无摩擦球阀设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 无摩擦球阀设计 摘要： 该设计是为了改善传统球阀的缺点而做的，传统球阀的缺点是摩擦大、使用寿命短、密封性能不好。此设计可以根据流体冲蚀磨损、腐蚀程度和工作压力来调整密封比压。 轨道式 无摩擦球阀是一种 新型的球阀，它 利用 阀杆头部的斜面凸轮与导轨套螺旋槽 的 配合 来实现球阀的无摩擦开启、关闭和金属密封的新型阀门； 所以设计中的关键问题是要避免产生摩擦，密封要紧，最终达到高效率、高质量、耐用性等要求 。本论文 研究 对 轨道式无摩擦球阀的运动和动力分析方法，完成了球阀启闭运动轨 迹、球体运动空间以及主要零部件的受力分析 设计。该球阀具有启闭无磨损，关闭时压力可调节和启闭省力的优点；克服了普通球阀因密封比压大而 使 密封面容易磨损的缺点，延长了球阀的使用寿命。 关键词： 无摩擦 ； 球阀 ； 轨道式 ； 凸轮 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is to of of is to s is a of of by s of of of a of as of it is is to of So it a 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 第 1章 引言 . 1 . 1 . 1 . 2 . 2 第 2章 主要结构参数 . 4 . 4 . 4 . 4 . 4 . 4 . 4 . 5 q . 6 . 6 第 3章 运动轨迹设计 . 7 . 7 . 7 . 7 . 8 . 10 . 10 . 11 . 12 第 4章 结构设计和计算 . 13 . 13 . 13 . 14 . 16 . 18 . 21 c . 21 选择 . 22 . 22 . 22 . 23 . 24 第 5章 工作能力校核 . 31 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 . 31 . 31 . 31 . 33 . 35 . 37 . 38 . 38 . 39 结 论 . 40 致 谢 . 41 参考文献 . 42 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 引言 题来源 阀门是一种量大面广的通用机械产品，国民经济各部门所需要的阀门数量很大，应用范围也 非常广泛。输送流体介质离不开管路，而控制介质流动则离不开阀门。凡是需要对流动介质进行控制的地方，都必须安装阀门，阀门可比喻为“管路的咽喉”。 球阀 是本世纪 50 年代问世的一种阀门，在半个世纪的时间里，球阀已发展成为一种主要的阀类 。球阀经过半个世纪的发展已经有了很大的改进和发展，广泛应用于 能源、石油、化工、冶金等领域，起着截流、控制等作用。 传统的球阀具有以下特点： 1） 流体 阻力小 。 2） 密封性能 较 好 。 3） 球阀通道平整光滑，不易沉积介质 。 4）结构简单。 传统球阀明显的缺点： 1）阀的开启和关闭摩擦很大。 2）摩擦大引起 密封材料的磨损，使球阀的密封性能下降。 3）阀的使用寿命不长。 4）大型的球阀开启和关闭比较费力 因此设计一种无摩擦的球阀即可以改变传统球阀摩擦大的缺点，使球阀更耐用和可靠。该毕业设计旨在减小传统球阀的摩擦，适当补偿磨损，提高球阀的使用寿命和密封性能。 在 石油化工领域、大型煤液化工程关键设备、冶金部门、 “ 南水北调 ” 工程、 西气东输工程、 环保工程等 球 阀市场需 求很大。 通过对阀门市场的调查分析，在 “ 十一 五 ” 中，阀门需求量的总体趋势为上升趋势，阀门这个量大面广的产品，其需求量在稳定中增长。其中球 阀的市场需求占阀门试 产需求的 是各类阀门中需求最多的。由此可见，球阀在我国有着巨大的市场潜力。 题目的和意义 1）通过本设计掌握机械新型设计的方法，以及更深入掌握机械原理，机构综合的知识 。 2）过本设计掌握机械结构设计的方法，更深入掌握机械设计，材料选择等知识。 