（机械工程专业论文）轨道式球阀的设计与制造.pdf

四川大学工程硕士论文 轨道式球阀的设计与制造 机械工程专业 研究生：龚王军指导教师：姚进、史利民 轨道式球阀是一种利用凸轮机构实现球阀的无摩擦开启、关闭和金属强制 密封的新型阀门。本论文对轨道式无摩擦球阀机构设计、材料选择与热处理、 机械加工路线及方案以及性能、寿命试验等进行了研究，取得了以下几个方面 的成果： 提出了轨道式无摩擦球阀的动力分析方法，完成了球阀主要零部件的受力 等分析，进一步提出了球阀结构设计的准则，完成了球阀装配件及所有零部件 图纸设计。 根据轨道式球阀的受力分析和主要的失效，破坏形式，完成了轨道式无摩 擦球阀的主要零部件材料的选取及热处理方案，并对各种常用的主要材料热处 理技术条件进行了规范。 通过对轨道式球阀的运动和结构特性分析以及对各主要零部件的功能、结 构特性分析和研究，编制了轨道式无摩擦球阀的主要零部件的机械加工工艺方 案，并对关键件、关键工序进行了分析，制定了较为详细的工艺，完成主要工 艺装备的零部件图纸的设计。 根据轨道式球阀的结构特点、常见的失效形式和相关的标准规范，编制了 该阀的总装方案和性能、寿命试验方案。 关键词：轨道式球阀设计制造 四川大学工程硕士论文 d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fo r b i tn o n - f r i c t i o nb a l lv a l v e m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d a t e ：g o n gw a n gj u n a d v i s o r ：y a oj i n 、s h il im i n o r b i tn o n - f r i c t i o nb a l lv a l v e sa r ean e wt y p eo fv a l v e s , w h i c hu s et h ec a m m e c h a n i s mt or e a l i z et h eo p e n i n g ，c l o s i n ga n dm e t a l - t o - m e t a ls e a l i n gw i t h o u tt h e f r i c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dt h es t m e t m r ed e s i g n ，s e l e c t i o na n dt r e a t m e n to f m a t e r i a l ，m a c h i n i n gp m c e s sa n ds c h e m e ，p e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f et e s t ，e t c ，o f o r b i tt y p eb a l lv a l v e s ，a n dg o tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ：t h ed y n a m i ca n a l y s i sm e t h o di s u s e dt of i n i s ht h ef o r c ea n a l y s i so f ft h em a i np a r t s ，t h er u l e st od e s i g nt h es t r u c t u r eo f b a l lv a l v e sa l ep r o p o s e da n dt h ed e s i g no fa l lp a r t sa n da s s e m b l i n go a r t so ft h eb a l l v a l v e sc o m p l e t e d b a s e do nt h ef o r c ea n a l y s i sa n dm a i nf a i l u r ea n dd a m a g et y p eo fo r b i tt y p e b a l lv a l v e ，t h es e l e c t i o no fm a t e r i a la n dh e a tt r e a t m e n ts c h e m ef o rt h em a i np a r t so f o r b i tb a l lv a l v e sa r ec a r r i e do u t a n dr e g u l a t e dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fh e a t t r e a t m e n tf o rn o n n a im a i np a r t sa r er e g u i a t a l t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sf o rt h eo r b i tt y p eb a l lv a l v e ，a n dt h e p e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sf o rt h em a i np a r t sa r ec a r r i e do u t ， t h em a c h i n i n gp r o c e s ss c h e m ef o rt h em a i np a r t so fo r b i tt y p eb a l lv a l v e si s p m p o s e d ，a n dt h ek e yp a r t sa n dk e yp r o c e s sa r ed i s c u s s e d ，t h ed e t a i l e dt e c h n o l o g y f i l e sa n df i n i s h e dt h ed r a w i n gd e s i g nf o rm a i np a r t sf o rp r o c e s st o o l sa r ec o m p l e t e d 。 k e y w o a r d s ：d e s i g nm a n u f a c t u r i n g o r b i tt y p eb a l lv a l v e 四川大学工程硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四 川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的， 论文成果归四川大学所有，特此声明。 作者：参参 i 指导教师： 四川大学工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题来源 成都乘风阀门有限责任公司以平板闸阀在行业内博得了一席之地，石油长 输管线上的业绩在国内首屈一指，近年内更是大量出口欧美等地。但是，因平 板闸阀本身结构限制，纵向尺寸过大，行程长，快速截断时间达不到许多工程 要求，比如天然气输管线截断阀的截断时间一般都3 s 。同时，平板闸阀自身 需要些非金属密封件、弹性体，一般使用温度为一5 0 2 5 0 ，这就限制了在 高低温方向的发展，故在化工、冶金、炼化、电站等许多行业都受到限制“】。 而轨道式球阀以其独特的结构优势，可靠的密封性能，近年来在各个行业崭露 头角，在许多场所已经取代了易出故障的传统球阀、闸阀、截止阀、旋塞阀等 “ 。而轨道式球阀是高科技，高性能、高附加值产品，在全国乃至全世界生产 的厂家都屈指可数，有良好的发展前景，故成都乘风阀门有限责任公司决定开 发该系列产品。本论文以i o o g d q 4 t 3 y 4 0 的球阀为例，对轨道式球阀产品开发设 计、材料的选择处理、产品的制造检测、性能测试等方面的问题进行研讨。 1 2 轨道式球阀结构特点和国内外主要生产概况 轨道式无摩擦球阀( 以下间称轨道球阀) 是顶部开启，阀杆提升式的固定 座关断阀门。虽然它看上去像球阀，但其独特的机械楔紧式关闭特性，当阀杆 下降时使密封面紧密地挤压在一起。轨道阀门倾离并转动的原理消除并避免了 阀门损坏的最基本因素密封面的擦伤0 1 。当轨道阀门关闭时，球芯是靠机 械的力量横压到密封阀座，无需依靠管线压差的帮助就可确保严密的密封。 轨道球阀开启时，球芯倾离阀座，管线的流体沿球芯表面3 6 0 。均匀通过阀 门，这样可消除高速流体对阀座的局部冲刷腐蚀( 这种局部冲刷腐蚀是普通球 阀、闸阀、旋塞阀常见的毛病) 然后，球芯再转动到全开位置“1 ，轨道式球阀 的工作原理具体过程如图卜1 。 四川大学工程硕士学位论文 当阀门处于 仝开位置时，顺时 针转动手轮，在阀 杆螺母与止推轴承 配合下，阀杆开始 下降并带动球体开 始旋转。 连续转动手轮， 阀杆上的精密螺旋曲 线槽轨道，与嵌于其 内的导向销相互作 用，带动球体随阀杆 不停的按顺时针方向 转动。 一i 鳓l k 国 继续转动手 轮，当阀杆升到极 限位置时，此时球 也已随阀杆倒转了 9 0 。阀门己处于全 开位置。 当阀门将要开 启时，阀杆上的精密 螺旋曲线槽轨道与嵌 于其内的导向销相互 作用带动球体在与阀 座密封面完全无摩擦 的情况f 不停的按逆 时针方向转动。 