球阀的设计与制造论文

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1、第 I 页 目录 绪论1 1.1 球阀发展历史 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本文研究的主要内容、方法和目标 2 第 1 章 球阀的结构设计及校核.3 1.1 球阀的构成、作用原理、特点和结构分类 3 1.1.1 球阀的构成 3 1.1.2 球阀的作用原理 3 1.1.3 球阀的特点 4 1.1.4 球阀的结构类型 4 1.2 球体的直径确定 4 1.3 球体与密封圈之间密封比压的确定 5 1.3.1 必需比压的计算 5 1.3.2 需用比压选择 6 1.3.3 设计比压的计算 6 1.4 球阀密封力的计算 8 1.5 球阀的转矩计算 9 1.6 阀体设计 .10 1.6.1 阀体结

2、构形式、连接形式、结构长度的 .10 1.6.2 阀体壁厚的确定 .10 1.6.3 阀体法兰设计 .11 1.6.4 阀体法兰校核 .12 1.7 阀杆的设计和校核 .15 1.7.1 阀杆材料选择 .15 1.7.2 阀杆填料的选择 .16 1.7.3 阀杆强度的计算 .16 第 II 页 1.8 球体的设计和校核 .19 1.9 球阀的密封圈设计 .21 第 2 章 零件图样的工艺分析23 2.1 零件的尺寸分析 .23 2.1.2 零件的形状及精度的分析。 .24 2.1.3 各零件的材料选择 .25 2.1.4 各零件的加工要求分析 .25 2.1.5 各结构的加工方法 .26 第

3、3 章 零件的工艺规程的设计27 3.1 选择机床及刀具、量具、夹具 .27 3.1.1 选择机床 .27 3.1.2 刀具的选择 .27 3.1.3 量具的选择 .28 3.1.4 夹具的选择 .28 3.2 确定零件的装夹方式和定位基准 .29 3.2.1 精基准与粗基准的选择原则 .29 3.2.2 定位基准的确定与工序的划分以及装夹方式 .29 3.2.3 加工工艺路线的制定 .30 3.3 切削用量的选择 .31 3.4 数控加工工序卡和数控加工刀具卡 .33 致谢.36 参考文献.37 第 1 页 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 3

4、0 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 现才使球阀的产生和发展出现了转机；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 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、

5、建筑等许多方面都得到了广泛的应用。目前球阀最大公称通径已达 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 的液氧与液轻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 Hill Maccanng 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

6、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。 第 2 页 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 主要研究内容包括对球阀结构设计。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

7、性。本课题主要以 DN 为 50mm，P 为 1.6Mpa 的球 阀，进行结构设计，强度校核，以及关键零部件的分析，同时进行三维建模。 课题的研究内容和方法主要包括： （1）设计球阀结构并进行强度校核 通过设计手册对球阀的结构进行设计，主要包括阀体、阀杆、阀芯以的 选用与设计，并对其受力分析，然后再确定材料后进行强度校核。 （2）部分零件的工艺分析与工艺规程的设计 在对填料板和右阀体的零件图零件图分析后，进行那比较详细的工艺规 程的设计，主要包括对机床、刀具、夹具、量具的选择，以及对工艺路线的 设计与确定和工艺卡片的制定。 第 3 页 第 1 章 球阀的结构设计及校核 1.1 球阀的构成、作用

8、原理、特点和结构分类 1.1.1 球阀的构成 图 1-1 手动浮动球球阀结构 1扳手 2阀杆 3球体 4阀体 5密封圈 球阀主要由阀体、球体、阀杆、阀芯、密封圈和省力机构等几部分主要 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。 1.1.2 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。 第 4 页 1.1.3 球阀的特点 球阀的主要特点如下：流体阻力小、

9、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。 1.1.4 球阀的结构类型 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，密封圈形变小，密封性能稳定，使用寿命长，适用于高压、大 通径场合。在这里我们设计的是浮动式球阀。 1.2 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=d 计算。同时为保证球体表面能完全覆盖密封圈9 . 075 . 0 密封面，选定球径后须按下式进行校核：球体如图

10、1-2 图 1-2 球体图 （1-)( 2 2 2min mmdDD 1） 必须满足 D， min D 第 5 页 式中为最小球体直径（mm）； min D 密封圈外径（mm）； 2 D d球体通道孔直径（mm）； D球体实际直径（mm）。 而=70mm,d=50mm 所以由上面可知可取球体直径=86mm 而要D 2 D min D min D 所以 D=88mm。 1.3 球体与密封圈之间密封比压的确定 1.3.1 必需比压的计算 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，以表qb 示。 由于流体压力或附加外力的作用，在球体与密封圈之间产生压紧力，于 是 必需比压式球阀设计中最

