无摩擦球阀设计【含全套CAD图纸】【2013年机械毕业设计】 .pdf

西南科技大学 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目名称 无摩擦球阀设计题目名称 无摩擦球阀设计 年年级 级 2004 级级 本科本科 专科专科 学生学号 学生学号 20045666 学生姓名 李红忠学生姓名 李红忠指导教师 张晓勇指导教师 张晓勇 学生单位 制造科学与工程学院学生单位 制造科学与工程学院技术职称 讲师技术职称 讲师 学生专业 机械设计制造及其自动化学生专业 机械设计制造及其自动化 教师单位 后勤管理处教师单位 后勤管理处 西西南南科科技技大大学学教教务务处处制制 西南科技大学本科生毕业设计 论文 i 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 西南科技大学本科生毕业设计 论文 ii design of non friction ball valve abstract the design is to improve the shortcomings of traditional ball valve and the shortcomings of traditional ball valve is friction short life sealing performance bad according to this design s fluid erosion corrosion and pressure then the pressure was adjust sealed orbit non friction ball valve is a new type of valve and realizes non friction switching and metal pressurization of the valve by cam mechanism this paper researches the design of orbit non fraction ball valve s move and the analysis of dynamically the paper puts forward the kinetic analysis method of orbit non fraction ball valve analysising the track and motion space of the conglobulation for switching etc and bring forward rule of its configuration design designing its assembling body and main parts this valve has a series of advantage such as non friction the adjusting of pressure and laborsaving when it switches its pressurization is different from the usual whose pressurization is easy to destroy which overcome the fault of the usual valves so it has a longer life span keywords orbit non friction ball valve cam 西南科技大学本科生毕业设计 论文 iii 目录 第 1 章引言 1 1 1 课题来源 1 1 2 选题目的和意义 1 1 3 球阀的发展趋势 2 1 4 本文研究的主要内容 2 第 2 章 主要结构参数 4 2 1 轨道式无摩擦球阀技术要求 4 2 1 1 技术参数 4 2 1 2 技术要求 4 2 1 3 型号及其含义 4 2 2 主要结构尺寸 4 2 2 1 球体直径 4 2 2 2 密封面宽度及压紧比压 5 2 2 3 密封比压q 6 2 2 4 球阀结构长度及连接法兰尺寸 6 第 3 章运动轨迹设计 7 3 1 球阀启闭运动轨迹 7 3 1 1 滚动启闭 7 3 1 2 球阀摆动 7 3 1 3 凸轮的轮廓 8 3 2 球阀下支承外形 10 3 2 1 滚动柱面与倒角半径 10 3 2 2 倒角中心点位置 11 3 3 3 滚动空间 12 第 4 章 结构设计和计算 13 4 1 阀杆机构受力状况 13 4 1 1 球阀受力状况 13 4 1 2 阀杆支承反力与支承结构型式选择 14 4 1 3 摩擦阻力扭矩 16 4 1 4 阀杆承受的轴向力 18 4 2 操作扭矩和手轮选择 21 