当阀门将要 关闭时，阔杆带动 球体在与阀座密 封面完全无摩擦 的情况下旋转了 9 0o。 继续转动手 轮，再次下降的阀 杆会机械地压球 体，使球体与阀座 紧密接触，从而达 到密封效果。 囹圃 连续转动手 轮、阀杆会在向上 升的同时带动球 体倾离阀座。 图卜1轨道球阀工作原理 处于全关位置 时逆时针转动手 轮。在阀杆螺母与 止推轴承配合下， 阀杆开始上升，并 带动球体开始旋 转。 轨道球阀启、闭没有摩擦，易操作，低扭矩，密封可靠，是近年来各阀门 企业竟相研究开发的热门产品之一。它主要适用于石油、天然气、石油化工、 造纸、电力、冶金等非腐蚀性、腐蚀性、低温、合成氨、酸、碱、氯化物等工 况。1 1 。 目前轨道球阀在国内外发展上处于上升阶段。据调查国外生产轨道阀门的 企业主要有美国o r b i t 和荷兰c o n t r o ls e a l 两家公司。国内发展较快的主要为 沿海、温州一带，目前已有8 4 9 家生产，其中最具代表性的为温州挺宇集团有 限公司。 1 ) 美国o r b i t 公司生产的轨道球阀 美国o r b i t 公司生产的轨道球阀，其工作原理是阀门在关闭时球体受阀杆 的机械力压在阀座上，当逆时针转动阀门时，阀杆向上运动，其底部楔形平面 2 四川大学工程硕士学位论文 使球体离开阀座，阀杆继续提升靠阀杆螺旋槽内的导销使球体无摩擦旋转，阀 杆提升到极限位置，阀门全开。关闭过程动作相反。该阀设计、制造标准为 a p l 6 d 、b s 5 7 5 0 、z 2 2 9 1 、n 、h p g a 等，公称通径为f i n - 1 6 i n ；公称压力 级为c l l 5 0 l 2 5 0 0 ；工作温度2 0 4 + 8 1 5 。由于该阀的球体表面和阀座 一面堆焊有s t l 硬质合金，使之其寿命更长，工作温度更高0 1 。 2 ) 荷兰c o n t r o ls e a l 生产的轨道球阀 荷兰c o n t r o ls e a l 生产的轨道球阀，其工作原理与美国o r b i t 轨道球阀基 本相同。只不过是o r b i t 采用阀杆的螺旋槽和固定导销达到启、闭动作，面 c o n t r o ls e a l 则是靠阀杆下部的螺旋扁尾来达到要求的。该阀设计、制造标准 为a p i f d 、b s 5 7 5 0 、z 2 2 9 1 、t u v 、h p g a 等，公称通径为i i n 1 6 i n ；公称压力 级公称压力级为c l l 5 0 c l 2 5 0 0 ；工作温度2 0 4 + 8 1 5 。由于该阀的球体表面 和阀座表面堆焊有s t l 硬质合金，使之其寿命更长，工作温度更高0 1 。 3 ) 温州挺宇生产的轨道式球阀 挺宇生产的轨道式球阀与美国o r b i t 公司生产的轨道式球阀的结构是一致 的，由于材料和工艺等原因，公称压力等级为c l l 5 0 c l 9 0 0 ；工作温度2 0 4 c + 5 7 5 。，较国外的偏低，但生产口径较大l i n 3 0 i n ，该阀设计、制造标准为 a p l 6 d 、b s 5 7 5 0 、g b 、j b 、h g 等。 1 3 本文研究的主要内容 本文详细阐述了轨道式球阀的设计制造及试验系统建设，讨论了轨道式球 阀系列化设计中常用参数的选取与确定，对轨道式球阀系列产品的关键零部件 材料选取及处理加工、检测作了较为详细的阐述，并对试验系统的建设作了相 关描述。主要包括以下几方面内容 1 ) 轨道式球阀主要结构特性尺寸的计算、选取。 2 ) 材料选取与热处理。 3 ) 制造与检测。 4 ) 实验系统简介和i o o g d q 4 t 3 y 4 0 的相关检测。 四川大学工程硕士学位论文 第二章轨道式球阀中关键结构的设计与计算 球阀的结构设计已经规范化，此处只讨论未列入规范和“手册”中，与轨 道式球阀有关的关键结构设计与计算。 2 1 主阀结构及特性尺寸的确定 2 1 1 球阀阀座的球面半径s r 球阀球体与阀座球面接触密封时，类似于锥形密封面状况，如图2 一l 所示， 当锥角很小时，温度波动容易使阀发生卡死现象，而对大直径阀座的楔形作 用力将大到使阀座圈产生变形程度。因此要求 s r 一d n 2 c o s 妒( r a m ) f 2 - - 1 、 或 艘0 5 7 7 d n ( r a m ) j 式中妒阀座密封面的斜角，要求( d 妒】= 3 0 。 豫一球面半径，m m ； d 扩一阀的通径，脚t 。 通常s r 取值按下式： 图2 - 1 阀瓣和阀座的球面结构 四川大学工程硕士学位论文 翻b ( 0 7 5 - 4 ) 9 ) d ( r a m ) ( 2 _ 2 ) 在初步选择或确定衄后，必须按下式校核 工，2 l 职2 一( d ，2 ) 2 + + 月。