球阀的设计与计算.doc

《球阀的设计与计算.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《球阀的设计与计算.doc（15页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、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,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

2、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而来,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

3、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

4、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） 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：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=1.8a，c：与密封面材料有关的系数，见表所示密封面材料ac钢、硬质合金3.51聚四氟乙烯、尼龙1.80.9铜、铸铁3.01中硬橡胶0.40.6软橡胶0.30.4P ：流体

5、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 ：密封面法向与流道中心线的夹角：球阀密封比压（MPa） 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） 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 其它密封球阀

6、，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，CuZn38HB 80958020CuZn16Si4HB 9511010025青铜CuAL10Fe3HB1108025CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2HB 12017010035奥氏体不绣钢1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2TiHB 14017015040马氏体不绣钢2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2HB 20030025045HR 3540氮化钢35CrMoAlA、38CrMoAlA

7、Hv 800100030080堆焊合金TDCoCr1-xHR 404525080TDCr-Ni（含Ni）HB 28032025080中硬橡胶54F-4SFB-1，SFB-2，SFB-3SFBN-1，SFBN-2，SFBN-32015尼龙4030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= （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

8、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 ： （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= （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

9、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 （Nmm）式中: qM :最小予紧比压 (MPa)取: 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 （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 （Nmm）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 =0.002dQJ ：球体轴颈直径（mm）设计给定,对滚

10、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) （Nmm）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ZY=ZY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=（1.82.2）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=（

11、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 =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=（mm3） 对近似矩形断面：W=0.9ba2（mm3） 式中：值根据b/a按表选取b/a与的关系表b/a1.01.21.52.02.53.04.06.08.00.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307N: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=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

12、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 =N式中：MF ：浮动球阀总转矩（Nmm），见7-3-1节。 W ：-断面处的抗扭转断面系数（mm3） W=dF3N：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 = 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（mm3） 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3-72.4.2 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. -

13、断面处的扭转应力：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3-72. -断面处剪切应力：按浮动球-断面公式计算3. -断面的扭转应力N式中：MF ：固定球阀的总转矩（Nmm）见7.3.2MFT ：阀杆与填料之间的摩擦转矩（Nmm）见7.3.2W ：-断面处的抗扭断面系数（mm3）计算方法，同上述N：材料的许用扭转应力（MPa） 查表同上述4. -断面处的扭转应力N式中： MF ，N同上述W ：-断面处抗扭断面系数（mm3）对正方形、矩

14、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（Nmm） 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） 设计给定P：许用比压（MPa） 查下表 平键连接的P与值 （MPa）许用值连接工作方式轮毂材料载 荷 情 况平稳轻微冲击冲击P固定连接钢1251501001206090铸铁708050603045导向连接钢50403012

15、09060注：对于被连接件表面经过淬火的导向连接，P值可提高23倍。2. 平键剪应力计算式中：T,d1,L,n：与前相同 b: 如图所示（mm） 设计给定 ：许用剪切应力（MPa）,按上表查取2.5.2 花键连接的强度计算式中：T：转距，同前计算（Nmm） ：载荷分布不均匀系数，一般取=0.70.8 Z: 花键齿数 h: 花键齿的工作高度（mm） 对矩形花键：h:= 式中：C：倒角宽度（mm） 设计给定 dm：花键的平均直径(mm) 对矩形花键：dm= L :花键的工作长度（mm） 设计给定P：许用比压（MPa） 查下表 花键联接的许用比压 （MPa）联接工作方式使用和制造情况P齿面未经热处理

16、齿面经热处理固定联接不良35504070中等60100100140良好80120120200不在载荷作用下移动的滑动联接不良15202035中等20303060良好25404070在载荷作用下移动的滑动联接不良310中等515良好1020注：1.使用和制造情况不良系指受变载、有双向冲击、振动频率高和振幅大、润滑不好 （对滑动联接）、材料硬度不高和精度不高等。2.P的较小值用于工作时间较长、载荷变化较频繁或较重要的场合。2.6 法兰的计算2.6.1 法兰螺栓载荷的计算 对球阀法兰螺栓计算，当采用塑料密封圈时，由于阀门的使用温度300。此时，只计算常温下的螺栓载荷。球阀法兰的受力不同于闸阀法兰，因