4 2 1 操纵扭矩 mc 21 4 2 2 径 d 选择 22 4 3 零件设计与计算 22 4 3 1 具有螺旋导轨槽衬套的主要结构尺寸 22 4 3 2 球阀销轴接触强度 23 4 3 3 球阀下支承的接触强度 24 第 5 章 工作能力校核 31 西南科技大学本科生毕业设计 论文 iv 5 1 工作寿命 31 5 2 实际工作压力的潜力估计 31 5 2 1 阀体壁厚承压能力 31 5 2 2 阀体与阀盖连接螺栓 33 5 2 3 阀盖连接法兰承载能力 35 5 2 4 阀杆头部承载能力 37 5 3 寿命和实际工作潜力估计 38 5 3 1 寿命估计 38 5 3 2 承压能力估计 39 结论 40 致谢 41 参考文献 42 西南科技大学本科生毕业设计 论文 v 西南科技大学本科生毕业设计 论文 vi 西南科技大学本科生毕业设计 论文 vii 西南科技大学本科生毕业设计 论文 1 第 1 章引言 1 1 课题来源 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 15 5 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 1 2 选题目的和意义 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 西南科技大学本科生毕业设计 论文 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 1 3 球阀的发展趋势 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 3050mm 这是美国 escher wyss 公司为田纳西 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 4 8mpa 球阀的最高工作压力已达到 72mpa 其相应温度高达 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 600 1400mm 工作压力通常为 8 0mpa 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 1 4 本文研究的主要内容 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 有 西南科技大学本科生毕业设计 论文 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 cad 软件的应用过程 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 1 所示 3 在认识了运动原理和运动轨迹设计后 利用 cad 软件绘制工程图 西南科技大学本科生毕业设计 论文 4 第 2 章 主要结构参数 2 1 轨道式无摩擦球阀技术要求 2 1 1 技术参数 公称通径dn 125mm 公称压力pn 4 0mpa 适用温度 29 121 c 适用介质石油及制品 天然气 氧气 其他气体 2 1 2 技术要求 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 0 2 0 5mm 脱 离阀座 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 orbit 阀门操纵原理 2 1 3 型号及其含义 125q4iy 40 2 2 主要结构尺寸 2 2 1 球体直径 球体半径r 0 8 0 95 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 kg 2 cm 类型 球阀 西南科技大学本科生毕业设计 论文 5 式中 d 球体通道孔径 根据 gb12237 dn 125 钢制球阀阀体的最小流道直径 当 pn 4 0mpa 时 不缩径 直径 123 因此选择确定 d 125mm r 0 78 0 95 d 98 4 116 8mm 根据 jb1744 当 dn 125 球径 d 2r 16 0 200 即 r 100mm 图图 2 2 1 1 球体通道孔径球体通道孔径 2 2 2 密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 sr 即r 22 78100 70 42mm 密封面在垂直于流体流动方向上投影宽度 b b r 2 d b 70 42 62 5 7 92mm 压紧比压 b q b q b cpa m 式中 p 压力 mpa m 常数 常温液体 m 1 常温汽油 煤油 空气 蒸气 及高于 100 c 液体 m 1 