球阀的设计与计算

球阀的设计与计算 一、 球阀的设计 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） 确定阀门的主体材料 和 密封圈材料 确定阀门承压件的制造工艺方法 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 ,150 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： 对 使用 温度 300 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 ) 当 使用 温度超过 300 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 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： 整体式阀体 一般用 于 50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 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 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 确定阀门的结构长度和连接尺寸 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： 缩径：一般 d=时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确保流阻不会增大。 确定球体直径 球体半径一般按 R=（ 对小口径 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 22m D D d（ 应满足 D 式中：体最小计算直径（ 2 D：阀座接触面外径 ( d：球径通道 孔 直径（ ：球体实际直径（ 二、球阀的计算 壁厚的确定 见闸阀相应的计算 球体与阀座之间比压的计算 应满足q q q式中： 封面上的必须比压（ 可根据工作压力来计算， 用于中低压通径不大场 合） 由试验得出的经验公式计算： )a c 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=氢、 氮 及密封要求高的介质： m=1.8 a， c：与密封面材料有关的系数，见表所示 密封面材料 a c 钢、硬质合金 聚四氟乙烯、尼龙 、铸铁 中 硬 橡胶 橡胶 ：流体的工作压力 （ ，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 :密封面宽度（ 设计给定 ：密封面 法 向与流道中心线的夹角 q ：球阀密封比压（ 对浮动球阀：（见图示） M W M M N()4 ( )D D D 式中： 阀座密封面外径（ 计给定 阀座密封面内径（ 计给定 P ：介质工作压力（ 对进口 密封的固定球阀（见图示） 进口密封固定球球阀结构 2 2 2J H M N M W( 0 . 6 0 . 4 )8 c o D 式中： 口密封座导向外径 （ 设计给定 R： 球体半径 （ 设计给定 h： 密封 面接触的宽度在水平方向的投影 （ h = 中 体中心至密封面的距离（ 图示 其它密封球阀，略 q：密封面材料的许用比压 查下表 密封面材料的许用比压 q 密封面材料 材料硬度 q 密封面 间无 滑动 密封面 间有 滑动 黄铜 B 80 95 80 20 B 95 110 100 25 青铜 B 110 80 25 B 120 170 100 35 奥氏体 不绣 钢 11B 140 170 150 40 马 氏体 不绣 钢 231B 200 300 250 45 5 40 氮化钢 3538v 800 1000 300 80 堆焊 合金 R 40 45 250 80 80 320 250 80 中硬 橡胶 5 4 20 15 尼龙 40 30 注：钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适用。 球阀的转矩计算 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 中： 体在阀座中的摩擦力矩 2M W M N 1 c o c o P R f （ N 式中 ： f :球体与阀座的摩擦系数 对聚四氟乙烯： f= 对增强 聚四氟乙烯 ： f=尼龙： f=它符号：同前 料与阀杆的摩擦力矩 对聚四氟乙烯成型填料 ： . 