1、基于PROE的球阀的设计摘 要阀门在国民经济各个部门中有着广泛的应用，随着我国生产建设、国防建设、人民生活等方面的提高对阀门的需求量越来越大，对产品的质量、更新速度以及产品从设计到投放市场的周期都提出越来越高的要求。而阀门行业的设计手段及制造相对滞后于市场，很多部分的设计采用二维CAD软件进行设计工作，无法形成产品数字化信息化管理，已不能满足现代工业生产发展的要求。本文针对于球阀参数DN为250mm以及设计压力为2MPa的球阀进行设计，在满足设计要求的同时，降低结构的复杂性，并借助于三维软件Pro/E完成所设计球阀的实体建模及装配。关键词：1、球阀；2、Pro/E；3、结构设计目 录目 录5一、绪 言6（一）研究背景及意义6（二）球阀的发展现状6（三）主要内容7二、球阀的理论概述9（一）球阀的结构及工作原理9（二）球阀的类型9（三）球阀的主要特点10（四）球阀的适用原则11三、球阀的设计12（一）球阀球体的直径确定12（二）球体与阀座之间密封比压的确定12（三）球阀密封力的计算14（四）球阀的转矩计算15（五）阀体的设计16（六）阀杆的设计21（七）球体的设计和校核25四、基于Pro/
2、E的球阀实体模型27（一）Pro/E软件简介27（二）球阀主要零件的实体构建27（三）球阀总体装备图30五、结 论31致 谢32参考文献33一、绪 言（一）研究背景及意义随着全球化市场、日益激烈的国际化竞争对快速产品开发和产品创新的巨大需求等因素推动了制造业的信息化、数字化。目前在工业技术先进国家，数字化制造技术已经成为提高企业技术创新能力和产品竞争力的重要手段。可持续发展策略、知识经济爆炸、信息化数字化技术飞速发展迫使制造技术人员思考制造技术创新的问题和策略。全球性的经济竞争，为数字化时代的工业化过程中的国家或地区制造企业，提供了新的发展机遇。当前世界正处在由资源消耗型的工业经济向信息知识为基础的知识经济转变的过程中，可持续发展策略、知识经济趋势为制造技术的发展提出新的问题。知识技术产品的更新周期不断缩短。为提高技术的生命周期，减少风险，提高竞争力等问题的解决，数字制造日趋成为提高产品创新能力的重要手段。我国的阀门制造业与国际先进水平相比还存在着阶段性差距，突出表现在：产品创新能力较差，开发周期较长，制造工艺装备落后，成套能力不强。控制阀生产行业正处于一个非常有利的发展时期。这主要得
3、益于国家经济持续稳定发展，固定资产投资逐步扩大。尤其是西气东输、西电东送、南水北调等工程的开工建设，需要大量的控制阀产品与之配套；再加上入世后，国际贸易门槛降低以及发达国家调整产品结构，使我国控制阀产品的加工制造面临更大的发展空间。因此，对于阀门的设计制造具有重要的意义。（二）球阀的发展现状球阀的发展大致经历了三个阶段：一是从十九世纪八十年代到二十世纪的二十年代初期，美国开始在一般生活用管道上使用小口径球形旋塞，是球阀发展的初始阶段；二是本世纪二十年代到五十年代，1921年瑞士爱舍、魏斯(Escher Wyss)公司，提出了以摩擦面进行密封的研究课题，并生产了泵站用2m直径的球阀(与目前球阀有很大差别)，但由于密封材料没有解决，球阀技术处于停滞不前的状态；三是从二十世纪五十年代到现在，由于塑料高分子材料作为密封面材料的出现，使球阀得到了迅速发展。六十年代日、英两国从美国大量引进球阀，随后在世界范围内进入了球阀发展的全盛时期，球阀也就从过去的特殊阀门变成了一般通用阀门，成为一种独立的阀门类型，得到各工业部门的广泛应用。目前在长输管线上使用的球阀，最大口径达1400 mm，压力为75kgf