11、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： （1-2） )( b cPa mqb MPa 式中 m与流体性质有关的系数； a，c与密封面材料有关的系数； P流体工作压力； b密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度； t密封面宽度； 其中查表 1-1 可得 m=1，a=1.8，c=0.9，P=1.6Mpa。b 将在下面中计算得 出。 第 6 页 表 1-1 密封材料 ac 钢硬质合金 3.51 铝、铝合金、聚四氟乙烯、尼龙、硬聚氟乙烯 1.80.9 青铜、黄铜、铸铁 3.01 中硬橡胶 0.40.6 软橡胶 0.30.4 1.3.2 需用比压选择 密封面单

12、位面积上允许的最大压力称为需用比压，以表示。本此设计 q 球阀通过查询球阀设计与选用密封面材料许用比压表可知，选取聚四氟 乙烯=30Mpa。 q 1.3.3 设计比压的计算 设计时确定的在密封面单位面积上的压力，称为设计比压，以 q 表示。 选择比压比应是密封可靠、寿命长和结构紧凑。必须保证： q （1-3） b q q 设计比压按图 1-3 中的力的平衡关系进行计算： （1-4） S N q 式中 N球体对密封圈密封面的法向力(N)； （1-5） cos Q N S密封圈与球体杰出的球星环带面积，S=2 r（） 21 LL Q作用于密封圈密封面上的沿流体方向的合力； 密封面法向与流道中心线的

13、夹角。；R LL R K 2 21 cos 第 7 页 图 1-3 比压计算图 球体中心线执法作两段面的距离（mm）， 21,L L ;； 4 4 2 1 2 1 DR L 4 4 2 2 2 2 DR L 密封圈内径； 1 D 发作外径； 2 D 密封圈平均直径（mm），； m D 2 21 DD Dm R球体半径（mm）。 整理可得: （1-6） ）（ 2 1 2 2 - 4 DD Q q 由于球阀的密封力还未计算故需计算完，故在下节给出设计比压的计算结果。 第 8 页 1.4 球阀密封力的计算 为简化计算，往往忽略预紧力,密封圈滑动摩擦力及流体静压力在 1 Q 2 Q 密封面余隙中的作用

14、力,这样密封力仅等于流体静压力在密封圈密封面上 J Q 的作用力(N)，即 MJ Q =4522.75N （1-7）P)DD 16 PD 4 2 21 2 m （ MJ QQ 将上式代入式 1-5 可得 （1-8）P DD DD )(4 )( q 12 12 q 可得 q=2.40 在球阀初步设计时，为了便于确定 b，DN 及 P 的关系，设，q=代DND 1 q 入上式可得 （mm） （1- P Pq DN b 4 9） 由需用比压=30Mpa，DN=50mm，P=1.6Mpa 代入得： q b=0.61mm，代入式 2-2 可得显然满足26 . 2 b q q b q q 球阀密封力的精确

15、计算还要计算预紧力,故可知； 1 Q Q=+ （1- 1 Q MJ Q 10） 预紧力计算公式如下： （N） （1-)(q 4 2 1 2 2min1 DDQ 11） 式中 预紧所需的最小比压，(Mpa)； min qPq1 . 0 min 、密封圈内径和外径（mm）。 1 D 2 D 第 9 页 可得=2.5KN，故 Q=112.75KN。 1 Q 1.5 球阀的转矩计算 由于本球阀为浮动球阀故其转矩计算公式如下： 0 M (1-12) utm MMMM 式中 球体与密封圈密封面间的摩擦转矩； m M 阀杆与填料之间摩擦转矩； m M 阀杆台肩与止推垫间的摩擦转矩。 u M M 和的计算见 2.7.2。 mu M (1-13)FrMm 式中 F球体与密封圈之间的密封力，,（N）； T NF cos Q N r摩擦半径，球体摩擦半径计算图如图 1-4 所示； 2 )cos1 ( R r R球体半径（mm）； 密封面对中心的斜角； 球体与密封圈之间的摩擦系数，查表得。 T 05 . 0 T 第 10 页 图 1-4 球体摩擦半径计算 则 =（N.mm） Tm QR M cos2 )cos1 ( 6 3 1029 . 1 05 . 0 713 . 0 2 )713 . 0 1 (1901075.112 xx x xx 1