4 氢 氮及其它密封要求高的 m 1 8 a c 与密封面 有关系数 详见表 1 西南科技大学本科生毕业设计 论文 6 表表 1 1 a a c c 系数系数 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 a3 51 83 00 40 3 c10 91 00 60 4 73 3 92 7 45 3 4 1 b qmpa 此值与通用机械研究所推荐值相近 查有关表格mpaqb10 或 7 5mpa 表 面粗糙度4 02 0 ra ra 0 2 刚性密封面 2 2 3 密封比压q p dd dd q 4 式中 d 2r p pn 4 0mpa mpaq 7 160 4 12582 140 4 12542 702 阀座 1cr18ni9ti140 170hb q 150mpa 或 40mpa 因此 qqqb 2 2 4 球阀结构长度及连接法兰尺寸 球阀的结构长度 根据 gb12221 89 dn 125mm mpapnll4400381 长短 选取 l 400mm 连接法兰尺寸 根据 gb9113 5 pn 4 0mpa dn 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 m24 8 个 孔 26 西南科技大学本科生毕业设计 论文 7 第 3 章运动轨迹设计 3 1 球阀启闭运动轨迹 3 1 1 滚动启闭 图 2 1 所示运动轨迹简图 表明球阀绕自身形心 o 顺时针方向转动 0 角 并且沿水平方向以 1 o 点作瞬心 沿滚动支承面作移动 0 h 实现球阀向阀口关 闭 反之 则开启 因此 000 180360 rd h 3 1 式中 d 球阀外径 d 2r mm r 球阀半径 mm 0 球阀自转角度 度 0 h 球阀形心 o 点水平位移 mm 在本项设计中 0 h 0 5mm r 100mm 由式 3 1 知 h 0 度 744 1 180 100 180 mm r 由于 0 h 0 5mm 因此实际转角 0 为 0 0 h 1 744 0 287 3 1 2 球阀摆动 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 b 和 c 以 1 o 为瞬心 沿 x 轴向平移和沿顺时针方向转动 0 角 该两中心沿 x 轴向 位移量 h 为 h s tan 0 r ob 180 3 2 式中 2 2 2 2 looob 在本项设计中 2 oo 87mm 2 l 24mm 因此 mmob25 902487 22 由式 2 2 可得 h 0 1051 s 0 h 1 574 0 3 318 0 3 3 当 0 h 0 5mm 0 0 358 时 h 0 952mm 或 s 9 068mm 西南科技大学本科生毕业设计 论文 8 3 1 3 凸轮的轮廓 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 s 不同值时 a 点 也是a 和 d 点 也是 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 2 y 0 当圆柱半径 r 9 a 点 cos115 1 rx sin 1 ry d 点 cos115 4 rx 3 4 sin 4 ry 在图示状况下 本项目中 l 48mm 2 32 2 32 yyxxl 3 5 当 s 2 y 值时 sstgx1051 0 1515 1 sin 21 ryy 3 6 cos1051 0 15cos 12 rsrxx 西南科技大学本科生毕业设计 论文 9 图图 2 2 1 1 球阀启闭运动轨迹计算简图球阀启闭运动轨迹计算简图 o 球心形心 1 o 滚动瞬心 1 oo r 球阀半径 0 球阀滚动角 斜导轨斜角 滚柱与导轨接触 点 a d 与cd连线的夹角 随导轨位移而变化 s 导轨沿 y 轴方向移 动量 向下为正 s y 0 h 球阀形心水平移 动量 h 导轨在 x 轴向增量 cooboo 1212 r 滚动半径 11 y x a 点坐标 22 y x b 点坐标 33 y x c 点坐标 44 y x d 点坐标 l a 与 d 之间垂距 沿斜面 a 西南科技大学本科生毕业设计 论文 10 sinsin 23 lslyy coscos1051 0 15cos 23 lrslxx sinsinsin 34 rlsryy coscos1051 0 15cos 34 lrsxx 3 7 rlrll2 cos 2cos 3 8 在本项设计中 平面凸轮最高升高hh3 max 4mm 由式 3 3 和 3 8 得 max h 4mm max 4 38 tan6 smm 205 1 319 3 4 max0 mml8316 2918 