4、/cm2，重量达34吨。1974年由瑞士供给美国瑞康(Raccoon)泵站的球阀，口径为3050 mm，压力为475米水柱，重量达148吨，是世界上最大的球阀。目前各国生产的球阀，按球体的工作状态基本上可分为浮动球球阀和固定球球阀二种；而按阀体的型式又可分为整体焊接式、二开式和三开式三种。前者是近年新发展的型式，具有结构先进、外形美观、重量轻的特点。目前，国内外在结构动态领域的研究十分活跃，特别是美国、西欧等一些工业发达国家，十分重视关于结构动态涉及问题的研究，并将其列为结构设计领域的重点发展方向之一。而我国在这一领域的研究还比较落后。结构动态设计的内容十分丰富，涉及现代动态分析方法、计算机技术、产品结构力学理论、设计方法学等众多学科范围，目前还没有形成一套完整的结构动态设计理论方法和体系。结构动态设计的主要内容包括两个方面：一是建立一个切合实际的结构动力学模型；二是选择有效的结构动态设计方法。其过程是：对满足工作性能要求的产品初步设计图样或需要改进的产品实物进行力学建模，并作动态特性分析，然后根据实际情况，给出其动态特性的要求或预定的动态射击目标再按结构动力学的“正”、“逆”问题求解
5、其结构设计参数或进行结构修改。我国控制阀行业要发展就一定要实施技术创新，调整产品结构，要大力研制开发一些技术含量高、劳动附加值高、具有国际领先水平的控制阀产品，以适应现代工业对控制阀的需求。有限元分析方法在国内已开始普遍应用于球阀阀体的结构分析，研究方向也由单纯静力分析向参数化建模、结构优化和动态特性等扩展，而且将有限元分析计算与试验研究相结合，呈现多样化的局面。如江苏工业学院的张锁龙采用有限元法对球阀阀体进行动态和静态的分析，肖俊建利用有限元法建立球阀的动态模型并对结构进行动态分析，赵磊生、刘克铭、张力钧、刘琳琳等都利用有限元法对不同类型的控制阀进行了仿真设计及动态或静态的分析。可以看出，目前，国内己经把有限元法作为控制阀的静态分析和动态分析的重要手段，球阀各部分结构的有限元分析模型更趋复杂、完善，计算结果精度愈来愈好，成为球阀结构分析和设计的主流工具。（三）主要内容本文的主要研究内容有如下几个方面：1）本次设计球阀参数有DN为250mm，压力P为2MPa。根据设计手册，对球阀的结构（包括阀体、阀杆以及阀芯）进行选用与设计，然后根据所选结构，进行强度校核。确保球阀结构及参数满足设计要
6、求，保证有合适的强度和刚度，使球阀工作稳定。2）利用三维制图软件Pro/E对所设计的球阀零件进行实体建模，分别绘制各个零件的三维图，然后将各零件装配成完整的球阀实体，完成三维数字化的虚拟模型。二、球阀的理论概述（一）球阀的结构及工作原理球阀主要由阀体、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2-1为球阀结构图。图2-1手动浮动球球阀结构1扳手；2阀杆；3球体；4阀体；5密封圈球阀的工作原理：以球体作为关闭件的阀门称作球阀。球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。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，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。球阀最适宜做开关、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用。（二）球阀的类型球阀的结构形式和品种规格非常之多，根据其用途和特点大致可分为以下几种：1、按球体的支撑方式分为浮动球球阀和固定球球阀两类：1）浮动球球阀：其主要特点是球体无支撑轴球体以阀门进出口两端的阀座为支撑。阀杆与球体为活动链接，因此这种球阀的球
