球阀的设计与计算.docx
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球阀的设计与计算
球阀的设计与计算
一、球阀的设计
1.1设计输入
即设计任务书。
应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等），使用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构长度、连接型式、产品的检验与试验等）
1.2确定阀门的主体材料和密封圈材料
1.3确定阀门承压件的制造工艺方法
1.4确定阀门的总体结构型式
1.对阀门结构的确定:
一般如果压力不高,DN≤150时,可优先采用浮动式结构,其优点是:
结构简单
如果浮动球式结构满足不了需要时,应采用固定式结构或其它结构型式（如半球、撑开式…）
2.对密封的材料的确定
由于球阀的使用受温度的影响很大,因此,密封的材料的选定很关键：
①对使用温度≤300℃时,密封面材料可选择塑料类材料（如聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼龙、对位聚苯）
②当使用温度超过300℃.或者介质代颗粒状时,密封面材料应选金属密封。
3．对球阀使用要求的确定
主要确定,球阀是否具有防火.防静电要求
4．对阀体型式确定
由于球阀公称通径适用的范围很广,其阀体型式也较为多样,一般分为以下三种：
1整体式阀体
一般用于DN≤50的小通径阀门,此时,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工而来,而对口径较大时,多采用二体式、三体式或全焊接结构
②二体式结构由左右不对称的二个阀体组成，多采用铸造工艺方法
③三体式结构由主阀体和左右对称的二个阀体组成,可采用铸造或锻造工艺方法
5．阀门通道数量（直通、三通、四通…）
6．选择弹性元件的形式
1.5确定阀门的结构长度和连接尺寸
1.6确定球体通道直径d
球体通道直径应根据阀门在管道系统中的用途和性质决定，并要符合相关的设计标准或用户要求。
球体通道直径分为不缩径和缩径二种：
不缩径：
d等于相关标准规定的阀体通道直径
缩径：
一般d=0.78相关标准规定的阀体通道直径，此时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确保流阻不会增大。
1.7确定球体直径
球体半径一般按R=（0.75～0.95）d计算
对小口径R取相对大值，反之取较小值
为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核
（mm），应满足＞
式中：
：
球体最小计算直径（mm），：
阀座接触面外径（mm），d：
球径通道孔直径（mm）D：
球体实际直径（mm）
二、球阀的计算
2.1壁厚的确定
见闸阀相应的计算
2.2球体与阀座之间比压的计算
应满足
式中：
qMF：
密封面上的必须比压（MPa）
①可根据工作压力来计算，qMF=1.2P（适用于中低压通径不大场合）
②由试验得出的经验公式计算：
式中：
m:
与流体性质有关的系数
对常温液体：
m=1
对常温油品和空气、蒸汽以及高于100℃的液体：
m=1.4
对氢、氮及密封要求高的介质：
m=1.8
a，c：
与密封面材料有关的系数，见表所示
密封面材料
a
c
钢、硬质合金
3.5
1
聚四氟乙烯、尼龙
1.8
0.9
铜、铸铁
3.0
1
中硬橡胶
0.4
0.6
软橡胶
0.3
0.4
P：
流体的工作压力（MPa），设计给定
b:
密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度
b=（mm）
t:
密封面宽度（mm），设计给定
φ：
密封面法向与流道中心线的夹角
：
球阀密封比压（MPa）
①对浮动球阀：
（见图示）
式中：
DMW：
阀座密封面外径（mm）设计给定
DMN：
阀座密封面内径（mm）设计给定
P：
介质工作压力（MPa）
②对进口密封的固定球阀（见图示）
进口密封固定球球阀结构
式中：
DJH：
进口密封座导向外径（mm）设计给定
R：
球体半径（mm）设计给定
h：
密封面接触的宽度在水平方向的投影（mm）
h=l2-l1
式中l2，l1：
球体中心至密封面的距离（mm）见图示
③其它密封球阀，略
[q]：
密封面材料的许用比压[MPa]查下表
密封面材料的许用比压[q]
密封面材料
材料硬度
[q][MPa]
密封面
间无
滑动
密封面
间有
滑动
黄铜
CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38
HB80～95
80
20
CuZn16Si4
HB95～110
100
25
青铜
CuAL10Fe3
HB≥110
80
25
CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2
HB120～170
100
35
奥氏体
不绣钢
1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti
HB140～170
150
40
马氏体
不绣钢
2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2
HB200～300
250
45
HR35～40
氮化钢
35CrMoAlA、38CrMoAlA
Hv800～1000
300
80
堆焊
合金
TDCoCr1-x
HR40～45
250
80
TDCr-Ni（含Ni）
HB280～320
250
80
中硬
橡胶
5
4
F-4
SFB-1，SFB-2，SFB-3
SFBN-1，SFBN-2，SFBN-3
20
15
尼龙
40
30
注：
钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适用。
2.3球阀的转矩计算
