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球阀设计毕业论文

第一章绪论

1.1球阀简介

球阀问世于20世纪50年代，随着科学技术的飞速发展，生产工艺及产品结构的的不断改进，在短短的40年时间里，已迅速发展成为一种主要的阀类。

在西方国家工业发达的国家，球阀的使用正在逐年不断的上升，在我国，球阀被广泛的应用在石油炼制、长输管线、化工、造纸、制药、水利、电力、市政、钢铁等行业，在国民经济中占有举足轻重的地位。

　　球阀主要用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流体的调节与控制，其中硬密封V型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗料等介质。

而多通球阀在管道上不仅可灵活控制介质的合流、分流、及流向的切换，同时也可关闭任一通道而使另外两个通道相连。

1.2球阀的工作原理

球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。

球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。

球阀最适宜做开关、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用，如V型球阀。

　　球阀的主要特点是本身结构紧凑，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。

球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的。

1.3球阀的特点

1．流体阻力小，全通径的球阀基本没有流阻。

　　2．结构简单、体积小、重量轻。

　　3．紧密可靠。

它有两个密封面，而且目前球阀的密封面材料广泛使用各种塑料，密封性好，能实现完全密封。

在真空系统中也已广泛使用。

　　4．操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转90°，便于远距离的控制。

　　5．维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便。

　　6．在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。

　　7．适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。

　　8．由于球阀在启闭过程中有擦拭性，所以可用于带悬浮固体颗粒的介质中。

1.4球阀的分类

球阀分有：

浮动球球阀、固定球球阀、轨道球阀、V型球阀、三通球阀、不锈钢球阀、锻钢球阀、卸灰球阀、抗硫球阀、三通球阀、气动球阀、电动球阀、卡套球阀、焊接球阀。

　　按壳体/主体材料分类，球阀可分为：

　　1.金属材料阀门：

如碳钢阀门、合金钢阀门、不锈钢阀门、铸铁阀门、钛合金阀门、蒙乃尔阀门、铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门等。

　　2.金属阀体衬里阀门：

如衬胶阀门、衬氟阀门、衬铅阀门、衬塑阀门、衬搪瓷阀门。

　　3.非金属材料阀门：

如陶瓷阀门、玻璃阀门、塑料阀门。

　　国内生产球阀的厂家比较多，连接尺寸也大多不统一。

主要分以下几个大类：

（1）以JB／T2203－1999《球阀结构长度》为主的通用类。

目前国内大多数球阀生产厂家均按本标准设计生产。

如上海良众阀门有限公司、浙江罗浮锅炉附件厂、杭州阀门厂、、上海阀门厂、开封高压阀门厂、海安阀门厂等。

但本标准也不尽完美，规格不全，浮动式球阀最大公称通径为DN1200，固定式球阀最大公称通径DN2000。

根据厂所生产的阀门规格及掌握的资料来看，目前浮动式球阀公称通径最小为DN6，固定式球阀公称通径最小为DN50。

经考证，各厂家连接尺寸也不尽统一，如DN150固定式球阀，上海良众阀门厂、上海阀门厂及上海雅泽阀门厂各不相同。

为了有一个统一的标准，用户在选用及安装时同一规格能够互换，建议国家通用机械研究所对JB／T2203－1999《球阀结构长度》进行修订。

建议设计院及用户按标准选用，球阀生产厂家按标准设计制造。

1.4.1浮动球球阀

球阀的球体是浮动的，在介质压力作用下，球体能产生一定的位移并紧压在出口端的密封面上，保证出口端密封。

　　浮动球球阀的结构简单，密封性好，但球体承受工作介质的载荷全部传给了出口密封圈，因此要考虑密封圈材料能否经受得住球体介质的工作载荷，在受到较高压力冲击时，球体可能会发生偏移。