2052 1 6cos 48 max h 2mms 19 029mm 603 0 0 l 29mm h 1mms 9 514mm 751 0 0 l 29 769mm h 0s 00 0 l 29 737mm 由 l 值可见 平面凸轮下窄上宽 角度变化范围约在 tan max0 max0 29 831629 737 0 002489 38 ll ss 0 14268 556 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 3 2 球阀下支承外形 3 2 1 滚动柱面与倒角半径 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 r 的接点 a 的位置应远离球阀滚动时用于支承的 r 柱面区 西南科技大学本科生毕业设计 论文 11 图图 3 3 2 2球阀下支撑点外形球阀下支撑点外形 当倒角半径为 1 r 轴承内孔直径为 b d 经倒角半径为 1 r 起点 b 与球阀形心连线 与 y 轴夹角近似为 max 11 3 2 sin r rdb 3 9 在本设计中 b d 40mm 1 r 9mm r 100mm 因而 6156 3 3277 6 100 920 sin max 1 3 2 2 倒角中心点位置 点 a 位置应为 aa yx cos1 rya sinrxa 3 10 倒角中心点 b 位置 1 2 r d x b cos 1 ryy a 3 11 在本项设计中 mmya5995 0 277 6 cos1 100 西南科技大学本科生毕业设计 论文 12 mmxa9335 10277 6 sin100 mmx119 2 40 mmy5455 9 227 6 cos95995 0 3 3 3 滚动空间 要求以 o 点为瞬心 oc 为半径能作无滑动的滚动 此时 oc 点长度 和 oc 与 x 轴夹角 关系为 22 2 b dy 1 tan 2 b y d 3 12 当球阀转动 0 角后 c 点在 x 轴上投影 c l 为 c l cos 3 13 根据 c l 大小来确定尺寸 b d 配合间隙 在本项设计中 mm161 22205455 9 22 19 5455 tan25 514 20 c l 22 161 cos 25 514 1 205 20 192 mm 在滚动中要求右边增大半径 0 192mm 而左边滚动中出现空隙 此时 c l cos 22 161 cos 25 514 1 205 19 794 mm 空隙为 0 206mm 考虑左 右状况 理 论 上 还有 空 隙 0 014mm 因 此选 择优 先 配合 142 0 080 0 940 d 支承 轴承 孔 0 062 0 940 h 西南科技大学本科生毕业设计 论文 13 第 4 章 结构设计和计算 4 1 阀杆机构受力状况 4 1 1 球阀受力状况 球阀受力状况可以简化为图 4 1 所示状态 图中 pdfd 2 4 4 1 式中 d pn 125mm p pn 4mpa nfd 5 490624125 4 2 l a fr da l b fr db 4 2 式中 a b 与 l 见图 4 1 中尺寸 图图 4 4 1 1球阀受力状况简图球阀受力状况简图 因此 nra24947 177 90 5 49062 nrb 5 24115 177 87 5 49062 球阀密封压力 b q所需压紧力 s r 轴向总推力 s f 参考式 4 2 可得 西南科技大学本科生毕业设计 论文 14 4 22 ddfs 4 3 l a fr ssa l b fr ssb 4 4 本设计中 mpaqb73 3 mmd84 140 d 125mm nfs1232973 3 12584 140 4 22 nrsa6269 177 90 12329 nrsb6060 177 87 12329 合力 ao r和 bo r 当流体正向流动时 由于 b qq 因此 ao r a r bo r b r 4 5 当流体反向流动时 密封时 要保持密封面 b q值 因此球阀上受倒阀杆作用力引起 支反合力 ao r a r sa r bo r b r sb r 4 6 在本设计中 ao r 24947 6269 31216n bo r 24115 5 6060 30175 5n 在后面分析中应用 a r 与 b r 在强度计算时将考虑 sa r和 sb r 4 1 2 阀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 23 aor l crfl 而 r f 1 224 ll qq 因而 2 6 2 ao l qcr l 0f ma fr 西南科技大学本科生毕业设计 论文 15 图图 4 4 2 2 前支承导向受力图前支承导向受力图 