3）会查阅和收集资料，学会使用手册及图表资料。 4）培养创新设计的思维，为今后工作打下坚实的基础。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 5） 通过调查研究国内外在这方面的发展情况 ,明确我国制造业现状，学习国内外的先进制造技术 。 阀的发展趋势 球阀，是一种以球体作为关闭件的阀门， 它起源于本世纪 50年代。早在 19世纪80 年代美国就开始设计球阀，但是由于当时缺乏合适的材料，限制了球阀的发展，使它未成为一种正式工业产品。直到本世纪 50 年代，聚四氟乙烯等弹性密封材料的出现才使球阀的产生与发展出现了转机；同时，也由于机床工业的发展，使球体加工技术提高，能够实现球体所要求的尺寸精度和表面粗糙度。 目前，球体最大公称直径已达到 3050是美国 司为田纳西州的一个泵站所提供的 4 台球阀，用作透平机出口的切断阀，设计压力为 阀的最高工作压力已达到 72 相应温度高达 1000 C。 球阀不仅在一般工业管道得到了广泛应用，而且在核工业、宇航工业的液氧和液氢输送管线上普遍采用。 全塑料球阀近年来发展较快。其特点是：耐腐蚀、总量轻、成本底。在水道、化学管道上应用越来越广。德国一家阀门公司已制造出通径为 6的塑料球阀；美国一家阀门公司制成一种含氟塑料球阀，它具有高强度、优良的耐温与耐腐蚀性能，适应温度为 250 C。 大口径输油（或天然气）管线是球阀应用的一个重要方面。公称通径范围： 6001400作压力通常为： 了确保安全，一些制造厂商按管线 球阀的使用特点和他所受外界自然条件的影响，进行抗地震的弯曲实验、防止火灾蔓延的实验、耐气候条件的综合实验、紧急切断实验等。 为了适应高温工况的需求，近年来还发展了高温球阀，它的阀座材料不再是聚四氟乙烯，而是金属、石墨或碳素纤维等。 一些特殊用途的特殊结构球阀在不断涌现。，降低了切换阀的流阻并减小了 如在我国一国防科研的实验系统上采用了自行研制的三通半球阀 扭矩。 我们可以预料今后几年球阀将在以下几个方面得到更大的发展： a) 密封面材料 聚四氟乙烯作为球阀密封面材料已有 30 年历史，但它必定还会在生产工艺、物理性能（ 主要是克服冷流性、提高耐压性）、耐温性能方面进一步改善，以提高球阀的性能和适用范围。耐高温、耐磨、耐腐蚀的低摩擦的金属或非金属材料将会不断研制出来。 b) 新型球阀结构将会不断涌现 其目的主要在于提高寿命、密封可靠性和改善加工工艺性。比如本设计的轨道式。 c) 全塑料球阀将会有很大发展 在新型塑料的应用、结构与注塑工艺性等方面的发展将会使塑料球阀的通径、适用工作温度与压力范围进一步扩大。 d) 长输管线球阀会在遥控、自控、工作可靠性、寿命等诸方面得到提高，它们的需求量也会增加。 文研究的主要内容 无摩擦球阀在国 外研究较早，现在技术基本成熟；国内虽也有单位进行过研究并投入了生产，但明显落后于国外，国内需求还依赖于进口，技术还不够成熟，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 待于进一步完善其技术，更广泛的投入生产。无摩擦球阀有很广的国内外市场，特别是我国西气东输工程中应用甚广。 本文详细阐述了“无摩擦球阀的原理研究及结构设计”，讨论了实现轨道（即轨道式球阀运动功能）的设计实现，以及 件的应用过程，主要包括以下几个方面的内容： 1) 详细分析了运动原理 。 该设计是通过阀杆头部的斜面凸轮和和螺旋导轨槽的配合来实现球阀的启闭运动。 2) 详细讨论了运动轨迹的设计 。通过 数学方法和数据计算详细说明了球阀启闭的运动轨迹，如图 2示。 3) 在认识了运动原理和运动轨迹设计后，利用 件绘制工程图 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第 2 章 主要结构参数 术参数 公称通径 25称压力 用温度 121 C 适用介质 石油及制品、天然气、氧气、其他气体 术要求 阀门 的 开启 关闭 动作 ： （ 1） 操作机构带动阀杆上升，使球体沿通道轴线位移 （ 2） 阀杆继续上升 并同时旋转，带动球体绕阀杆轴线旋转 90角度，阀门开启； （ 3） 运行过程中球体只是沿通道轴线位移和绕阀杆轴线旋转； （ 4） 关闭与开启动作相反。 