这种结构，一般用于中低压球阀。

1.4.2固定球球阀

球阀的球体是固定的，受压后不产生移动。

固定球球阀都带有浮动阀座，受介质压力后，阀座产生移动，使密封圈紧压在球体上，以保证密封。

通常在与球体的上、下轴上装有轴承，操作扭距小，适用于高压和大口径的阀门。

　　为了减少球阀的操作扭矩和增加密封的可靠程度，近年来又出现了油封球阀，既在密封面间压注特制的润滑油，以形成一层油膜，即增强了密封性，又减少了操作扭矩，更适用高压大口径的球阀。

1.4.3弹性球球阀（即轨道球阀）

球阀的球体是弹性的。

球体和阀座密封圈都采用金属材料制造，密封比压很大，依靠介质本身的压力已达不到密封的要求，必须施加外力。

这种阀门适用于高温高压介质。

　　弹性球体是在球体内壁的下端开一条弹性槽，而获得弹性。

当关闭通道时，用阀杆的楔形头使球体涨开与阀座压紧达到密封。

在转动球体之前先松开楔形头，球体随之恢复原原形，使球体与阀座之间出现很小的间隙，可以减少密封面的摩擦和操作扭矩。

1.4.4V型球阀

这种球阀属于固定球阀，也是单阀座密封球阀，调节性能是球阀中最佳的，流量特性是等百分比的，可调比达100:

1。

它的V型切口与金属阀座之间具有剪切作用，特别适合含纤维、微小固体颗粒、料浆等介质。

1.4.5三通球阀

三通球阀有T型L型。

T型能使三条正交的管道相互联通和切断第三条通道，和起分流、合流作用。

L型只能连接相互正交的两条管道，不能同时保持第三条管道的相互连通，只起分配作用。

产品特点：

　　1、三通球阀在结构上采用一体化结构，4面阀座的密封型式，法兰连接少，可靠性高，设计实现了轻量化

　　2、三通球芯分T型和L型，使用寿命长，流通能力大，阻力小

3、球阀按作用式分单作用和双作用两种型式，单作用式的特点是一旦动力源发生故障时，球阀将处于控制系统要求的状态。

1.5本课题设计主要的内容及任务

设计一手动球阀。

设计参数如下：

型号Q41F-401.工作压力PN＝4.0Mpa；2.公称直径DN=65mm；3.工作温度≤350℃。

主要的设计及计算任务如下：

1.确定阀体的结构形式、连接形式和结构长度。

2.计算阀体壁厚。

3.确定阀体材料。

4.设计球阀阀体法兰。

（1）计算法兰螺栓载荷

（2）计算法兰应力

（3）校核法兰许用应力

（4）设计法兰密封结构

5.计算球阀阀杆强度

设计（论文）要求：

（1）完成手动球阀有关零件的设计计算；

（2）用三维绘图软件画出球阀的主要零件的零件图和装配图。

第二章阀体主要零件的计算

2.1球阀阀体壁厚的计算

2.1.1阀体的结构形式、连接形式和结构长度

1.阀体的结构形式：

整体式阀体。

整体式阀体适用于球阀内件从顶部装入的结构形式。

2.阀体与管道的连接形式：

法兰连接形式

3.结构长度：

查《球阀设计与选用》表6-3，结构长度L=290

2.1.2阀体材料的选用、力学性能和许用应力

1.阀体材料的选用:

参考《球阀设计与选用》表6-9，选取材料

球墨铸铁QT400-15

2.阀体材料的化学成分与力学性能：

参考《球阀设计与选用》表6-10~6-19。

QT400-15最小抗拉强度=400Mpa，最小屈服强度=250Mpa。

3.阀体材料的许用应力：

查《球阀设计与选用》表6-20~表6-23。

QT400-15许用拉应力[]=54Mpa,许用弯曲应力[]=78Mpa，许用剪应力[]=27Mpa。

2.1.3阀体壁厚的计算

1.厚壁计算高压金属球阀阀体的强度计算通常采用薄壁容器的计算公式：

=+C（mm）（2—1）

=（—1）（mm）

整理上式：

=（—1）+C（2—2）

其中：

=

式中——考虑附加裕量的壁厚（mm）;