因此 1 1 6 4 m ao fc qqr lll 2 1 6 2 m ao fc qqr lll 1 q 区间 lc lcl l l c l c l c l 36 46 2 2 6 4 6 4 6 1 2 q区间 lc lcl l l c l c l 36 26 2 3 6 2 2 6 2 4 7 西南科技大学本科生毕业设计 论文 16 aor r lc lc l lqf 36 46 4 1 2 1 2 111 aor r lc lc l lqf 36 26 4 1 2 1 2 222 4 8 因此 nfr5657331216 1173406 1174406 1174 1 2 1 nfr 4 54687 5 30175 1173406 1174406 1174 1 2 2 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 图图 4 4 3 3 前后支承导向受力图前后支承导向受力图 2aor rdfe 21raor frf 4 9 因此 当 2r f 98 3121617480 96 175 n 1r f 31216 17480 9648696 96 n 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 a r 时 1 38917 3 r f 2 13970 3 r f 4 1 3 摩擦阻力扭矩 阀杆支承摩擦阻力扭矩 rf m 西南科技大学本科生毕业设计 论文 17 rf m 00 12 cos cos 22 rfrr dd ffff 4 10 式中 rf f 12rr ff 导轨槽螺旋角 53 5 f 摩擦系数 f 0 15 0 25 润滑不良 取 f 0 2 0 d 阀杆直径 0 d 40mm 因此 rf m 38917 3 13970 3 0 2 595 0 2 40 125872 5 nmm 密封摩阻扭矩 m m m m cos 2 2 1cos 2 0 0 0 d zhpfd d f mm 4 11 式中 m f m zhpfd02 1 z 山形密封件数 h 密封件长度 在具体结构中 zh 2 6 10 3 4 46mm 第一层件数中间层件数 m f 摩擦系数 对于尼龙 m f 0 15 mpapnp0 4 因此 m m 1 2 40 46 4 0 15 2 40 0 595 49502 5nmm 球阀下支承点摩阻扭矩 bf m bf m 2 b bb d fr 4 12 式中 b d 下支承点轴径 b d 40mm b f 摩阻系数 b f 0 15 因此 5 72346 2 40 15 0 5 24115 bf mnmm 导轨槽产生扭矩 s m 与摩阻扭矩 f m s m f m bfmrf mmm 4 13 西南科技大学本科生毕业设计 论文 18 因此 s m f m 125872 5 49502 5 72346 5 247721 5nmm 4 1 4 阀杆承受的轴向力 导轨槽承受轴向力 s f 反作用阀杆上 在螺旋槽部分 s f 2 rm f tgd m 4 14a 式中 2 1 nwm ddd 导槽平均直径 w d 导槽外径 w d 70mm n d 导槽 内径 n d 41mm m dmm 5 55 4170 2 1 导槽螺旋升角 53 5 左旋 r 导槽与导轮摩擦角 当1 0 t f r 5 71 在式 3 14 中 当开 启时取 关闭时取 在直槽部分 1 ao s m tfm f f r f r 4 14b 式中 ao f 除导槽以外的轴向合力 详见式 4 19 m r m d 2 fm r 阀杆梯形螺纹摩擦半径 fm r 2 ll fp tg d 关闭用 开启时用 当选用 tr38 6l 7h 梯形螺纹 螺纹螺旋角 l 3 34 当螺纹摩擦 系数25 0 l f时 l 14 2 梯形螺纹平均直径mmdfp 5 34 由式 4 14b 可得在本设计中 开启时 fm r 2 68 mm s f 0 0190 aok f 关闭时 fm r 4 60 mm s f 0 0330 aog f 由式 4 14 计算结果列于表 4 1 中 西南科技大学本科生毕业设计 论文 19 表表 4 4 1 1导轨槽承受轴向力导轨槽承受轴向力 工作状况 f m t m d ao f 导向中轴向力 区域 s f s f 开启斜槽247721 553 5 5 7 55 58094 8 直槽055 513434 9255 3 关闭斜槽247721 553 5 5 7 55 55313 6 直槽055 527127 8895 2 图图 4 4 4 4 导轨槽承受力图导轨槽承受力图 液压推力 p f p fpd 2 0 4 4 15 式中 p pn 4 0mpa 因此 p fn5024440 4 