i ( z 一3 ) 式中工广阀门结构长度之半，m m ，可参照g b , , t 1 2 2 2 1 1 9 8 9 要求； i 1 0 _ 一阀杆中心与阀座中心矩，m 埘。 碍一阀座高度或厚度，栅，通常h m i n t1 6 r a m ，d n i a b m m ( 2 4 ) 式中 。= 帆。l 一 口9 h l ) 2 。k 孔的基本偏差a 的9 1 2 级公差带的最小偏差值，7 7 7 i ； k ，。】。轴的基本偏差a 的9 - 1 3 级公差带的最大偏差值，r a m | a b 。= ，m l 一 6 9 。3 】一) 2 b m k 孔的基本偏差b 的9 - 1 2 级公差带的最小偏差值，r a m ； b 圳l 。轴的基本偏差a 的9 1 3 级公差带的最大偏差值，l , n m 。 或 a ：垒查监( r a m ) ( 2 5 ) 。 2 2 ) 阀杆回转中心与阀座球面中心的偏心矩岛 偏心矩h o 与回转间隙o 之间关系为 h o = a o i ( m m l ( 2 嗡) 式中比例系数i 值可以由几何关系由下式得到 f = i 一( d # 2 s r ) 2 垤( 2 _ 7 ) 3 ) 球阀或蝶阀的柱销a 摆动矩离h 由图2 - i 所示几何关系，可近似得到 四川大学工程硕士学位论文 h a = ( s r m - l a ) h o s r b ( m m ) ( 2 一8 ) 式中识r 一下支承球面半径，m m 。 d r = l o o m m ，p n 4 0 球阀职、o 、锄的确定 按式( 2 2 ) 得肼滓o 8d , = 8 0 m m ；以2 s r = - 1 6 0 m m 作为基本尺寸，属 1 4 0 - 16 0 m m 尺寸范围，此时翩新= 0 5 2 r a m ， 砌m = o 2 8 m m ，由式( 2 5 ) 得o = ( o 5 2 + 0 2 8 ) 2 = 0 4 r a m ，实取a o = o 4 m m 。 由式( 2 - - 7 ) 得f ：1 1 一( 1 0 0 2 8 0 ) 2p ；0 7 8 由式( 2 6 ) 得h o = 0 4 1 0 7 8 = 0 5 1 ，实取h o = 0 5 r a m 。 可按式( 2 一1 ) 验算， c 。印= 筹= 器一o 6 2 5 , p = 5 1 3 0 排s 。 2 1 3 密封面宽度b m 1 ) 密封所需压力锄， 叮= 3 1 6 m ( a + c p ) 1 4 b mo d e a )( 2 9 ) 式中肝一系数，常温液体m = l ；汽油，煤油和空气，蒸气等气体以及高于 1 0 0 * c 液体，m = 1 4 ；氢、氮及其他密封要求高的介质m = 1 8 ； 卜流体工作压力，l v l p 。： k 密封面向垂直于阀门通道轴线的平面的投影宽度，t o n i ； a 、r 系数，见表2 1 ； 表2 - 1密封压力的日，c 系数“ 密封面材料 口 钢、硬质合金 3 5l 铝、铝合金、硬聚氯乙烯、聚四氟乙烯、 1 8o 9 尼龙 青铜、黄铜、铸铁 3 01 中硬橡胶 0 4o 6 软橡胶 o 3 o 4 附注由不同材料制造密封面时，按最软的材料选用g 町值。 四川大学工程硕士学位论文 式( 2 9 ) 只适用q m 8 0 m p 。情况。 2 ) 密封面允许最小宽度b r a i n 。 按流体( 介质) 顺向流动原理工作的阀门，当上k 1 2 6 5 m ( a + c p ) f f f f m m p 时， 靠r 棚，密封面的宽度按2 1 0 计算： b m m 【3 1 6 m ( a + c p ) q 1 2 ( m 州)( 2 一l o ) 式中 【棚密封材料的许用应力，m p 。； 当比 1 2 6 5 m ( a + c p ) l b m p 时 拥二阜i 痫一1 】( 一) ( 2 - - 1 1 ) 或b r a i n d p h g 】一尸) 伽m )( 2 一1 2 ) 式中 d 一密封面平均直径，m m ，d c ! ；d 一广卜k ；d u 是阀的通径，m m 。 式( 2 一1 2 ) 便于设计计算，计算结果略大于式( 2 一1 1 ) 的计算，计算精度不 如式( 2 1 1 ) 。 按流体逆向流动原理工作的阀门，在额定工作压力p n 下工作时，实际密封 面上压力g m 铷p 只有当阀门关闭时，管路中尚未建立压力的瞬时，可能出现 控制机构( 即阀杆机构) 施加压力达到q 。= d n p 4 b m + 3 1 6 m ( a + e p ) - 厮m g 】 情况，由于这种情况出现较少，可以不考虑，6 。