阀门作用：（ 1）切断介质；（ 2）调节流量。 阀门操纵、手动（仿 门操纵原理） 号及其含义 125 Q 4 I Y 40 要结构尺寸 体直径 球体半径 R=( d 公称直径 法兰连接 浮动直通式 阀座密封材料，硬制合金类 球阀公称压力 2类型、球阀 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 式中 d 球体通道孔径；根据 25 钢制球阀阀体的最小流道直 径，当 缩径）直径 123，因此选择确定 d=125 R=( d= 据 25,球径 D=2R= ,即 R=100 图 2 1球体通道孔径 封面宽度及压紧比压 密封宽度 R 根据图 1 1所示，球面接触外点半径 R R= 22 即 R= 22 78100 =封面在垂直于流体流动方向上投影宽度 b b=R紧比压bq， p 压力 m 常数，常温液体， m=1；常温汽油、煤油、空气、蒸气及高于 100 m=、氮及其它密封要求高的 m=a、 c 与密封面有关系数，详见表 1。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 表 1 a、 表面材料 钢、硬质合金 硬聚氯乙烯，铝及铝合金，尼龙，聚四氧乙烯 黄铜青铜铸铁 中硬橡胶 软橡胶 a .3 c 1 值与 通用机械研究所推荐值相近，查有关表格 0（或 ,表面粗糙度 （ 封比压 q (4 )( 式中： D =2R,P= p ) 阀座 1 140 170 q=15040此 阀结构长度及连接法兰尺寸 球阀的 结构长度 根据 89， 25M p 400381 ，长短,选取 L=400连接法兰尺寸 根据 N=125,选择凸面整体钢制法兰，外径 270，密封面直径 184，厚度 26，螺纹 8个，孔 26。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第 3 章 运动轨迹设计 阀启闭运动轨迹 动启闭 图 2 1所示运动轨迹简图，表明球阀绕自身形心 且沿水平方向以 1O 点作瞬心，沿滚动支承面作移动0h，实现球阀向阀口关闭，反之，则开启，因此： 000 180360 （ 3 1） 式中： D 球阀外径， D=2R， 球阀半径， 球阀自转角度，度 0h 球阀形心 本项设计中，0h=R=100式（ 3 1）知 h/0= 度 /由于0h=此实际转角0为： 0= 0h/ 阀摆动 具有倾角的平面凸轮（斜面）沿 Y 轴向下移动 s 距离，而两圆柱中心 以 1O 为瞬心，沿 时针方向转动0角，该两中心沿 X 轴向位移量 h=s 0（ R+180（ 3 2） 式中： 222 2/在本项设计中： 287 2/l =24 因此， 2 由式（ 2 2）可得： h=s=0h+=3 3） 当0h=0=时： h= s= 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 轮的轮廓 该平面的凸轮机构是以双斜面与圆柱面接触原理工作，当凸轮机构的一边（例如右侧）是直线型斜面，则在另一侧就不一定是一个平行于右侧的斜面（指左侧工作面），因此要计算出在 是 A）和 是 D 点）的坐标位置，以右侧为直线，求左侧轮廓位置。 当 s=0，如图所示状况，即 2y =0，当圆柱半径 r=9， = c （ 3 4） 在图示状况下（本项目中 l=48 232232 )()( （ 3 5） 当 s= | 2y 值时 0 5 （ 3 6） c 5 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 2 1球阀启闭运动轨迹计算简图 O 球心形 心 1O 滚动瞬心 1(球阀半径 ) 0 球阀滚动角 斜导轨斜角 滚柱与导轨接触点 A、 导轨位移而变化 S 导轨沿 Y 轴方向移动量（向下为 正） S=h 球阀形 心水平移动量 h 导轨在 212r 滚动半径 11, 22, 