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ffff rrrf 21 开启时ffff rrrf 2 1 4 16 螺旋移动中 sin 2 1 ffff rrrf 式 4 16 计算结果列于表 4 2 中 西南科技大学本科生毕业设计 论文 20 表表 4 4 2 2阀杆前后支承轴向摩擦阻力 阀杆前后支承轴向摩擦阻力 n n 工作状 况 前支承后支承摩 擦 系 数 f 螺旋 角 摩擦阻力 1r f 1r f 2r f 1r f rf f rf f rf f 直 线 移 动 关 闭 48696 9617480 960 2013235 6 开 启 38917 3313970 30 2010577 50 螺旋运 动 38917 313970 30 253 58462 阀杆密封摩擦力 m f 由式 4 11 知 直线运动时 m f m zhpfd02 1 螺旋运动时 m f sin2 1 0m zhpfd 4 17 因此 m f 1 2 40 46 4 0 15 4159 9n m f m f 5 3344804 0 9 4159sin n e 阀杆头部斜面与球阀柱销间摩擦阻力 hhh fnf 关闭 h n cos ao r 其他状况 cos ha nr 4 18 式中 斜面倾角 6 h f 摩擦系数 h f 0 15 因此再阀门关闭时 h f 31216 0 154708 3 cos6 n 其他状况 24974 0 153721 5 cos6 h fn 阀杆轴向合力 ao f 西南科技大学本科生毕业设计 论文 21 开启 phmrfsao ffffff 1 旋开 phmrfsao ffffff 2 旋关 phmrfsao ffffff 3 4 19 关闭 phmrfsao ffffff 4 式中 开启 aok f ffff hmrf 关闭 aog f phmrf ffff 由式 4 19 计算并考虑 4 14 结果列于 表表 4 4 3 3 工作状况 导轨槽阀杆前后支承阀杆密封杆头斜面液压力轴向合力 s f s f rf f rf f rf f m f m f h f h f p f ao f ao f 开启255 310577 54159 93721 5 502413434 913690 2 旋开8094 884623344 53721 5 502418598 8 旋关5313 684623344 53721 5502425865 6 关闭895 213235 64159 94708 3502427127 828023 4 2 操作扭矩和手轮选择 4 2 1 操纵扭矩 mc 根据结构设计 阀杆上选用 gtr38 6l 7h 左旋梯形螺纹 根据表 4 3 已知轴向 ao f 可得 开启 aaillfp ao ck fdtgd f m 2 1 关闭 aaillfp ao cg fdtgd f m 2 4 4 20 式中 ai d 止推轴承内径 ai d 70mm a f 止推轴承摩擦系数 a f 0 003 西南科技大学本科生毕业设计 论文 22 由于 2 ll fp fm tg d r 当选用 gtr38 6l 7h 梯形螺纹 mmtgrfmg60 4 2114 343 2 5 34 mmtgrfmk68 2 343 2114 2 5 34 因而 65 13690 22 680 00338024 538 02 2 ck mn mmn m 65 280234 60 003131638 04131 64 2 cg mn mmn m 推荐球阀最大操纵力矩 当 dn 125mm pn 4 0mpa 时 mc 750mn 而计算值 cgc mm max 131 64n m 4 2 2 径 d 选择 d 2mc fc 4 21 式中 fc 圆周力 通常 fc 700n 一般推荐 mc 50 75mn fc 200 300n mc 105 140mn d 350mm fc 300 400n 建议选取 d 300mm 当 d 300mmfc n485 300 727082 当 d 350mmfc n416 350 727082 4 3 零件设计与计算 4 3 1 具有螺旋导轨槽衬套的主要结构尺寸 角选择 根据摆动从动件许用压力角 45 35 考虑到滑动摩擦系数15 0 f 其摩 擦角 85 0 由于 的方向与 角坐标方向差 90 因而 90 55 45 考虑到摩擦角 影响 选择 53 5 作用于导轨槽的正压力 ns ns ns 2 0 192 rli 4 22 式中 i l 接触长度 i l mmdd if 5 14 4170 2 1 2 1 0 r 滚子半径 0 r 11mm 西南科技大学本科生毕业设计 论文 23 当实际 i l 10mm 滚子宽 用 gcr15 轴承钢渗氮淬火许用应力 