2.3.1浮动球阀总转矩计算
浮动球阀中，所有载荷由介质出口的阀座密封圈承受，总转矩由下式计算
MF=MQz+MFT+MMJ
式中：
MQZ：
球体在阀座中的摩擦力矩
MQZ=（N·mm）
式中：
f:
球体与阀座的摩擦系数对聚四氟乙烯：
f=0.05
对增强聚四氟乙烯：
f=0.08～0.15
对尼龙：
f=0.1～0.15
其它符号：
同前
MFT：
填料与阀杆的摩擦力矩
①对聚四氟乙烯成型填料：
（N·mm）
式中：
f:
阀杆与填料的摩擦系数。
f=0.05
h:
单圈填料与阀杆的接触高度（mm）设计给定
Z：
填料圈数设计给定
dF：
阀杆直径（mm）设计给定
P：
计算压力（MPa）设计给定
②对橡胶O型图：
MFT=（N·mm）
式中：
Z：
O型圈个数，设计给定
fo:
橡胶对阀杆的摩擦系数。
fo=0.3～0.4
do：
O型圈的横截面直径（mm）设计给定
MMJ:
阀杆台肩与止推垫间的摩擦力矩
式中:
f:
摩擦系数按材料同前面规定选取
DT:
台肩外径或止推垫外径.选二者中小者（mm）设计给定
2.3.2固定球阀总转矩计算
在固定球阀中,球体受到的作用力完全传递到支撑轴承上,
对进口密封的固定球阀,其总转矩计算:
式中:
MQZ:
球体在阀座中的摩擦力矩
式中:
MQZ1:
由阀座对球体的予紧力产生的摩擦力矩
（N·mm）
式中:
qM:
最小予紧比压（MPa）
取:
但不应小于2MPa
其它符号的选取见前面规定
MQZ2:
由介质工作压力产生的摩擦力矩
（N·mm）
MFT:
填料与阀杆的摩擦力矩（N·mm）
见浮动球阀计算
MZC:
轴承中的摩擦力矩
（N·mm）
式中:
fz:
轴承的摩擦系数
对塑料制的滑动轴承fz按f选取
对滚动轴承fz=0.002
dQJ：
球体轴颈直径（mm）设计给定,对滚动轴承,dQJ=轴承中径
QZJ:
介质作用球体轴颈上的总作用力
（N）
MMJ:
阀杆台肩膀与止推垫间的摩擦力矩（此项仅用上阀杆与球体分开时的结构，对整体MMJ=0）
（N·mm）
2.4阀杆强度计算
2.4.1浮动球阀杆的强度计算
1、阀杆与球体连接部分的计算：
阀杆与球体接触按挤压计算，见图示
σZY=≤[σZY]
式中：
a：
见图示（mm）设计给定；
h：
阀杆头部插入球体的深度，（mm），一般取h=（1.8～2.2）a，正方形时，a改为b。
注意：
h不要取的过大，否则球体活动性减小。
[σZY]：
球体材料的许用挤压应力（MPa）
对奥氏体不锈钢：
当σb＜600MPa时，取[σZY]=122MPa
或按下式计算：
[σZY]=～（σb：
材料的抗拉强度）
2、阀杆头部强度校核
①Ⅰ-Ⅰ断面处的扭转应力：
τN=≤[τN]
式中：
MQZ：
球体与阀座密封面间的摩擦转矩（N·mm）见前面
W：
Ⅰ-Ⅰ断面的抗扭转断面系数见图示
对正方形断面：
W=（mm3）
对近似矩形断面：
W=0.9αba2（mm3）
式中：
α值根据b/a按表选取
b/a与α的关系表
b/a
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
4.0
6.0
8.0
0.208
0.219
0.231
0.246
0.258
0.267
0.282
0.299
0.307
[τN]:
材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7
②Ⅱ-Ⅱ断面处的剪切应力
=[]
式中：
DT：
阀杆头凸肩的直径（mm）设计给定
dF：
阀杆直径（mm）设计给定
H：
阀杆头凸肩高度（mm）设计给定
P：
计算压力（MPa）
[τ]：
材料的许用剪切应力（MPa），查[资料1]表3-7
③Ⅲ-Ⅲ断面处扭转应力
τN=[τN]
式中：
MF：
浮动球阀总转矩（N·mm），见7-3-1节。
W：
Ⅲ-Ⅲ断面处的抗扭转断面系数（mm3）
W=dF3
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7
④Ⅳ-Ⅳ断面处扭转应力
τN=[τN]
式中：
MF：
浮动球阀总转矩（N·mm），见7-3-1节。
W：
Ⅳ-Ⅳ断面处的抗扭断面系数（mm3）
对正方形和矩形断面，按Ⅰ-Ⅰ断面的原则计算。
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7
2.4.2固定球阀阀杆强度计算
结构为上阀杆代O型圈密封的强度计算见图示
1.Ⅰ-Ⅰ断面处的扭转应力：
≤[τN]
式中：
MQZ：
球体与阀座密封面之间的摩擦转矩（N·mm）见7.3.1节
W：
Ⅰ-Ⅰ断面处的抗扭系数
式中：
n：
键的数量设计给定
b，d1，t：
见图示（mm）设计给定
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa）查[资料1]表3-7
2.Ⅱ-Ⅱ断面处剪切应力：
按浮动球Ⅱ-Ⅱ断面公式计算
3.Ⅲ-Ⅲ断面的扭转应力
≤[τN]
式中：
MF：
固定球阀的总转矩（N·mm）见7.3.2
MFT：
阀杆与填料之间的摩擦转矩（N·mm）见7.3.2
W：
Ⅲ-Ⅲ断面处的抗扭断面系数（mm3）
计算方法，同上述
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa）查表同上述
4.Ⅳ-Ⅳ断面处的扭转应力
≤[τN]
式中：
MF，[τN]同上述
W：
Ⅳ-Ⅳ断面处抗扭断面系数（mm3）
对正方形、矩形，键连接的W按上述方法计算。
对花键连接：
式中：
Z：
花键齿数设计给定
其余符号：
见图示
2.5阀杆连接件（平键或花键）的强度计算
2.5.1平键的强度计算
1.平键的比压计算
式中：
T:
转矩（N·mm）
对于阀杆手柄或驱动装置连接部分：
T=MF
对于阀杆与球体连接部分：
T=MQZ
n:
键数设计给定
K、d1：
如图所示（mm）设计给定
L:
键的工作长度（mm）
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