸汽等）本身的能力而自行动作的阀门。
如安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀、空气疏水阀、止回阀、调节阀、紧急切断阀、温度调节阀等。
（2）驱动阀门借助手动、电力、气力或液力来操纵的阀门，如闸阀、截止阀、节流阀、蝶阀、球阀、旋塞阀、隔膜阀等。
2.2阀门参数
1、型号：
10”Q647Y
2、执行标准：
阀门设计按照API608-2008的规定；
阀门法兰按照ASMEB16.5-2009的规定；
阀门结构长度按照ASMEB16.10-2000的规定；
阀门试验与检验按照API598-1996的规定；
3、技术参数：
①、公称尺寸DN：
250
②、公称压力PN：
50
③、适用温度范围:
200—220℃
④、介质:
颗粒性煤渣
4、阀门结构：
①、密封副结构：
球面硬密封
2中法兰结构：
凹凸面
3、阀杆结构：
上装式
3阀门结构设计及校核
3.1球阀的构成、作用原理、特点和结构分类
3.1.1球阀的构成
图1-1固定球球阀结构
1.下阀杆2.阀座3.球体4.阀体5.上阀杆
球阀主要由阀杆、阀座、球体、阀体、填料、填料压盖等几部分主要零件构成。
下面对上述几个重要零件的设计进行设计计算。
图1-1为球阀结构图。
3.1.2球阀的作用原理
球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体管道，即球阀通常为闭路阀。
因此，球阀的作用原理很简单：
借助驱动装置的在阀杆端施加一定的转矩并传递给球体，使它旋转90°，球体的通孔则与阀体通道中心线重合或者垂直，球阀便完成了全开或全关的动作。
3.1.3球阀的特点
球阀的主要特点如下：
流体阻力小、开关迅速、方便、密封性好、寿命长、可靠性高，而且阀体内通道平整光滑适于输送粘性流体，浆液，以及固体颗粒。
3.1.4球阀的结构分类
按球体和阀体的不同结构形式，球阀可以分几大类。
1.按球体的支撑方式分类
按球体的支撑方式，球阀可分为浮动球球阀和固定球球阀两大类。
其中浮动球阀的特点十分突出，主要有结构简单、制造方便、工作可靠。
而固定球阀的转矩小，阀座形变小，密封性能稳定，使用寿命长，适用于高压、大通径场合。
2.按球体的安装方式分类
按球体的安装方式可分为顶装式、底装式、侧装式和斜装式。
本次球阀设计选用了侧装法兰连接二分体式球阀，其特点是将阀体沿与阀门通道轴线相垂直的截面分为不对称的左右两半，球体从截分面孔道装入，左、右两半阀体用法兰连接的球阀。
3.按球阀与管道的连接形式分类
按球阀与管道的连接形式可分为法兰连接球阀、内螺纹和外螺纹连接球阀以
及焊接连接球阀。
其选用在阀体设计中有详细说明。
3.2确定球体最小通道直径
根据公称通径DN查阅相关标准确定最小的通径大小。
美标API608-2008，《法兰、螺纹和焊连接的金属球阀》。
DN250（NPS10），PN50（5MPa）
表2-1
选全径，NPS10最小通径251mm；
3.4球体的直径确定
球体的直径大小影响球阀结构的紧凑性，应此应尽量缩小球体直径。
球体半径一般按R=（0.75~0.9）DN计算。
同时为保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，定球径后须按下式进行校核：
（mm）（3-1）
必须满足D＞
，
式中
为最小球体直径（mm）；
—阀座外径（mm）；
d—球体通道孔直径（mm）；
D—球体实际直径（mm）。
=366.456mm
由上面可知可取球体直径D=385mm，
=267mm
3.5壳体壁厚验算
从表（3-A）查出ASMEB16.34-2004标准中的最小壁厚12.7，参考取tB取20mm,壳体壁厚t计算：
（据阀门设计计算手册表3-2t计算）
tB’=1.5×
+C
式中：
p—计算压力，
P=PN=5MPa（设计给定）
DN—计算内径，DN=251mm。
[σL]—材料许用拉应力。
（查手册表3-5），[σL]=120.7MPa