2300mpa 时 ns n15785 192 2300 1110 2 s m f s n kzd m n cos 2 4 23 式中 z 导轨槽数 本结构 z 2 m d 螺旋导轨槽的平均直径 mm 本结构 m d 55 5mm k 受力不均匀系数 k 0 7 0 8 取 k 0 7 因此 ss nnn 7 12369 7 0 5 53cos2 5 55 3 1233922 如果选用 40cr 淬火 hrc 60 hb 653 2 8hb mpa 1828mpa 由式 4 22 得 ns n9971 192 1828 1110 2 因此 选用 40cr 制造 螺旋导轨槽高度 或长度 h 21 hhh 式中 1 h 螺旋导轨槽螺旋部分高 1 hmmtgtg dm 9 58 5 53 4 5 55 4 2 h 直线长度 即阀杆头斜面长 mmh38 2 详见后面 直线段预留长度 mm8 5 因此 58 9385 8102 7hmm 4 3 2 球阀销轴接触强度 由式 4 18 知 cos a hh r nn 4 25 mpa1828 选用 40cr 当斜面宽24 0 l 销轴半径 r 9 时 由式 4 22 得 2 1828 24 919579 6 192 h nn 而 31216 31044 3 cos6 hh nnn 由式 4 22 推得最大接触应力 此时为 西南科技大学本科生毕业设计 论文 24 max 31044 3 1922301 79 24 9 mpa 高于 7 而用 gcr15 时 2300mpa 略高于 0 07 故用 gcr15 4 3 3 球阀下支承的接触强度 下支承的衬套 1cr18ni9ti 球阀 即球体 材料 wcb 其最大接触应力 max 5 为 按第 11 接触类型 3 2 4321 2 3max 1111 254 0 rrrr ern bo 4 26 式中 1 r 球形半径曲率 1 r 9mm 2 r 球形的外半径 2 r 19 938 142 0 080 0 40 3 r 衬套轴向曲率半径 3 r 直线即圆柱形 4 r 衬套内半径 4 r 20 031 0 062 0 40 式中 3 n 由椭圆方程系数 a b 值查表来确定 1 42 24 31 42 11 2 1 11 2 1 r rr rr rr rr b a 4 27 由式 4 27 得 00209 0 9 938 19031 20 938 19031 20 b a 由 5 表 4 4 1 得 3 n 0 4267 当 e 2 1 25 10mmn 7 15410 b r代入式 4 26 得 3 2 25 max 031 20 1 938 19 1 9 1 101 2 5 281874267 0 245 0 mpammn2602 10602 2 23 由于已结构设计出衬套和球体 材料也选定 其加工后硬度估计 200hb 500m 计算出 max 远大于 值 由于处于最大 max 值频较低 小于 10 次 分钟 工 作过程中滚动范围窄 因此滑动磨损和损坏很慢 建议按原方案施用 如果试用中出 西南科技大学本科生毕业设计 论文 25 现过大磨损或压痕 可以采用以下方案来进一步改善 1 衬套 1cr18ni19ti 进行淬火 提高表面硬度达 55hrc 对用材料 wcb 制造 球体下支承表面进行表层镀硬铬 硬度达 60hrc 以上 提高接触许用应 力 2500mpa 2 更改衬套和球体下支承处的材料和结构 使 max 4 3 4 阀杆主要结构尺寸及其强度和刚度计算 主要结构尺寸选择 1 阀杆直径 0 d 根据 gb12234 当 dn 125 pn 4 0mpa 阀杆最小直径 mmd26 min 考虑到阀杆主结构部分形状复杂 增大断面积为 2 min 4 5 1d 故选用 0 d 40mm 2 梯形螺纹 参考手轮尺寸及阀杆螺母设计 选取 tr38 6lh 7h 3 杆头结构尺寸 根据 jb1743 当 dn 125mm 阀杆头直径 0 d 40mm 扁头 厚度 b 30mm 按 jb1744 阀杆销孔强度校核 图 4 4 2 2 4 t sao t w m a f 4 28 式中 22 0 2 0 536184040 44 mmddda t t d 销径 t d 14mm t w 抗扭断面系数 0 2 0 2 2 0 2 00 1 3 0 632 1 21 cos 16 1 d d d d d d d d d d dw ttttt t 406 18 4040 18 1 40 18 21 40 18 40 18 cos 16 1 40 2 2 2 2 13 3 6 5593 mm 许用应力 2 40275 crn mm crmoala38 260n 2 mm 因此 2 22 196 6 5593 8 308880 4 536 87127 