17、为球阀法兰不仅要承受流体静压力产生的轴向力从而使，法兰分开的载荷以及确保法兰间足够的密封压紧力，同时还要承受球体与阀座密封圈之间的密封力作用。1. 正常使用条件下螺栓的载荷计算 （N）式中：QDJ：垫片处介质作用力 （N）式中：符号按闸阀相应规定QDF:垫片上的密封力 （N）式中：符号按闸阀相应规定 QDT=式中: :系数 对固定法兰取 = 0.2 QMF：球体与密封圈之间的密封力 （N） 对浮动球阀和固定球阀分别按下面公式计算： 对浮动球阀： 式中：DMN ：阀座密封面内径（mm） 设计给定 DMW ：阀座密封面外径（mm） 设计给定 E ：阀座材料的弹性模数（MPa）,对聚四氟乙烯：E=4

18、70-800 MPa,对尼龙：E=1500 MPa 1 ：阀座安装间隙（mm） 式中：MJ：在弹性范围内的密封圈横截面的许用应力对4F：MJ=8.0 MPa,对尼龙MJ=20MPa FMJ ：阀座的横截面积（mm2），由阀座的结构特点确定 ：见前面 f ：摩擦系数，按7.3.1选取 对进口密封固定球阀：2预紧条件下螺栓的载荷计算预紧螺栓承受的载荷QLZ2 (N)式中：BN：垫片的有效密封宽度（mm） 查资料1表3-23 DDP：载荷作用处垫片的平均直径（mm） 设计给定 qYJ: 垫片或法兰接触面上的预紧比压（MPa） 查资料1表3-24 QMy: 球体与密封圈之间的预紧力 (N)式中：qM：

19、最小预紧比压 按7.3.2选取3. 法兰螺栓的强度计算 式中：QLZ取QLZ1和QLZ2的较大值 FL：螺栓承受应力下的最小总截面积（mm2） L:螺栓在常温下的许用拉应力（MPa） 查资料1表3-92.6.2 法兰的强度计算1. 法兰力矩的计算作用法兰上的总力矩Mz (Nmm)式中：DNJ:法兰内径面积上的介质静压力 （N）式中：DN: 法兰内径 （mm） 设计给定 P: 计算压力 （MPa） 设计给定QDJ: 垫片处介质作用力（N）式中：DDP :垫片的平均直径（mm） 见图示，设计给定QD : 垫片载荷（N）式中：QLZ ：法兰螺栓的计算载荷，见7.6.1节l1，l2，l3：分别为和QD

20、的力臂（mm）2. 法兰强度计算1) 法兰颈的轴向弯曲应力 w12) 法兰盘的径向弯曲应力w23. 法兰盘的环向弯曲应力w3以上公式各符号定义和数值，见闸阀7.6.4常温法兰的强度计算。2.7 填料压盖的强度计算见闸阀7.10内容2.8 弹性元件的计算2.8.1 弹性元件的作用 为了增加预紧比压或提高低压使用时的密封性。2.8.2 弹性元件的类型1. 圆柱螺旋弹簧2. 碟形弹簧3. 平板弹簧2.8.3 弹性元件的强度计算1. 圆柱螺旋弹簧其计算方法按GB 1239-89圆柱螺旋弹簧技术条件的规定2. 碟形弹簧 其计算方法按GB 1972-80碟形弹簧标准中的附录规定3. 平板弹簧下面介绍的计算

21、方法是根据平板力学理论推导的公式，其边界条件与实际结构有些差异。因此，对于大口径球阀所用平板弹簧，需要进行验证。根据球阀使用条件，圆板形平板周界受集中载荷，内外周界自由支承，其挠度（变形量）及周界处的应力计算如下（见图示）。1) 预紧变形量（挠度）f (mm)为 式中：C1计算系数，按表6-42； QMy预紧力（N），按2.6节的方法计算； E材料的弹性模数（MPa）； R,h见图6-22（mm）。2) 极限变形量 （mm） (N)式中：T 材料屈服极限（MPa）； K 系数，K=1+； QMymax 最大预紧力（N）； r 见图6-22，（mm）。3) 内周界转角 式中：K1计算系数，按表选

22、取。4) 外周界转角 式中：K2计算系数，按下表选取。5） 内周界处应力t（MPa）： 式中A1计算系数，按表6-426）外周界处应力t（MPa）： 式中：B1计算系数，按表查取计算系数C1K1K2A1B11.250.3411.4131.3231.10350.8271.500.5191.1020.9831.2400.7371.750.6160.8920.7671.3660.6712.000.6720.7410.6211.48150.6212.500.7210.5400.4411.6880.5513.000.7340.4150.3361.8680.5053.500.7320.3310.2702.0270.4724.000.7240.2710.2242.1700.4494.500.7140.2270.1922.2980.4315.000.7040.1930.1672.4150.417参考资料1 实用阀门设计手册 陆培文编2 球阀的设计与选用 通用所3 阀门设计 沈阳阀门研究所编