浙江省机械设计大赛

浙江水利水电学院（设计）机械设计大赛设计题目：高压时微转矩球阀的设计系（部）：机械电子工程专业班级：姓名：指导教师：方贵盛2012年5月16日浙江水利水电学院（设计）II摘要本次设计进行的是高压时微转矩球阀的设计。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。本设计只需以旋转90度阀杆操作和极微转矩就能实现球阀启闭。本设计的创新点在于通过微妙的机械结构设计革命性地实现了高压球阀的微转矩启闭，达成了高压球阀密封性和操作性的良好结合。本项目设计通过解决球阀密封性和启闭转矩之间的矛盾冲突，对高压球阀在各种恶劣的无源环境下的使用提出了全新的概念和现实的解决方案。在这些环境之下，甚至在曾经球阀不能触及的应用领域，本高压时微转矩球阀都将体现它无比的优越性能。关键词：球阀；高压；密封；微转矩浙江水利水电学院（设计）IIIABSTRACTThisprojectisTheDesignofAMicro-TorqueBallValveatHigh-Pressure.Pipelineballvalvesaremainlyusedtocutofftheflow,distributeandchangetheflowdirectionofmedium.Thisdesignrequiresonlya90-degreerotationoftheoperatingstemandtinytorquetoopenorclose.Theinnovationofthisdesignistoopenandclosehigh-pressureballvalveswithatinytorquethroughingeniousmechanicalstructuresrevolutionarily.Thisdesigngivesagreatconflictresolutionbetweenthetightnessandtorqueofballvalves;italsogivesnewandrealisticsolutionsofusinghigh-pressureballvalvesinbadornon-energyenvironment.TheMicro-TorqueBallValveatHigh-Pressurewillreflectitsunmatchedandsuperiorperformanceintheseenvironments,evenintheareaswhichcurrentballvalveshaveneverreached.KeyWords：BallValve；High-Pressure；Hermetic；Micro-Torque；浙江水利水电学院（设计）IV目录摘要与关键词......................................................ⅡABSTRACT..........................................................Ⅲ1.引言............................................................11.1课题背景及意义..............................................11.2课题的现状..................................................21.2.1国外研究和发展情况.....................................21.2.2国内研究和发展情况.....................................31.3课题主要研究内容............................................32.高压时微转矩球阀的总体设计......................................42.1总体方案....................................................42.1.1主要技术要求...........................................42.1.2基本方案介绍...........................................42.1.3成本与性能分析.........................................52.2基本结构的确定..............................................62.2.1选型...................................................62.2.2机械结构设计...........................................72.2.3球阀基本参数的确定.....................................83.球阀力的计算...................................................103.1必需比压的计算及球径的确定.................................103.1.1必需比压计算..........................................103.1.2球体直径的确定........................................103.2密封力的计算...............................................113.2.1密封力基本参数确定....................................113.2.2密封力的详细计算......................................134.球阀主要零件的设计.............................................174.1球体设计与计算.............................................174.1.1球体的结构设计.......................................174.1.2球体的力学计算.......................................184.2球阀阀体和连接体的设计计算.................................194.2.1阀体壁厚的设计计算...................................194.2.2法兰连接的设计计算...................................214.2.3其他关键设计计算.....................................244.3球阀的耐火、防异常升压结构设计、防静电结构设计.............24浙江水利水电学院（设计）V4.3.1球阀的耐火结构.......................................244.3.2球阀的防异常升压结构设计.............................254.3.3球阀的防静电结构.....................................254.4球阀阀杆设计计算...........................................254.4.1阀杆的转矩计算.......................................264.4.2阀杆的强度计算.......................................274.4.3阀杆连接键的强度计算.................................295.高压时微转矩球阀特殊装置的设计及说明...........................306.结论...........................................................317.经济分析报告...................................................318.参考资料.......................................................349.附录...........................................................35浙江水利水电学院（设计）11.引言1.1课题背景及意义阀门，是国民经济建设中使用极其广泛的一种机械产品。随着我国改革开放、建立社会主义市场经济和开展对外贸易的需要，在石油、天然气、煤炭、冶金和矿石的开采、提炼加工和管道输送系统中；在石油化工、化工产品，医药和食品生产系统中，在冶金生产系统中；在船舶、车辆、飞机、航天以及各种运动机械的使用流体系统中；在国防生产以及新科技领域；在农业排灌系统中都需要大量的阀门新品种。可以说，只要有管道的地方就需要阀门，它是国民经济各部门不可缺少的流体控制没备。而球阀因其与管道相当的流体阻力系数，结构简单、体积小、重量轻，紧密可靠等等诸多优势，已成为阀门目前市场上用户使用最多、应用最为普遍的阀门。尤其在油气运输管线上，其运用几乎是覆盖性的。球阀是由旋塞阀演变而来。它具有与之相同的旋转90度动作，不同的是旋塞体是球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流体流动。现有球阀结构虽然简单，但是其缺点亦相当明显。球阀的弹性密封垫国内外基本上都用聚氟乙烯材料压制、烧结而成，该材料虽然摩擦系数小，但加于球阀承受一定的工作压力，且要达到密封作用，在设计和装配时需要确保密封垫厚度的一定过盈量，使密封垫和球体在阀体内腔形成预紧力。此预紧力大小与球阀的密封状况呈正相关，同时，预紧力越大，球体转动所需的转矩也越大。大型中高压球阀为了在高压大转矩存在情况下顺利启闭，还需额外配备昂贵的动力驱动装置。现行使用广泛的启闭驱动装置分电动、电/液动、电磁动、液动、气动、气/液动等等。无一例外，上述装置在顺利完成高压管道球阀启闭的同时也给球阀的生产制造增添了一大笔不小的开支。据不完全统计，普通的高压球阀启闭驱动装置占球阀成本的30%以上，采用特种驱动装置，这个比重还要高。而每年消耗在高压球阀驱动装置上的成本又给企业运营制造了巨大的经济负担。原材料的消耗和因此所产生的能源、环境等等问题又与当今全球社会与经济发展大环境相悖。浙江水利水电学院（设计）2本项目设计在深入分析国内外市场环境，全方位考察现有产品特点，充分考虑客户需求的情况下产生。本项目设计通过球阀结构创新设计，对功能和性能冲突实现了革命性的改造，打破了球阀密封性能和启闭性能的对立，有效地提升了球阀的设计水平。1.2课题的现状一般情况下，球阀是作为整机的某个部件而存在的，其材质、结构、加工工艺性、产品质量、可靠性，直接影响着整机的效率、能耗、污染、寿命和安全等各项关键指标。因而，球阀技术的现状及其发展态势，将引起新一轮的技术创新。1.2.1国外研究和发展情况球阀的使用已经数世纪，国内外的研究发展由于市场竞争激烈大部分以降低成本为目标。品质则以加工精密，增强材料，选对材料为导向，这些措施对现有产品性能改进甚微。国外同类产品对阀门行业的最大影响是对新材料的应用和对同类产品结构的调整及性能的延伸。国外阀门新开发产品重点放在阀门新材料的应用上，由于现有的耐腐蚀阀门材料还不能完全满足其技术发展的需要，超低碳不锈钢的阀门产量很少，因此国外阀业正在加速开发超低碳双相不锈钢阀门。超低碳双向不锈钢具有耐氯离子、硫化氢、二氧化碳、无机酸、有机酸等环境下的点腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀等能力。其次，国