33, 44, L A 与 D 之间垂距（沿斜面） A 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 s c o sc o 5 o s c o sc o 5 o （ 3 7） )c o s (2c o s （ 3 8） 在本项设计中，平面凸轮最高升高 4式（ 3 3）和（ 3 8）得： m a x 4 38t a n 6s m m 20 m a 3 1 0 5 s (48m a x h=2 s= 9mm h=1 s= h=0 s=0 00 L= 面凸轮下窄上宽，角度变化范围约在： m a x 0m a x 02 9 . 8 3 1 6 2 9 . 7 3 7 0 . 0 0 2 4 8 938 ， =0 2 6 8 6 （斜度在左侧变小） 当凸轮右侧面是斜平面时，左侧应为一曲面，由于曲面曲率变化小，在结构设计中可用一个近似斜平面，角度略小于右侧面角来实现。 阀下支承外形 动柱面与倒角半径 根据球阀启闭采用滚动启闭原理，下支承 结构外形要适应这一要求，实现无滑动滚动。图 3 2所示下支承结构外形简图，图中表示支承外 圆 R（即与球阀外径同），它与倒角圆角 柱面区。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 图 3 2 球阀下支撑点外形 当倒角半径为 1r ，轴承内孔直径为 经倒角半径为 1r 起点 b 与球阀形心连线与 m a )2/(s R （ 3 9） 在本设计中： 401r =9R=100而： 920(s in m a 角中心点位置 点 aa ) （ 3 10） 倒角中心点 12 a (3 11) 在本项设计中： 9 9 o 00 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 3 3 0 19240 4 5 o 9 动空间 要求以 O 点为瞬心， 半径能作无滑动的滚动，此时 长度和 系为： 22 )2/( 1ta n /2 （ 3 12） 当球阀转动0角后， 轴上投影 ) （ 3 13） 根据d 配合间隙。 在本项设计中： 5 2 ， 1 9 . 5 4 5 5t a n 2 5 . 5 1 420 ， 2 2 . 1 6 1 c o s ( 2 5 . 5 1 4 1 . 2 0 5 ) 2 0 . 1 9 2 在滚动中要求右边增大半径 左边滚动中出现空隙，此时) = 2 2 . 1 6 1 c o s ( 2 5 . 5 1 4 1 . 2 0 5 ) 1 9 . 7 9 4 隙为 虑左、右状况，理论上还有空隙 此选择优先配合 )40支承轴承孔)40 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 第 4 章 结构设计和计算 杆机构受力状况 阀受力状况 球阀受力状况可以简化为图 4 1所示状态，图中： 4 （ 4 1） 式中： D=25= A B (4 2) 式中： a、 见图 4 1中尺寸。 图 4 1 球阀受力状况简图 因此： 49 4 71 0 6 2 1 1 51 0 6 2 球阀密封压力考式 （ 4 2）可得： 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 )(4 22 （ 4 3） （ 4 4） 本设计中： ,d=125F S 22 A 62 6917 79012 329 B 60601778712329 合力于因此 （ 4 5） 当流体反向流动时（密封时），要保持密封面此球阀上受倒阀杆作用力引起支反合力： 4 6） 在本设计中：4947+6269=31216N 060=后面分析中应用 在 强度计算时将考虑 杆支承反力与支承结构型式选择 方案 1：前支承导向型（即无后支承）图 4 2是方案 1的 力系平衡图，由图可得： 0M 2()23A O F l ， 而 12 2 4，因而 26 ()2 c 0F R 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 