球阀的设计与计算.docx

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,DNW150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W300°C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300C.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DNW50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D . = JD； + d2 （mm），应满足D > D^.^式中：D .：球体最小计算直径（mm）, D2 :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）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q < q < [q]MF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 =1.2尸（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：W冰号）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=1.8sc：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=t•COS中 （mm）t :密封面宽度（mm）,设计给定9 :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）q =（ %+ 妇 P4（DMW - DMN）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_ P(Djh — 0.6Dm - 0.4Dm )8Rh cos 中式中：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 = l -l2 1式中12，l：: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]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 80〜958020CuZn16Si4HB 95〜11010025青铜CuAL10Fe3HBN1108025CuAL10Fe3Mn2, CuAL9Fe4Ni4Mn2HB 120〜17010035奥氏体不绣钢1Cr18Ni9Ti、 1Cr18Ni12Mo2TiHB 140〜17015040马氏体不绣钢2Cr13、 3Cr13、 1Cr17Ni2HB 200〜30025045HR 35〜40氮化钢35CrMoAlA、 38CrMoAlAHv 800〜100030080堆焊合金TDCoCr1-xHR 40〜4525080TDCr-Ni (含 Ni)HB 280〜32025080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(N • mm)兀(D + D MH(1 + cos 时MqZ 32cos中式中：f :球体与阀座的摩擦系数 对聚四氟乙烯：户0.05对增强聚四氟乙烯：户0.08〜0.15对尼龙：户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：M ft = 0.6兀寸尸/ (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= 2 y2* (0.33 + 0.92f/y)式中：Z： O型圈个数， 设计给定九：橡胶对阀杆的摩擦系数fod： O型圈的横截面直径(mm)Mmj:阀杆台肩与止推垫间的摩擦力矩M 二三 f (D + d )2/MJ 64 T F 口(N • mm)二0.3 〜0.4设计给定式中: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：M f = M qz + M ft + M zc + M mj式中:mqz :球体在阀座中的摩擦力矩M QZ= M QZ1 + M QZ2式中：MQZ1:由阀座对球体的予紧力产生的摩擦力矩兀MQZ13(Dmw2 -Dmn2)(1+ cos^吃出/ (N • mm)式中：九：最小予紧比压(MPa)取：0m = 0.1P 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M =誓川/(Djh2-0.5 dmS-0.5 气w2)(1+ * 中)小帅)QZ2 8cos 中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M = f^ Q （N - mm） ZC z qJ ZJ式中①:轴承的摩擦系数，对塑料制的滑动轴承 f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二轴承中径QZJ:介质作用球体轴颈上的总作用力QZJ=^D^ （N）Mm『: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 MJ整体mmj =0）M =三”（D + d ）3/ （N - mm）MJ 64 T F2.4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。

MQ^ g ]ZY 0.12a2h 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= （1.8〜2.2） 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[%丫]：球体材料的许用挤压应力（MPa）对奥氏体不锈钢：当气V600 Mpa时，取[%]=122 Mpa或按下式计算：/刀二普〜务（气：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：tn式中:M / ― 「=QZW W [TN]见图示Mqz :球体与阀座密封面间的摩擦转矩（N・mm）见前面W ：1 - I断面的抗扭转断面系数式中:b 3对正方形断面：W= （mm3）48对近似矩形断面：W=0.9aba2 （mm3）a值根据b/a按表选取" b/与a的关系表ab/ a 1.01.21.52.02.53.04.06.08.0a0.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307:tn]: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T =（ Dt + V : T ]16d f H l」式中：Dt :阀杆头凸肩的直径（mm）dF :阀杆直径（mm）H :阀杆头凸肩高度（mm）P :计算压力（MPa）设计给定设计给定设计给定:t]：材料的许用剪切应力（MPa）,查[资料1]表3-7③m-m断面处扭转应力t = M 4 V :t ]N W N式中：Mf :浮动球阀总转矩（N • mm）,见7-3-1节。

W : m-m断面处的抗扭转断面系数（mm3）W二一d 316 F[tn]：材料的许用扭转应力（MPa）,查[资料1]表3-7④W-W断面处扭转应力Tn = MF'i〈 [Tn]式中：Mf :浮动球阀总转矩（N • mm）,见7-3-1节W : W-W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[tn]: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：T N= M qZw w[n]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断面处的抗扭系数叩二一宕Q T%16 2d1式中：乃：键的。