可按式( 2 1 0 ) 或( 2 1 1 ) 或( 2 一1 2 ) 来确定。如果一定要考虑上述情况可用下式来计算 锄等+ 等铲h i q d u pi - 1 ( 2 - - 1 3 ) 式中 q l = q - p 4 7 3 ) 密封宽度砌 6 m b m m及b m 2 - 3 m m( 2 1 4 ) d j c = 1 0 0 m m ，p ：4 m p 。，球阀，密封材料i c r l 8 n i 9 t i ，工作温度t 1 8 0 * c ， 选择k 。 由表2 - 1 知，a = 3 5 ，c = l ，m = 1 4 ， q = 4 0 m p 。，由( 2 1 2 ) 得 b m m d 尸“4 【口卜p ) = 1 0 0 x 4 ( 4 x 4 0 4 ) = 2 5 6 r a m 按式( 2 - - 1 3 ) 计算一一等+ 鼍笋h 舞等卟。：一 实际选取b i n = 6 1 3 b m m 四川大学工程硕士学位论文 2 1 4 球体受力状况 在阀门启闭过程中，阀瓣沿密封表面有微小滚动或滑动倾向，在密封 表面产生滑动磨擦力和力偶，其受力状况如图2 所示。作用于阀瓣上最大 的n a 和n b 力为 1 ) 介质逆向流动 关闭阀门时以= l 。k , j + 垒l z c o s a h + m ，( 1 + 瑶) 】( n ) i = 鼎耳一跏喇髟，】c n ，n - 1 4 式中k 厂力臂系数，k a = i - 加加a l7 = 1 - k i s r l 7 ，k 产k ，l ，拥a s r ； 图2 _ 2 阀瓣和阀座闭合时受力状况 商广壤动滑动摩擦因素，k m = f s e d ( 1 v 2 。) s i n 妒，可查表2 - 2 ； 厶关闭阀门时，密封面摩擦示数，详见表2 2 ； 口阀杆扁头斜面倾角度，通常n 6 0 ； s r 球形密封表面的半径，m r t l ； 矽球形密封表面的外切表面与阀门通道轴线夹角度，见图2 2 ； r 比例系数，饰钮，僻一b m q m f ，d 矿m p = 4 ( d n + b i n ) b i n d i e b 聊密封面向垂直于阀门通道轴线的平面的投影宽度，m m ； 铂。厂一密封所需压力m p 。，由式( 2 9 ) 计算； 四川大学工程硕士学位论文 尸介质( 流体) 压力，m p 。，通常p = p n ( 公称压力) ： d 印密封表面的平均直径，r a m ，通常如蝴6 川，d _ 是公称通径； 瓦i - 密封表面的密封压力，n p ，k = j r 如b m 锄一 局一流体( c r y ) 压力，c = 寻d 三p = 0 7 8 5 d , ；p ， 三。力臂，m m ，e ：l 2 + 2 ，厶、z r 详见图2 - 2 ； 三口力臂，m m ，l s 屯口蠕z 以，岛、d b 详见图2 2 ； 7 套一阀瓣下支承的摩擦系数，通常五= 0 2 ( 钢对钢) 开启阀门时 虬= 可可靠耳【1 一磁7 】 卜( 卜1 5 虬= 纛耳【1 峨c o s a l 心】j 式中k ，滚动滑动磨擦因素，k 。7 - - f s r ( 1 + ，。2 ) s i n 矽； k 力臂系数，足= 1 k 。 f , s i na l a = i - k f 。s r l a ，k i 。鼍k 。 s i n 口s r ； f 。开启阀门时密封表面摩擦系数，见表2 2 ； 2 ) 介质顺向流动 关闭阀门时机= 瓦去掰，( 1 + 以e ) = 瓦- l + a k e a c 。s 口f ，肌，( 1 一蚝c 咖l a k a ) 开启阀门时m = i 赤c ( 1 + 群e ) = 瓦, a 。l 十 a k b a c o s 口f ( 1 一群c 。s 口e 髟) - ( 卜1 6 ) j 一( 卜1 7 ) 一j 3 ) 减小m 和措施 在已有结构中m 总是大于 b ，减小m 值，可以减小阀杆与阀瓣上柱销的 接触应力，增加阀杆机构的工作可靠性和寿命，因此在结构设计中应采用以下 四川大学工程硕士学位论文 办法和措施。 在结构允许条件下，最好使l b 。舰，减小滚动磨擦因素影响，同时希 望厶如。，并减小m 值。 选用厶、厂。值小的密封表面材料。 在密封材料许用压应力范围内，尽可能选用窄的b m 值，便于加工并减 小忆值。 采用大的球面半径艘，使接触密封面斜率矽角值增大，使j 0 、如值减 小，也使m 、减小。 在结构设计中，要求阀门总装后，阀瓣中心略低于阀体的通道轴线高， 按基轴制轴偏差极限值给定技术要求( 即上偏差为0 ，下偏差为“一”值) 进 行检查。 