C—考虑工艺性和介质腐等因素而附加的裕量（mm）。
tB’=1.5×
+C
因tB–C=17（参照《阀门设计入门与精通》表8—1），C取3mm
tB’=10.963mm
显然tB>tB’
故：
阀体最小壁厚满足要求。
3.6密封面上的计算比压。
3.6.1必须比压计算
必需比压是为保证密封，密封面单位面积上所必需的最小压力，以qMF表示。
由于流体压力或附加外力的作用，在球体与阀座之间产生压紧力，于是必需比压式球阀设计中最基本的参数之一，它直接影响球阀的性能及结构尺寸。
下面是由实验结果得出的计算公式（根据《阀门设计入门与精通》7-3）：
qMF=
试中：
C—与密封面材料有关的系数
对于硬质合金取C=3.5
K—在给定的密封材料条件下，考虑介质压力对比压值的影响系数
对于硬质合金取K=1
P—介质工作压力，通常取公称压力PN（MPa）（设计给定），P=5MPa
bM—密封面宽度（设计给定），bM=5mm
所以qMF=
=12.021MPa
3.6.2密封比压计算
（根据《球阀设计与选用》4-38）
q=
试中：
P—工作压力（设计给定），P=5MPa
—阀座外径（设计给定），
=295mm
D1—阀座内径（设计给定），D1=251mm
D2—密封面外径（设计给定），D2=267mm
最终算得q=12.493MPa,qMF3.7阀杆头部强度验算：
阀杆端头扭转剪切应力按下式校核：
τN=
≤[τN]
式中：
MF—阀杆端头所受的扭转剪切应力校核（MPa）；
ωs—B-B断面的抗扭断面系数（mm3），
b—键槽宽度
t—键槽深度
ωs=WK=πd3/16-
（表15-22）
=
-
=49701.322
MF=MQG+MFT+MZC（查表5-151）[1]
（1）MQG—固定球球阀的球体与阀座密封面间的摩擦力矩：
MQG=MQG1+MQG2
MQG1=
（DMW2-DMN2）（1+COSψ）qMOfMR
DMW—阀座密封面外径（mm）设计给定
DMN—座密封面内径（mm）设计给定
DJH—进口密封座导向外径 （mm） 设计给定
qMO—球体最小预紧比压，qMO=2MPa
fm—球体与密封圈间摩擦因数，fm=0.05（查表5-15）
MQG1=
（2672-2602）（1+COS45°）×2×0.05×192.5
=85029.686（N·mm）
MQG2=πPfMR（DJH2-0.5DMN2-0.5DMW2）（1+COSψ）/8COSψ
=π×5×0.05×192.5×（2952-0.5×2602-0.5×2672）（1+COS45°）/8
COS45°
=266090.112（N·mm）
所以，MQG=MQG1+MQG2
=351119.799（N·mm）
（2）
MFT=QT
（查表5-149）
式中：
MFT—填料与阀杆间摩擦力矩；
QT—阀杆与填料摩擦力矩，QT=dFbTP；
bT—填料宽度，bT=10mm（设计给定）；
hT—填料深度，hT=50mm（设计给定）；
ψ—系数，
根据
=
=5给出估计值ψ=5；
DF—阀杆直径，DF=64mm（设计给定）。
所以，QT=64×10×5
=3200N
故：
MFT=3200×
=102400（N·mm）
（3）轴承产生的摩擦力矩：
MZC=
DJH2PfZdQj
其中：
fZ—轴承摩擦因数，fZ=0.05；
DQj—轴颈，dQj=80mm（设计给定）。
所以，MZC=
×2952×5×0.05×80
=683146.25（N·mm）
故：
MF=351119.799+102400+683146.25
=1136666.05（N·mm）
故所以，τN=
=22.870Mpa
因[τN]=145MPa（查表3-7）
又因，材料2Cr13的最小抗拉强度，
бb=650Mpa（查表3-6）
[бL]=650/2.5=260MPa
所以，[τN]=（0.5~0.6）×260
=130~156Mpa
因τN=22.870Mpa＜[τN]=130~156Mpa
所以符合τN=
≤[τN]的条件。
