球阀的设计与计算

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,DN≤150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,密封的材料的选定很关键：①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)②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：①整体式阀体一般用于DN≤50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②二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③三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=（0.75～0.95）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2min22DDd=+（mm），应满足＞DminD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）minD2D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）①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）②由试验得出的经验公式计算：MF()acpqmb+=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=costϕ⋅（mm）t:密封面宽度（mm），设计给定φ：密封面法向与流道中心线的夹角q：球阀密封比压（MPa）①对浮动球阀：（见图示）MWMNMWMN()4()DDqDD+=−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）②对进口密封的固定球阀（见图示）进口密封固定球球阀结构222JHMNMW(0.60.48cosPDDDqRhϕ−−=)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③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面间无滑动密封面间有滑动CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38HB80～958020黄铜CuZn16Si4HB95～11010025CuAL10Fe3HB≥1108025青铜CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2HB120～17010035奥氏体不绣钢1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2TiHB140～17015040HB200～300马氏体不绣钢2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2HR35～4025045氮化钢35CrMoAlA、38CrMoAlAHv800～100030080TDCoCr1-xHR40～4525080堆焊合金TDCr-Ni（含Ni）HB280～32025080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=()()2MWMN1cos32cosDDPRfπϕϕ++（N·mm）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=0.08～0.15对尼龙：f=0.1～0.15其它符号：同前MFT：填料与阀杆的摩擦力矩①对聚四氟乙烯成型填料：FT0.6FMfzhdPπ=（N·mm）式中：f:阀杆与填料的摩擦系数。f=0.05h: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②对橡胶O型图：MFT=21(0.330.92)2FdZfdpπ+oo（N·mm）式中：Z：O型圈个数，设计给定fo:橡胶对阀杆的摩擦系数。fo=0.3～0.4do：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2MJTF()64MfDdPπ=+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:FQZFTZCMJMMMMM=+++式中:MQZ:球体在阀座中的摩擦力矩QZQZ1QZ2MMM=+式中:MQZ1:由阀座对球体的予紧力产生的摩擦力矩22QZ1MWMNM()(1cos)4MDDqfRπϕ=−+（N·mm）式中:qM:最小予紧比压(MPa)取:M0.1qP=但不应小于2MPa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222JHMNMWQZ2(0.50.5)(1cos8cosPfRDDDM)πϕϕ−−+=（N·mm）MFT:填料与阀杆的摩擦力矩（N·mm）见浮动球阀计算MZC:轴承中的摩擦力矩ZCzqJZJMfdQ=（N·mm）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,对滚动轴承,dQJ=轴承中径QZJ:介质作用球体轴颈上的总作用力2JHZJ8DPQπ=(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)3MJTF()64MfDdPπ=+（N·mm）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σZY=QZ20.12Mah≤[σZY]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=（1.8～2.2）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。[σZY]：球体材料的许用挤压应力（MPa）对奥氏体不锈钢：当σb＜600MPa时，取[σZY]=122MPa或按下式计算：[σZY]=b4σ～b6σ（σb：材料的抗拉强度）2、阀杆头部强度校核①Ⅰ-Ⅰ断面处的扭转应力：τN=QZMW≤[τN]式中：MQZ：球体与阀座密封面间的摩擦转矩（N·mm）见前面W：Ⅰ-Ⅰ断面的抗扭转断面系数见图示对正方形断面：W=348b（mm3）对近似矩形断面：W=0.9αba2（mm3）式中：α值根据b/a按表选取b/a与α的关系表b/a1.01.21.52.02.53.04.06.08.0∂0.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307[τN]:材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7②Ⅱ-Ⅱ断面处的剪切应力τ=TFF()216DdPdH+≤[τ]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）[τ]：材料的许用剪切应力（MPa），查[资料1]表3-7③Ⅲ-Ⅲ断面处扭转应力τN=FMW≤[τN]式中：MF：浮动球阀总转矩（N·mm），见7-3-1节。W：Ⅲ-Ⅲ断面处的抗扭转断面系数（mm3）W=16πdF3[τN]：材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7④Ⅳ-Ⅳ断面处扭转应力τN=FMW≤[τN]式中：MF：浮动球阀总转矩（N·mm），见7-3-1节。W：Ⅳ-Ⅳ断面处的抗扭断面系数（mm3）对正方形和矩形断面，按Ⅰ-Ⅰ断面的原则计算。[τN]：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.Ⅰ-Ⅰ断面处的扭转应力：QZNWMτ=≤[τN]式中：MQZ：球体与阀座密封面之间的摩擦转矩（N·mm）见7.3.1节W：Ⅰ-Ⅰ断面处的抗扭系数()31112162btdtndWdπ−=−式中：n：键的数量设计给定b，d1，t：见图示（mm）设计给定[τN]：材料的许用扭转应力（MPa）查[资料1]表3-72.Ⅱ-Ⅱ断面处剪切应力：按浮动球Ⅱ-Ⅱ断面公式计算3.Ⅲ-Ⅲ断面的扭转应力FFNWMMτ−=T≤[τN]式中：MF：固定球阀的总转矩（N·mm）见7.3.2MFT：阀杆与填料之间的摩擦转矩（N·mm）见7.3.2W：Ⅲ-Ⅲ断面处的抗扭断面系数（mm3）计算方法，同上述[τN]：材料的许用扭转应力（MPa）查表同上述4.Ⅳ-Ⅳ断面处的扭转应力FNWMτ=≤[τN]式中：MF，[τN]同上述W：Ⅳ-Ⅳ断面处抗扭断面系数（mm3）对正方形、矩形，键连接的W按上述方法计算。对花键连接：()()24πdbz16DdDdWD+−+=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[]12TPPndKL=≤式中：T:转矩（N·mm）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=MQZn: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[τ]值（MPa）载荷情况许用值连接工作方式轮毂材料平稳轻微冲击冲击钢125～150100～12060～90固定连接铸铁70～8050～6030～45[P]导向连接钢504030[τ]1209060注：对于被连接件表面经过淬火的导向连接，[P]值可提高2～3倍。2.平键剪应力计算[]ττ≤=bLndT12式中：T,d1,L,n：与前相同b:如图所示（mm）设计给定[τ]：许用剪切应力（MPa）,按上表查取2.5.2花键连接的强度计算[]PLZhdTPm≤=ϕ2式中：T：转距，同前计算（N·mm）φ：载荷分布不均匀系数，一般取φ=0.7～0.8Z:花键齿数h:花键齿的工作高度（mm）对矩形花键：h:=CdD22−−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=2dD+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）[P]联接工作方式使用和制造情况齿面未经热处理齿面经热处理不良35～5040～70中等60～