6 FM f z h d P（ N 式中： f :阀杆与填料的摩擦系数。 f =h:单圈填料与阀杆的接触 高度 （ 设计给定 Z：填料圈数 设计给定 杆直径 （ 设计给定 P：计算压力（ 设计给定 对橡胶 21 ( 0 . 3 3 0 . 9 2 )2 F o f d p （ N 式中： Z： 个数， 设计给定 胶对阀杆的摩擦系数。 设计给定 杆台肩与止推垫间的摩擦力矩 2M J T F()64M f D d P 式中 :f :摩擦系数 按材料同前面规定选取 肩外径或止推垫 外径 . 选二者中小者 （ 设计给定 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 : F Q Z F T Z C M M M M 式中 :体在 阀座中的摩擦力矩 Q Z Q Z 1 Q Z 2M M M式中 : 阀座对球体的予紧力产生的摩擦力矩 22Q Z 1 M W M N M( ) ( 1 c o s )4M D D q f R （ N 式中 : 最小予紧比压 (取 :M 不应小于 2 它符号的选取见前面规定 由介质工作压力产生的摩擦力矩 2 2 2J H M N M 2( 0 . 5 0 . 5 ) (1 c o s )8 c o sP f R D D （ N 填料与阀杆的摩擦力矩 （ N 见浮动球阀计算 轴承中的摩擦力矩 Z C z q J Z JM f d Q（ N 式中 :承的摩擦系数 对塑料制的滑动轴承 f 选取 对滚动轴承 球体轴颈直径 （ 设计给定 ,对滚动轴承 , 承中径 介质作用球体 轴颈上的总作用力 2 (N) 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 ， 对整体 0) 3M J T F()64M f D d P （ N 阀杆强度计算 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 式中： a：见图示（ 计给定； h：阀杆头部插入球体的深度，（ 一般 取 h=（ 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。 球体材料的许用挤压应力（ 对 奥氏 体不锈钢：当 b 600 122 按下式计算： b：材料的抗拉强度） 2、 阀杆头部强度校核 -断面处的扭转应力： N = N 式中： 球体与阀座密封面间的摩擦转矩（ N 前面 W ： -断面的抗扭转断面系数 见图示 对正方形断面： W= 348b（ 对近似矩形断面： W= 式中： 值根据 b/a 按表选取 b/a 与 的关系表 b/a N:材料的 许 用扭转应力（ 查 资料 1表 3 -断面处的剪切应力 = ) 216 式中： 阀杆头凸肩的直径（ 设计给定 阀杆直径（ 设计给定 H ：阀杆头凸肩高度（ 设计给定 P ：计算压力（ ：材料的许用剪切应力（ 查 资料 1表 3 -断面处扭转应力 N = N 式中： 浮动球阀总转矩（ N 见 7 W ： -断面处的抗扭转断面系数（ W=16N：材料的许用扭转应力（ 查 资料 1表 3 -断面处扭转应力 N = N 式中： 浮动球阀总转矩 （ N ，见 7 W ： -断面处的抗扭断面系数（ 对正方形和矩形断面，按 -断面的原则计算。 N ：材料的许用扭转应力（ 查 资料 1表 3 固定球阀阀杆强度计算 结构为上 阀杆代 见图示 1. -断面处的扭转应力： M N 式中： 体与阀座密封面之间的摩擦转矩（ N W： -断面处的抗扭系数 3 11121 6 2b t d t 式中： n：键的数量 设计给定 b， t：见图示（ 设计给定 N：材料的许用扭转应力（ 查 资料 1表 3. -断面处剪切应力： 按浮动球 -断面公式计算 3. -断面的扭转应力 F F N 式中： 固定球阀的总转矩（ N 阀杆与填料之间的摩擦转矩（ N ： -断面处的抗扭断 面 系数（ 计算方法，同上述 N：材料的许用扭转应力（ 查表同上述 4. -断面处的扭转应力 M N 式中： N同上述 W ： -断面处抗扭断面系数（ 对正方形、矩形，键连接的 对花键连接： 24 d b d D 式中： Z：花键齿数 设计给定 其余符号：见图示 阀杆 连接件（平键或花键）的强度计算 平键的强度计算 1. 