故：
阀杆强度合格。
3.8中法兰螺栓强度校核。
1、设计时给定：
螺栓数量，n=16
螺栓名义直径，dB=M27
2、螺栓载荷计算：
（1）操作状态下螺栓载荷（N）：
WP=F+FP（见设P368）
式中：
WP—在操作状态下螺栓所受载荷（N），
F—流体静压总轴向力（N），
F=0.785DG2P
其中：
DG为垫片压紧力作用中心圆直径（mm），
DG=470mm（设计给定）
F=0.785×4702×5
=867032.5（N）
FP—操作状态下需要的最小垫片压紧力（N），
FP=2πbDGMP
其中：
b=bo（垫片基本密封宽度），
b=bo=3.75mm（查表4-18）
M—垫片系数，M=0.53（查表4-17）
FP=2×3.14×3.75×470×0.53×5
=29331.525（N）
WP=867032.5+29331.525
=896364.025（N）
（2）预紧状态下螺栓所受载荷Wa（N）。
Wa=πbDGY
式中：
Y—垫片比压（MPa），
Y=5.0（查表3-14）
Wa=3.14×3.75×470×5
=27671.25（N）
3、螺栓面积计算：
（1）操作状态下需要的最小螺栓截面积（mm2）
AP=
（见设P368）
式中：
[б]t—200℃下螺栓材料的许用应力，
[б]t=215（MPa）（见设表3-9P697）
AP=
=4169.135mm2
（2）预紧状态下需要的最小螺栓截面积，
Aa=
式中：
[б]—常温下螺栓材料的许用应力（MPa），
[б]=[б]t=215MPa
Aa=
=86.27mm2
（3）设计时给定的螺栓总截面积，
Ab=
ndmin2
=（3.14/4）×16×（27-2.5）2
=7539.14mm2
（4）比较：
需要的螺栓总截面积，
AM=max（Aa,Ap）
=4169.135mm2
因为Ab=7539.14mm2,AM=4169.135mm2
所以，Ab＞AM
故：
螺栓强度校核合格。
总结
通过本次毕业综合实践，我复习了阀门设计的基础知识，复习了机械制图，公差配合、材料力学等基础知识。
通过对阀门实物的测绘，系统地了解了各类阀门的内部结构与功能，了解了阀门各个零件的加工工艺、装配过程，清晰地认识了阀门的设计和加工流程，加强了自己的专业技能，特别在机械制图、材料力学和工程力学等方面都有所提高。
在解决问题的过程中发现自身存在的缺陷，在指导老师和同学的帮助下及时弥补不足，进而提升了自己的水平，懂得了知识和技术的重要性，提高综合实践、创新的能力，为接下来走上工作岗位做好准备。
致谢
本次毕业设计是在董金新老师的认真指导下一步步完成的，我的课题成果中每一步都能见证老师的汗水。
在进行课题任务过程中，我由于自身知识和经验的不足，课题任务时常陷入困惑，停滞不前，还好董金新老师及时为我提供了与课题研究相关的资料，并在整个课题进行过程中给予了认真的指导。
董金新老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风对我进行了全面的指导和培养，这不仅使我顺利完成了本次毕业设计，也将使我受益终生。
值此论文完成之际，首先向我的导师致以最诚挚、最深切的谢意!
在此，谨向董金新老师表示最衷心的感谢!
谢谢！
最后，我也要感谢小组成员在课题任务开展过程中给我的无私帮助和关心。
参考书目
（1）《阀门设计入门与精通》陆培文主编机械工业出版社；
（2）《阀门设计计算手册》陆培文主编
（3）《通用阀门概论》董金新主编温州职业技术学院；
（4）《机械制图》吴百中主编北京大学出版社；
（5）《公差与测量结束》南秀容等编著国防工业出版社；
（6）《球阀设计与选用》章华友等编著
（7）《API608-2008法兰、螺纹和焊连接的金属球阀》；
（8）《ASMEB16.5-2009管法兰及法兰管件》
（9）《ASMEB16.10-2000阀门结构长度》
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