7、体被两阀座夹持其中而呈“浮动”状态。2）固定球球阀：其特点是球体与上下阀杆连成一体，球体可沿与阀门通道相垂直的轴线自由转动，但不能沿通道轴线移动。因而，固定球球阀的转矩小，阀座变形小，密封性能稳定，使用寿命长，适用于高压，大通径的场合。2、按球体的安装方式可分为顶装式，底装式，侧装式及斜装式四种。3、按球阀与管道的连接形式可分为法兰连接球阀，内螺纹和外螺纹连接球阀和焊接连接球阀四种。其中法兰连接球阀又分为整体法兰连接球阀，螺纹法兰连接球阀，对夹式法兰连接球阀和焊接法兰连接球阀。4、按驱动方式可分为手动，气动，液动和电动球阀。其中手动球阀又分为带与 不带驱动机构两种。气动球阀又分为活塞气缸式和旋转叶片式两种。此外还有组合式球阀，如电液联动和气液联动球阀。5、按球体结构可分为整体球球阀，半球体球阀，截球体球阀三种。其中截球体 球阀又分为弓形和扇形截球体球阀。（三）球阀的主要特点球阀是近年来被广泛采用的一种新型阀门，它具有以下优点：1流体阻力小，其阻力系数与同长度的管段相等。2结构简单、体积小、重量轻。3紧密可靠，目前球阀的密封面材料广泛使用塑料、密封性好，在真空系统中也已广泛使用。4操作方
8、便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转90，便于远距离的控制。5维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便。6在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。7适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。球阀已广泛应用于石油、化工、发电、造纸、原子能、航空、火箭等各部门，以及人们日常生活中。其主要缺点：1）因为球阀最主要的阀座密封圈材料是聚四氟乙烯，它对几乎所有的化学物质都有是惰性的，且具有摩擦系数小、性能稳定、不易老化、温度适用范围广和密封性能优良的综合性特点。但聚四氟乙烯的物理特性，包括较高的膨胀系数，对冷流的敏感性和不良的热传导性，要求阀座密封的设计必须围绕这些特性进行。所以，当密封材料变硬时，密封的可靠性就受到破坏。而且，聚四氟乙烯的耐温等级较低，只能在小于180情况下使用。超过此温度，密封材料就会老化。而考虑长期使用的情况下，一般只会在120不使用。2）它的调节性能相对于截止阀要差一些，尤其是气动阀（或电动阀）。（四）球阀的适用原则1）石油、天然气的输送主管线、需要清扫管线的，又需埋设在地下的，选用全
9、通经、全焊接结构的球阀；埋设在地上的，选择全通经焊接连接或法兰连接的球阀；支管，选用法兰连接、焊接连接，全通经或缩径的球阀。2）成品油的输送管线和贮存设备，选用法兰连接的球阀。3）城市煤气和天然气的管路上，选用法兰连接和内螺纹连接的浮动球阀。4）冶金系统中的氧气管路系统中，宜选用经过严格脱脂处理，法兰连接的固定球球阀。5）低温介质的管路系统和装置上，宜选用加上阀盖的低温球阀。6）炼油装置的催化裂化装置的管路系统上，可选用升降杆式球阀。7）化工系统的酸碱等腐蚀性介质的装置和管路系统中，宜选用奥氏体不锈钢制造的、聚四氟乙烯为阀座密封圈的全不锈钢球阀。8）冶金系统、电力系统、石化装置、城市供热系统中的高温介质的管路系统或装置上，可选用金属对金属密封球阀。9）需要进行流量调节。三、球阀的设计（一）球阀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阀座密封面，选定球径后须按下式进行校核： (3-1)必须满足，式中为最小球体直径（mm）；阀座外径（mm）；球体通道孔直径（mm）；球体实际直径（mm）。由上面可知可取球体直径，。（二）球体与阀座之间密封比压的确定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，以表示。由于流体压力或附加外力的作用，在球体与阀座之间产生压紧力，于是必需比压式球阀设计中最基本的参数之一，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： （3-2）式中与流体性质有关的系数；与密封面材料有关的系数；流体工作压力；密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度；密封面宽度；
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