平键的比压计算 12 d K L 式中： T: 转矩（ N 对于阀杆手柄或驱动装置 连接部分： T = 于阀杆与球体连接部分： T = n: 键数 设计给定 K、 图所示（ 设计给定 L: 键的工作长度（ 设 计给定 P：许用比压（ 查下表 平键连接的 P与 值 （ 许用值 连 接工作方式 轮毂材料 载 荷 情 况 平稳 轻微冲击 冲击 P 固定连接 钢 125 150 100 120 60 90 铸铁 70 80 50 60 30 45 导向连接 钢 50 40 30 120 90 60 注：对于被连接件表面经过淬火的导向连接， P值可提高 2 3 倍。 2. 平键剪应力计算 12 式中： T,n：与前相同 b: 如图所示（ 设计给定 ：许用剪切应力（ ,按 上表查取 花键连接的强度计算 2 式中： T：转距，同前计算（ N ：载荷分布不均匀系数，一般取 =: 花键齿数 h: 花键齿的工作 高 度（ 对矩形花键： h:= 2 式中： C：倒角宽度（ 设计给定 花键的平均直径 ( 对矩形花键： L :花键的工作长度（ 设计给定 P：许用比压（ 查下表 花键联接的许用比压 （ 联接工作方式 使用和制造情况 P 齿面未经热处理 齿面经热处理 固定联接 不良 35 50 40 70 中等 60 100 100 140 良好 80 120 120 200 不在载荷作用下 移动的滑动联接 不良 15 20 20 35 中等 20 30 30 60 良好 25 40 40 70 在载荷作用下 移动的滑动联接 不良 3 10 中等 5 15 良好 10 20 注： 有双向冲击 、 振动频率高和振幅大 、 润滑不好 （对 滑 动联接） 、 材料硬度不高和精度不高等。 2.P的较小值用于工作时间较长 、 载荷变化较频繁或较重要的场合。 法兰的计算 法兰螺栓载荷的计算 对球阀法兰螺栓计算 ，当采用塑料密封圈时，由于阀门的使用温度 300 。此时，只计算常温下的螺栓载荷。 球阀法兰的受力不 同于闸阀法兰，因为球阀法兰不仅要承受流体静压力产生的轴向力 从而使 ，法兰分开的载荷以及确保法兰间足够的密封压紧力，同时还 要 承受球体与阀座密封圈之间的密封力作用。 1. 正常 使 用条件下螺栓的载荷计算 1L Z D J D F D T M Q Q Q （ N） 式中： 垫片处介质作用力 （ N） D J D P式中：符号按闸阀相应规定 片上的密封力 （ N） D F D P N D B m P式中：符号按闸阀相应规定 中 : :系数 对固定法兰取 = 体与密封圈之间的密封力 （ N） 对浮动球阀和固定球阀分别按下面公式计算： 对浮动球阀： 2 1 M M N M W M N M 2 D P D D t g f 式中： 阀座 密封面 内径（ 设计给定 阀座 密封面 外径（ 设计给定 E ： 阀座材料的弹性模数（ ,对聚 四氟乙烯： E=470尼龙： E=1500 1 ：阀座安装间隙（ M N M 式中： 在弹性范围内的密封圈横截面的许用应力对 4 F： 对尼龙 20阀座的横截面积（ 由阀座的结构特点确定 ：见前面 f ： 摩擦系数，按 对进口密封固定球阀： 2 2 2M F J H M W M 4 0 . 64Q P D D D 2 预紧条件下螺栓的载荷 计算 预紧螺栓承受的载荷 L z N N P M D Y Q(N) 式中： 垫片的有效密封宽度（ 查 资料 1表 3荷作用处垫片 的 平均直径（ 设计给定 垫片或法兰接触面上的预紧比压（ 查 资料 1表 3球体与密封圈之间的预紧 力 (N) 22M y M W M N D q 式中： 小预紧比压 按 3. 法兰螺栓的强度计算 式中： 较大值 栓承受应力下的最小总截面积（ L:螺栓在常温下的许用拉应力（ 查 资料 1表 3 法兰的强度计算 1. 法兰力矩的计算 作用法兰上的总力矩 z N J 1 D J N J 2 D 3M Q D D Q (N 式中： 兰内径面积上的介质静压力 （ N） 2N J P 式中： 法兰内径 （ 设计给定 P: 计算压力 （ 设计给定 垫片处介质作用力（ N） D J D P式中： 垫片的平均直径（ 见图示，设计给定 垫片载荷（ N） D L z D 式中： 法兰螺栓的计算载荷，见 别为 1D J D J N J,Q Q Q和 1 1 N D 4D D 1 D 2. 法兰强度计算 1) 法兰颈的轴向弯曲应力 1 2) 法兰盘的径向弯曲应力 2 1 . 3 3 1h e Mx h D 3. 法兰盘的环向弯曲应力 3 2 W 以上公式各符号定义 和 数值，见闸阀 填料压盖的强度计算 见闸阀 弹性元