图 4 2前支承导向受力图 因此： 116 4cq q Rl l l 216 2cq q Rl l l 1q 区间 6 4622646461 2q 区间 （ 4 7） 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 6 )46(4121 2111 6 )26(4121 2222 （ 4 8）因此： 6 5 7 33 1 2 1 61 1 73406)1 1 74406(1 1 74 1 21 6 8 1 7 51173406)1174406(1174 1 22 方案 2：前后支承导向型 图 4 3是方案 2受力状况图，由图可知： 图 4 3 前后支承导向 受力图 2AO rR d F e 21 （ 4 9） 因此，当 2 98 3 1 2 1 6 1 7 4 8 0 . 9 6175 N 1 3 1 2 1 6 1 7 4 8 0 . 9 6 4 8 6 9 6 . 9 6N 比较两个结构方案，方案 2受力状况较好，在结构设计上又允许设计后支承，因此选用方案 2（只考虑 ，） 1 3 8 9 1 7 ， 2 1 3 9 7 0 擦阻力扭矩 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 0012c o s ( ) c o f r F f (4 10) 式中： 12 导轨槽螺旋角， = f 摩擦系数， f= 滑不良），取 f=d 阀杆直径，0d=40此：（ = 密封摩阻扭矩 c o o 00 dZ h p 4 11） 式中：mF=Z 山形密封件数， h 密封件长度，在具体结构中： 6+10 6一层件数 中间层件数 摩擦系数，对于尼龙 因此：40 46 4 40 球阀下支承点摩阻扭矩（ 4 12） 式中： 下支承点轴径， 40 摩阻系数， 此： 导轨槽产生扭矩 （ 4 13） 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 因此： 杆承受的轴向力 导轨槽承受轴向力作用阀杆上） 在螺旋槽部分 (2 （ 4 14a） 式中： )(21 ，导槽平均直径， 导槽外径，0 导槽内径，1md 170(21 导槽螺旋升角， =左旋） 导槽与导轮摩擦角，当 f ， 在式（ 3 14）中，当开启时取“ -”，关闭时取“ +” 在直槽部分 1（ 4 14b） 式中： 除导槽以外的轴向合力，详见式（ 4 19）。 mR= 阀杆梯形螺纹摩擦半径，(2 ，关闭用“ +”，开启时用“ -”，当选用 6L 7H 梯形螺纹，螺纹螺旋角 334 ，当螺纹摩擦系数 f 时， 142 ，梯形螺纹平均直径 P 。 由式（ 4 14b）可得在本设计中： 开启时 4 14）计算结果列于 表 4 1中。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 表 4导轨槽承受轴向力 工作状况 md区域 开启 斜槽 直槽 0 闭 斜槽 直槽 0 4轨槽承受力图 液压推力 PF 204 （ 4 15） 式中： p=此： 50 244404 2 阀杆前后支承摩擦阻力 由式（ 4 9）和（ 4 10）知，支承摩擦阻力为： 直线移动中 关闭时 ( 21 开启时 ( 21 （ 4 16） 螺旋移动中 s 21 4 16）计算结果列于表 4 2中。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 表 4 2 阀杆前后支承轴向摩擦阻力（ N） 工作状况 前支承 后支承 摩擦系数 f 螺旋角 摩擦阻力 1121关闭 开启 螺旋运动 8462 阀杆密封摩擦力4 11）知 直线运动时 mF 螺旋运动时 s 4 17） 因此： 40 46 4 4 48 0 5 9s N 关闭 他状况 / c o （ 4 18） 式中： 斜面倾角， =6 摩擦系数，此再阀门关闭时：31216 0 . 1 5 4 7 0 8 . 3c o s 6 N其他状况： 24974 0 . 1 5 3 7 2 1 . 5c