球阀的设计与计算资料

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1、球阀的设计与计算 球阀的设计与计算 一、球阀的设计一、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,DN150 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

2、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： 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) 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： 整体式阀体 一般用于 DN50 的小通径阀门,此时,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工击来,而对 口径较大时,多采用二体式、三体式或全焊接结构 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

3、方法 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=（0.750.95）d 计算 对小口径 R 取相对大值，反之取较小值 为了

4、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 2 min2 2 DDd=+（mm） ，应满足 D min D 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） min D 2 D 二、球阀的计算 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 MF qqq 式中：qMF：密封面上的必须比压（MPa） 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） 由试验得出的经验公式计算： MF () acp qm b + = 式中：m:与流体性质有关的系数 对常

5、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=cost （mm） t :密封面宽度（mm） ，设计给定 ：密封面法向与流道中心线的夹角 q：球阀密封比压（MPa） 对浮动球阀： （见图示） MWMN MWMN () 4() DD q DD +

6、= P 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） 对进口密封的固定球阀（见图示） 进口密封固定球球阀结构 222 JHMNMW (0.60.4 8cos P DDD q Rh = ) 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 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 q MPa 密封面材料 材料硬度 密封

7、面 间无 滑动 密封面 间有 滑动 CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38 HB 8095 80 20 黄铜 CuZn16Si4 HB 95110 100 25 CuAL10Fe3 HB110 80 25 青铜 CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2 HB 120170 100 35 奥氏体 不绣钢 1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti HB 140170 150 40 HB 200300 马氏体 不绣钢 2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2 HR 3540 250 45 氮化钢 35CrMoAlA、38CrMoAlA Hv 8001000

8、 300 80 TDCoCr1-x HR 4045 250 80 堆焊 合金 TDCr-Ni（含 Ni） HB 280320 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。 2.32.3 球阀的转矩计算 2.3.12.3.1 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= ()() 2 MWMN 1 cos 32cos DD

9、P R f +? ? ? （Nmm） 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=0.080.15 对尼龙：f=0.10.15 其它符号：同前 MFT：填料与阀杆的摩擦力矩 对聚四氟乙烯成型填料 ： FT 0.6 F Mf z h dP=? ? ? ? （Nmm） 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 对橡胶 O 型图： MFT= 2 1 (0.330.92) 2 F dZf dp+? oo ? ? （

10、Nmm） 式中：Z：O 型圈个数， 设计给定 fo:橡胶对阀杆的摩擦系数。 fo =0.30.4 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 2 MJTF () 64 Mf DdP =+? 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 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: FQZFTZCMJ MMMMM=+ 式中:MQZ:球体在阀座中的摩擦力矩 QZQZ1QZ2 MMM=+ 式中: MQZ1:由阀座

11、对球体的予紧力产生的摩擦力矩 22 QZ1MWMNM ()(1cos ) 4 MDDqf R =+? ? （Nmm） 式中: qM :最小予紧比压 (MPa) 取: M 0.1qP= 但不应小于 2 MPa 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 222 JHMNMW QZ2 (0.50.5)(1 cos 8cos P f R DDD M ) + = ? ? ? （Nmm） MFT : 填料与阀杆的摩擦力矩 （Nmm） 见浮动球阀计算 MZC : 轴承中的摩擦力矩 ZCzqJZJ Mf dQ=? （Nmm） 式中:fz:轴承的摩擦系数 对塑料制的滑动轴承 fz按f

12、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 2 JH ZJ 8 DP Q = ? (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) 3 MJTF () 64 Mf DdP =+? （Nmm） 2.42.4 阀杆强度计算 2.4.12.4.1 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 ZY= QZ 2 0.12 M a h ZY 式中：a：见图示（mm）设计给定； h：阀杆头部插入球

13、体的深度， （mm） ，一般取 h=（1.82.2）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。 ZY：球体材料的许用挤压应力（MPa） 对奥氏体不锈钢：当b600 MPa时，取ZY=122 MPa 或按下式计算：ZY= b 4 b 6 （b：材料的抗拉强度） 2、阀杆头部强度校核 -断面处的扭转应力： N = QZ M W N 式中： MQZ ：球体与阀座密封面间的摩擦转矩（Nmm）见前面 W ：-断面的抗扭转断面系数 见图示 对正方形断面：W= 3 4 8 b ? （mm 3） 对近似矩形断面：W=0.9ba 2（mm3） 式中：值根据b/a按表选取 b/ a

14、与的关系表 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 0.2460.2580.2670.2820.299 0.307 N:材料的许用扭转应力（MPa） ，查资料 1表 3-7 -断面处的剪切应力 = TF F ()2 16 Dd P d H + ? 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） ：材料的许用剪切应力（MPa） ，查资料 1表 3-7 -断面处扭转应力 N = F M W N 式中：MF ：浮动球阀总

15、转矩（Nmm） ，见 7-3-1 节。 W ：-断面处的抗扭转断面系数（mm 3） W= 16 dF 3 N：材料的许用扭转应力（MPa） ，查资料 1表 3-7 -断面处扭转应力 N = F M W N 式中：MF ：浮动球阀总转矩（Nmm） ，见 7-3-1 节。 W ：-断面处的抗扭断面系数（mm 3） 对正方形和矩形断面，按-断面的原则计算。 N ：材料的许用扭转应力（MPa） ，查资料 1表 3-7 2.4.2 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 1.1. -断面处的扭转应力： QZ N W M =N 式中：MQZ：球体与阀座密封面之间的摩擦转矩（Nmm）见 7.3.1 节 W：-断面处的抗扭系数 () 3 1 1 1 2 162 b t dtnd W d = ? 式中：n：键的数量 设计给定 b，d1，t：见图示（mm） 设计给定 N：材料的许用扭转应力（MPa） 查资料 1表 3-7 2.2. -断面处剪切应力： 按浮动球-断面公式计算 3.3. -断面的扭转应力 FF N W MM = T N 式中：