mmn t 阀杆头部斜面结构尺寸 西南科技大学本科生毕业设计 论文 26 头部总长mmhhh10 21 4 29 式中 1 h 螺旋槽部分高 详见前面 1 h 58 9mm 2 h 斜面高度 长度 tg t h 2 t 斜面高度 t 3mm 6 小于 等于斜面自琐最大角 4 6 mm tg h38 6 4 2 因而 58 938 10106 9hmm 头部厚度 b 30mm 阀杆头部弯扭组合强度 旋转开启或旋转关闭阶段 由图 4 2 知弯曲拉应力 l h l w cn 4 30 式中 l w 抗弯断面系数 l w 6 2 b b 近似简化 b 斜面宽度 mmb20min l w 3 2 3750 6 3025 mm c 40mm 见图 4 2 因此 2 300 3750 4028125 mmn l 选用 38crmoala 360 2 mmn n a s n w m 4 31 式中 a w 抗弯断面系数 a w 2 9 0bba a b 0 d 33 130 40 bba 查表 0 22 n 2 2 247721 5 34 75 0 9 0 22 40 30 n n mm 选用 38crmoala n 170 2 mmn 西南科技大学本科生毕业设计 论文 27 由第三强度理论得 22 4 nl 4 32 由式 3 30 和 3 31 得 22 3004 43307 96mpa 阀杆头部刚度和抗弯强度计算 在关闭状况下 1 截面模数于惯性矩 由于阀杆头部截面形状如图 4 5 它是在圆截面基础上 切去上 下两个扇形 面 沿杆长这两个扇形面形状并不对称 该截面模数 图图 4 4 5 5阀杆头部截面形状阀杆头部截面形状 ejw x 4 33 式中 d yre 2 0 dr 见图 4 5 而 2sin 180 2 sin 3 4 3 ryd 4 34 惯性矩 21xxx jjj 4 35 式中 1x j 整圆惯性矩 1x j 464 44 rd 4 36 2x j 虚线弧段区惯性矩 1x j 弧段对自身重心惯性矩 西南科技大学本科生毕业设计 论文 28 1x j 2 2dx ayj 2cos2sin 180 2 8 4 2 r jx 4 37 式中 a 虚线弧段区面积 2sin 180 2 2 2 r a 4 38 根据结构图阀杆头部截面得截面模数与惯性矩主要选取斜面始 终两点计算 并辅以将阀杆头部截面作不变矩形计算 并进行比较 根据式 4 32 和 4 38 当 h 30 r 20 可得 扁头对称于杆中心位置时 斜面终止点 4 412 cos 1 rh 4 4 1 125600 4 20 mmjx 4 4 2 202 52802125 0 992 0 445 1 8 16 mmjx 4 21 596 199952mmjjj xxx mmhe152 3 04 1333 mmejw x 扁头始端位置 只缺一边扇形 即斜面起始点 rhr 2 sin 3020 3040 sin 1 1203090 由式 4 37 直接计算 2xx jj 得 2 2 15245240sin 180 120 2 2 20 mma mmyd428 3 240sin 180 120 2 120sin 20 3 4 3 2 4 428 315245240cos240sin 180 1202 8 20 x j 西南科技大学本科生毕业设计 论文 29 4 4 14 3648086 52259433 0 188 4 8 20 mm mmyre d 852 16428 3 20 3 74 2164852 16 14 36480mmw 如果按矩形近似计算 mmrb45 26 4 41sin202sin2 4 33 5 59512 12 3045 26 12 mm bh jx 3 22 5 3967 6 3045 26 6 mm bh w 表表 4 4 4 4 阀杆头部截面力学性能阀杆头部截面力学性能 由表 4 4 知 可以用矩形近似计算 在本节中用截面 的 x j 和 w 进行计算更接 近实际状况 2 抗弯强度 阀杆头部受力可近似为悬臂受集中负荷 h n 如图 4 6 所示 h n 由式 4 18 确定 而计算受力矩离l应选择在阀门完全关闭状态下 h n 力作用点 距斜面起始点约 为l 20mm 即大于或等于 2 3 斜面长度位置 由式 4 30 命 c l 得 w lnh max 4 39 式中 材料许用应力 阀杆材料 38crmoala 260mpa mpa 9 326 74 2164 206cos 35193 max 3 阀杆头部刚度计算 按图 3 5 所示受力状态 在阀杆头的挠度 max y和变形角度 max 截面 4 mmjx 3 mmw 截面 对称于杆轴线 19995 5961333 04 截面 斜面起始点 36480 142164 74 近似矩形59512