d n l 0 0 ，p n 4 m p a 的轨道式球阀中l a = 7 0 m m ，l = 1 9 m m ，l s = 7 3 m m ， b i n = 6 1 3 r a m ，d b = 3 0 m m ，a = 6 0 ，s r = 8 0 m m ，a = 5 1 3 0 。则可由以下方法求得、 _ 由式( 2 9 ) 得盯1 3 4 m p 。，髟= 4 7 0 2 + 1 9 2 = 7 2 5 3 m m ，l b = 7 3 + 0 2 1 5 = 7 6 m m 。由表2 - 2 知，f ：o 3 5 ( 1 c r l 8 n i 9 t i ) ，f 。= o 4 5 ，= o 4 s r ， 置。= o 4 8 s r ，跹= 0 0 1 4 6 3 ，置 = 0 0 2 2 5 8 ， k a = i - k f s r l a = l - 0 0 1 4 6 3 x 8 0 7 2 5 3 = 0 9 8 4 ，k a = 1 - 0 0 2 2 5 8 8 0 7 2 5 3 - o 9 7 5 。m p = 4 x 6 1 3 x 1 3 4 ( 1 0 0 + 6 1 3 ) x 4 - = o 7 7 4 ，f p = 3 5 3 6 7 6 n ，用式( 2 1 4 ) ( 2 1 7 ) 计算。 表2 - 2 密封面磨擦系数厶搬磨擦因素厶l ( - ，和力臂系数鼽肜 密封表窘擦系数睢角滚动滑动磨擦因素力臂系数 备注 面材料关闭开启 中o k , s r厩s r 墨k j 五l ： ，l i a a ，h l m 4 o + l 1 ) 如p ( 1 + n 1 1 】嘲 o + 加2 ) s i n eo + ，h 1 ) 啦p 聚四氟 ) 0 5) 1 53 0 00 ，1 0o 2 90 0 0 0 5 20 ，0 0 4 5 5 k a = i - k = s r l b 乙烯 4 0 00 0 8o 2 30 0 0 0 4 20 0 0 3 6 1 k a = 1 - k , , , s r l b 5 1 3 0o 0 6o 1 90 ，0 0 0 3 1o 0 0 2 9 8 k a = 0 9 7 4 8 0 9 9 9 7 铸铁或 d t 2 5) 3 53 0 00 4 7o 6 20 0 1 2 2 80 0 2 2 6 8 简化计算 膏铜黄 4 0 00 3 70 4 90 0 0 9 6 70 0 1 7 9 3 k a ! o 9 8 四川大学工程硕士学位论文 嗣 5 1 ，0 3 00 4 00 0 0 7 8 40 0 1 4 6 3 置：；o 9 9 6 7 o 9 6 0 8 碳钢或 3 0 00 5 50 6 90 0 1 7 2 50 0 2 8 8 5简化计算 合金钢 ) 3 0) 4 0 4 0 00 4 30 ，5 40 0 1 3 4 80 0 2 2 5 8 e ；09 7 5 1 雩0 3 50 4 40 0 1 0 9 8o 0 1 8 4 0 时酸钢 3 0 0o 6 20 7 5 0 0 2 2 6 8 0 0 3 5 2 8 ( i c r l 8 nd 3 5) 4 54 0 0 0 4 90 5 8 0 0 1 7 9 3 0 0 2 7 2 8 9 t i ) 5 1 3 。0 4 00 4 80 0 1 4 6 30 0 2 2 5 8 球阀躲= o 8 毋nf a = 5 1 3 0 。 逆流关闭 。u 一 以2 瓦五i 西酉巧石磊万x 3 5 3 6 7 6 【1 + 0 7 7 4 ( i + 0 4 x 8 0 7 6 ) ：生3 5 3 6 7 6 2 1 ：0 5 1 7 x 3 5 3 6 7 6 2 1 ：3 8 4 1 2 2 1 4 6 9 5 以=7253x0984x3536761+o774(1一o480cos6。7653xo981469 5 4 ) 4 lj = 0 4 8 6 3 5 3 6 7 6 1 4 3 = 2 4 5 6 0 2 逆流开启 n a = i 丽7 6 3 5 3 6 7 6 1 0 4 8 8 0 7 6 = 0 5 1 7 3 5 3 6 7 6 0 4 9 5 = 9 0 4 6 3 n = o 4 8 6 x 3 5 3 6 7 6 x i l + o 4 8 x 8 0 x c o s 6 0 7 2 5 3 x o 9 8 4 = 1 7 1 8 8 7 x 1 5 3 5 = 2 6 3 8 6 3 n 顺流关闭也= 淼。