——按强度计算的壁厚（mm）;

P——设计压力（常温下的最大工作允许压力）（Mpa）；

P=4MPa

D——阀体内腔的最大直径（见《球阀设计与选用》图6-1~图6-4）（mm）；D=（1.5~1.8）,=65mm,D取100mm。

——材料的许用拉应力（MPa）,取与两者中的较小值。

==94.11，==108.69，取94.11Mpa。

和——常温下材料的抗拉强度（MPa）和屈服强度（MPa），查《球阀设计与选用》表6-11~表6-19；=400Mpa，=250MPa

和——分别以抗拉强度为指标安全系数和以屈服强度为指标的安全系数。

=4.25，=2.3

C——考虑铸、锻造偏差、工艺性和流体的腐蚀等因素的附加裕量。

C值查《球阀设计与选用》表6-5。

C取5mm

==1.07

=（1.07—1）+5=8.5

==1.26>1.2按厚壁计算合理。

2.阀体最小壁厚查《球阀设计与选用》表6-6~表6-8

最小壁厚=9.5mm。

2.2球阀阀体法兰的设计

2.2.1法兰螺栓的计算

（1）操作情况=F++Q（2—3）

=0.785P+2bmP+Q

式中——在操作情况下所需的最小螺栓载荷（N）;

F——总的流体静压轴向力（N），F=0.785P;

——连接接触面上总的压紧载荷（N），=2bMp;

——载荷作用位置处垫片的直径（mm），=91.5mm

b——垫片有效密封宽度或法兰接触面压紧宽度（mm），b值查《球阀设计与选用》表6-24；b=2.53=6.5,>6.4mm时，b=2.53=6.5

——垫片密封面基本宽度（mm），值查《球阀设计与选用》表6-24。

==6.6

P——设计压力（Mpa）；

m——垫片系数，查《球阀设计与选用》表6-25，选择“内有棉纤的橡胶”，则m=1.25，Y=2.8Mpa

Q——球体与阀座密封圈之间的密封力（N）。

查《球阀设计与选用》第四章，Q=P（0.6）

式中：

——阀座密封圈外径（mm）。

=+2b；b值查《球阀设计与选用》图4-5，b=4。

=65+2×4=73。

——阀座密封圈内径（mm）。

=

——支座外径（mm）。

根据球阀设计与选用》（4-33），=

Q=P（0.6）=4159.8N

（2）预紧螺栓情况在预紧螺栓时螺栓承受的载荷为;

=+（2—4）

式中——在预紧螺栓时所需的最小螺栓载荷（N）；

Y——垫片或法兰接触面上的单位压紧载荷（Mpa）；查《球阀设计与选用》表6-25，Y=2.8Mpa

——球体与密封圈之间的预紧力（N）

=（）（N）

式中——预紧所必需的最小比压，=0.1（Mpa），并应保证2（Mpa），取2Mpa。

=（）

=×2（73—65）=1733N

=+

=6.5×91.5×2.8+1733

=6962N

（3）.法兰螺栓拉应力计算

=（2—5）

式中——法兰螺栓的拉应力（Mpa）；

W——与两者中的大者（N），W==49123.75N

A——螺栓承受应力下实际最小截面积（mm）A=8×r=803.84mm

[]——螺栓材料在常温下的许用拉应力（Mpa），查《球阀设计与选用》表6-26，选择材料,[]=108Mpa。

===61.1[]

螺栓间距与螺栓直径之比

L=（2—6）

式中L——螺栓间距与螺栓直径之比；

查《机械设计手册》法兰螺栓：

——螺栓孔中心圆直径；=145

Z——螺栓数量；Z=8

——螺栓公称直径；M16

L===3.55

为保证密封和安装工艺，L应满足下列条件；当P2.5Mpa时