3 5 3 6 7 6 o 7 7 4 ( 1 + 0 4 x 8 0 7 6 ) = 2 0 1 l l - 6 虬= o 4 8 6 x 3 5 3 6 7 6 x o 7 7 4 ( 1 0 4 8 0 c o s 6 0 7 2 5 3 x 0 9 8 4 ) = 7 3 7 1 6 n 顿流开启m = o 5 1 7 3 5 3 6 7 6 ( 1 + 0 4 8 x 8 0 7 6 ) = 0 5 1 7 x 3 5 3 6 7 6 x 1 5 0 5 = 2 7 5 1 9 t 0 n 虬= 0 4 8 6 x 3 5 3 6 7 6 ( 1 一o 4 8 x 8 0 e o s 6 0 7 2 5 3 x o 9 8 4 ) = 1 7 1 8 8 7 0 4 6 5 = 7 9 9 1 i n 4 ) 、结构设计计算中m 、取值。 ( 1 ) 结构计算中忆、取值。 由式( 2 1 4 ) ( 2 1 7 ) 得到、值是阀门启闭过程中各阶段的最大 值，是瞬时峰值。例如逆向流动关闭阀门时，由式( 2 1 4 ) 得到的忆、 名是 关闭瞬时峰值，在长期工作中，关闭的阀门中，阀瓣基本不动，其 - 、胁在 下列范围内变化。 四川大学工程硕士学位论文 百瓦蒜k + 只( 1 + 以7 e ) 帆巧乏戋磊啤+ 只】 及 瓦耘睥+ e ( 1 一e o s a l a k a ) 拯k + 只】 只要满足圯c o sa 卅f r ，条件，阀门关闭后紧闭，并将保持所需的密 封面上压力口咖这样一来，实际长期工作中n a 略下降， 0 略上升，因此在结 构设计中，建议逆向流动关闭阀门时按式( 2 1 8 ) 计算，并用式( 2 1 4 ) 作 校核计算用；命= o ，k a = l ，由式( 2 一1 4 ) 得 m = 志( 昂+ e ) = 再1 ：。5 c 。s 口 g + e ) ( 2 - 1 8 ) 一j 同理，顺流启闭时，在结构计算中也可以按式( 2 1 9 ) 取值，式( 2 1 7 ) 在计算开启扭矩或校核用；命岛。= 0 ，蜀= l ，由式( 2 一1 7 ) 得 m = 去耳 = 赢耳 1 ( 2 _ 1 9 ) - j 特别提请注意，由式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 及( 2 一1 8 ) 得到n a 力是阀杆右下斜面作用于阀瓣柱销上( 见图2 2 ) 。而式( 2 1 7 ) 及( 2 一1 9 ) 的n a 力中由阀杆左侧上斜面作用于阀瓣柱销上。 ( 2 ) 锥面作用对f m 的修正。 用球形密封表面密封，其密封状况类似于锥面密封，如果要求在球形密封 面上得到按式( 2 _ 9 ) 算出必须密封比压，在应用式( 2 1 4 ) ( 2 一1 9 ) 中， 密封压力r 应进行适当修正，其计算式如下。 膦n ，b m 钿，( 2 2 0 ) 四川大学工程硕士学位论文 表2 - 3 密封压力f 。的锥面修正系数k ，p 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 0 0 50 7 7o 8 5o 9 l0 9 6o 9 91 0 0 0 1 5o 8 9o 9 50 9 9 1 0 l o 2 51 0 11 0 41 0 61 0 6 0 3 01 0 7 1 0 91 1 0 1 0 9 o 3 51 1 41 1 41 1 31 1 2 式中钿r 一球面向垂直于阀门通道抽线的平面的投影宽度，m m ； 厂按式( 1 9 ) 计算密封面宽6 加所必须密封比压，m p 。； d 厂密封面的平均直径，m m ，蝴6 耽p 为阀门通径； k 。一锥面作用修正系数，k = 4 s i 叩o + a 增妒) ，可查阅表2 3 ； 厶密封材料摩擦系数； 妒球面的外切面与阀门通道轴线的夹角，度。 2 1 5 球体下支承结构尺寸 1 ) d b 及矗 图2 1 中所示阀瓣下支承结构中，如可参照g b t1 2 2 3 4 - - 1 9 8 9 中阀杆最 小直径或其他有关资料直接选取，在结构设计完后，可作强度校核。而 幽d ( 2 - 2 1 ) 式中d 一轨道式阀杆直径，聊行。 2 )s r b 和如 厶= s r s 一 s r , 0 一c o s y ) + c o s 矿】兰s 一r n ( 2 - 2 2 ) 舯= s i n - 1 警 由于式( 2 2 2 ) 的近似计算误差约o 5 左右，可用于设计，为了减小n a 值，要求尽可能减小岛，因此通常要求 s r b ；s r 1 1 ，建议1 3 。= 1 2 中取 值，并且要满足式( 2 3 1 ) 条件。 为了快速选择且，值，由式( 2 3 3 ) ，命且。= 1 时求出d 值，然后用式( 2 3 1 ) 计算和选择b 。值，在结构设计允许情况下，用式( 2 3 3 ) 再准确计算 并最终选择阀杆直径d 。为了计算方便，当1 3l = l 时，n 。值列于表2 4 中。 表2 - 4 闳杆直径d 的结构系数ad ( bl = l ，e = 2 0 5 x l o s m p 。) l b0 7 70 6 7 o 6 o 5 5 o 5 0o 4 5o 4 i na 6 9 7 o5 3 7 04 7 8 14 4 0 34 0 6 73 7 9 4 3 6 0 9 4 ) 儡心扁头 偏心扁头主要用于中，低压逆向启闭阀门中，扁头偏心后，加长扁头接触 柱销的边长，如果命偏心量e o = f l 。b 2 , ( 1 b 。0 ) 。此时接触长度 石= 2 ( 詈) 2 一呜干e ) 2 = d i 一声2 ( 1 一属) 2 弘，式中“+ ”号用于面向顺向流动 边，“_ ”号用于面向逆向流动边。此时厶而为 毛= d 2 1 一芦2 ( 1 千店) 2 艿( 1 - 卢) 届 ( 2 _ 3 4 ) 因此式( 2 9 ) 应作修改 陇禹即 。h ， 式中彤= 2 6 7 6 5 1 一卢z ( 1 千岛) 2 ( 1 一，) a 由式( 2 3 5 ) 可以看出阀杆扁头两边承受接触应力的能力不一样。如果所 设计阀用于顺逆流通用情况，两种情况均要计算，最终按最大值选择阀杆直径 d 。 d j v = l o o m m ，p u = 4 m p a ，球阀，已知顺向流动状况n a = 1 6 0 9 3 n ，按j b f r 6 4 9 7 - - 1 9 9 2 标准取b d = o 7 5 = 芦，并且加粗柱销直径卢尸j 7 5 ，阀杆材料许用接触应 力【o 】j = 2 0 0 0 m p 。，确定d 。 由式( 2 3 3 ) 知 e r a = 2 6 7 6 5 ( 1 一2 ) z ( 1 一声) , 8 , - 6 6 1 。7 5 = 5 。1 四川大学工程硕士学位论文 d 丽5 0 0 1 1 6 0 9 3 = 3 1 7 m m ，实取d = 3 2 m m ，满足顺向流动要求 2 2 3 导向结构及其特性尺寸 1 ) 导向螺旋角y 选择 图2 5 所示螺旋导槽结构，依靠阀杆轴向运动，沿螺旋槽实现转动，其工 作原理与螺旋正向运动一样，图示螺旋槽与阀杆轴线夹角为n 。，与阀杆轴线的 垂线夹角为y ，q 。+ y = 9 0 。，在选择螺旋角y ( 或d 。) 时，按正向运动最佳效 率所需螺旋角而定，按下式计算 嘎= t g i 4 , 9 2 p + 1 一辔p l 一 或，= t 9 1 l 培2 p + 1 + t g p i卜( 2 3 6 ) 式中j d 一摩擦角，度，t g p 专 广一摩擦系数，f = o 0 5 , - , 0 2 5 ， 一j 采用滚子在导槽中运动，取产0 1 。按式( 2 3 6 ) 得d 。或y 角最佳选择值列于 表2 5 中，供设计参考 葚銎f 蝗冀王斟 图2 - 5 两杆凸轮段结构 表2 - 5 螺旋导槽最佳q 。与丫角 f 0 0 5o 10 1 5 o 2o 2 5 p 2 8 6 05 1 7 08 5 3 01 1 3 1 01 4 0 4 0 at 4 3 5 7 04 2 1 4 04 0 7 3 03 9 3 5 03 7 9 8 0 y 4 6 4 3 0 4 7 8 6 04 9 2 7 05 0 6 5 05 2 0 2 0 2 ) 螺旋导槽结构选择 螺旋导槽可以设在阀杆上，如图2 5 所示，也可以设计在另一个另件( 专 用导向套) 上，这样可以减小在螺旋槽中正压力，加大槽的深和宽度，减小接 触应力，但是要增加阀杆部件的结构长度和外径，并增加另件数，如何合理选 四川大学工程硕士学位论文 择其结构型式，要根据阀杆结构，受力状况，材料选用，加工工艺以及对耐用 度承受能力等方面进行全面考虑后确定，现就阀杆受力状况及材料选用作如下 分析 单个螺旋槽承受正压力胁为 以：_ 坠兰忑兰一 ( 2 _ 3 7 ) 。d 。z c o s g k0 7 d 。c o s t , 式中m 一阀杆传递扭矩，n - m m ，见式( 2 2 6 ) ； 口，广_ 螺旋槽平均直径，m m ； z 叫曝旋槽数，通常务2 ； j 卜两螺旋槽受力均匀系数，通常k = o 7 o 8 ，此处取k = 0 7 ； y 一螺旋槽导角，度，见图2 5 。 在螺旋导槽中采用圆柱形滚子来引导导向，如果其滚子半径以= 鼻，巩，1 鼻，0 ，通常b3 = 0 2 5 左右；螺旋槽与滚子接触的宽度厶= 芦4r s = f j p 4 k ， 鼻4 t 0 ，通常b 4 = o 8 2 ，由于滚子与螺旋导槽在工作中是一种类似于圆柱体与 平面接触原理工作和受力，因而可以得到以下关系 见南肘， ( 2 _ 3 8 ) 式中 口。一结构系数，当e - 2 0 5 x 1 0 5 础p 。时；= 3 7 1 3 ( ，2 3 屈c o s t ) 一乃； o 】厂- 书t 料许用接触应力，m p 。 由