球阀设计毕业论文

第一章绪论1.1球阀简介球阀问世于20世纪50年代，伴随科学技术的飞速发展，生产工艺及产品构造的的不停改良，在短短的40年时间里，已迅速发展成为一种重要的阀类。在西方国家工业发达的国家，球阀的使用正在逐年不停的上升，在我国，球阀被广泛的应用在石油炼制、长输管线、化工、造纸、制药、水利、电力、市政、钢铁等行业，在国民经济中占有举足轻重的地位。球阀重要用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流体的调整与控制，其中硬密封V型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，尤其合用于含纤维、微小固体颗料等介质。而多通球阀在管道上不仅可灵活控制介质的合流、分流、及流向的切换，同步也可关闭任一通道而使此外两个通道相连。1.2球阀的工作原理球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。球阀在管路中重要用来做切断、分派和变化介质的流动方向，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。球阀最合适做开关、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，如V型球阀。球阀的重要特点是自身构造紧凑，密封可靠，构造简朴，维修以便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，合用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，并且还合用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的。1.3球阀的特点1．流体阻力小，全通径的球阀基本没有流阻。2．构造简朴、体积小、重量轻。3．紧密可靠。它有两个密封面，并且目前球阀的密封面材料广泛使用多种塑料，密封性好，能实现完全密封。在真空系统中也已广泛使用。4．操作以便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转90°，便于远距离的控制。5．维修以便，球阀构造简朴，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较以便。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．合用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。8．由于球阀在启闭过程中有擦拭性，因此可用于带悬浮固体颗粒的介质中。1.4球阀的分类球阀分有：浮动球球阀、固定球球阀、轨道球阀、V型球阀、三通球阀、不锈钢球阀、锻钢球阀、卸灰球阀、抗硫球阀、三通球阀、气动球阀、电动球阀、卡套球阀、焊接球阀。按壳体/主体材料分类，球阀可分为：1.金属材料阀门：如碳钢阀门、合金钢阀门、不锈钢阀门、铸铁阀门、钛合金阀门、蒙乃尔阀门、铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门等。2.金属阀体衬里阀门：如衬胶阀门、衬氟阀门、衬铅阀门、衬塑阀门、衬搪瓷阀门。3.非金属材料阀门：如陶瓷阀门、玻璃阀门、塑料阀门。国内生产球阀的厂家比较多，连接尺寸也大多不统一。重要分如下几种大类：〔1〕以JB／T2203－1999《球阀构造长度》为主的通用类。目前国内大多数球阀生产厂家均按本原则设计生产。如上海良众阀门、浙江罗浮锅炉附件厂、杭州阀门厂、、上海阀门厂、开封高压阀门厂、海安阀门厂等。但本原则也不尽完美，规格不全，浮动式球阀最大公称通径为DN1200，固定式球阀最大公称通径DN。根据厂所生产的阀门规格及掌握的资料来看，目前浮动式球阀公称通径最小为DN6，固定式球阀公称通径最小为DN50。经考证，各厂家连接尺寸也不尽统一，如DN150固定式球阀，上海良众阀门厂、上海阀门厂及上海雅泽阀门厂各不相似。为了有一种统一的原则，顾客在选用及安装时同一规格可以互换，提议国家通用机械研究所对JB／T2203－1999《球阀构造长度》进行修订。提议设计院及顾客按原则选用，球阀生产厂家按原则设计制造。1.4.1球阀的球体是浮动的，在介质压力作用下，球体能产生一定的位移并紧压在出口端的密封面上，保证出口端密封。浮动球球阀的构造简朴，密封性好，但球体承受工作介质的载荷所有传给了出口密封圈，因此要考虑密封圈材料能否经受得住球体介质的工作载荷，在受到较高压力冲击时，球体也许会发生偏移。这种构造，一般用于中低压球阀。1.4.2球阀的球体是固定的，受压后不产生移动。固定球球阀都带有浮动阀座，受介质压力后，阀座产生移动，使密封圈紧压在球体上，以保证密封。一般在与球体的上、下轴上装有轴承，操作扭距小，合用于高压和大口径的阀门。为了减少球阀的操作扭矩和增长密封的可靠程度，近年来又出现了油封球阀，既在密封面间压注特制的润滑油，以形成一层油膜，即增强了密封性，又减少了操作扭矩，更合用高压大口径的球阀。1.4.3球阀的球体是弹性的。球体和阀座密封圈都采用金属材料制造，密封比压很大，依托介质自身的压力已达不到密封的规定，必须施加外力。这种阀门合用于高温高压介质。弹性球体是在球体内壁的下端开一条弹性槽，而获得弹性。当关闭通道时，用阀杆的楔形头使球体涨开与阀座压紧抵达密封。在转动球体之前先松开楔形头，球体随之恢复原原形，使球体与阀座之间出现很小的间隙，可以减少密封面的摩擦和操作扭矩。1.4.4这种球阀属于固定球阀，也是单阀座密封球阀，调整性能是球阀中最对的的，流量特性是等比例的，可调比达100:1。它的V型切口与金属阀座之间具有剪切作用，尤其适合含纤维、微小固体颗粒、料浆等介质。1.4.5三通球阀有T型L型。T型能使三条正交的管道互相联通和切断第三条通道，和起分流、合流作用。L型只能连接互相正交的两条管道，不能同步保持第三条管道的互相连通，只起分派作用。产品特点：1、三通球阀在构造上采用一体化构造，4面阀座的密封型式，法兰连接少，可靠性高，设计实现了轻量化2、三通球芯分T型和L型，使用寿命长，流通能力大，阻力小3、球阀按作用式分单作用和双作用两种型式，单作用式的特点是一旦动力源发生故障时，球阀将处在控制系统规定的状态。1.5本课题设计重要的内容及任务设计一手动球阀。设计参数如下：型号Q41F-401.工作压力PN＝4.0Mpa；2.公称直径DN=65mm；3.工作温度≤350℃。重要的设计及计算任务如下：确定阀体的构造形式、连接形式和构造长度。计算阀体壁厚。确定阀体材料。设计球阀阀体法兰。计算法兰螺栓载荷计算法兰应力校核法兰许用应力设计法兰密封构造5.计算球阀阀杆强度设计〔论文〕规定：〔1〕完毕手动球阀有关零件的设计计算；〔2〕用三维绘图软件画出球阀的重要零件的零件图和装配图。第二章阀体重要零件的计算2.1球阀阀体壁厚的计算2.1.1阀体的构造形式、连接形式和构造长度1.阀体的构造形式：整体式阀体。整体式阀体合用于球阀内件从顶部装入的构造形式。2.阀体与管道的连接形式：法兰连接形式3.构造长度：查《球阀设计与选用》表6-3，构造长度L=2902.1.2阀体材料的选用、力学性能和许用应力1.阀体材料的选用:参照《球阀设计与选用》表6-9，选用材料球墨铸铁QT400-152.阀体材料的化学成分与力学性能：参照《球阀设计与选用》表6-10~6-19。QT400-15最小抗拉强度=400Mpa，最小屈服强度=250Mpa。3.阀体材料的许用应力：查《球阀设计与选用》表6-20~表6-23。QT400-15许用拉应力[]=54Mpa,许用弯曲应力[]=78Mpa，许用剪应力[]=27Mpa。2.1.3阀体壁厚的计算1.厚壁计算高压金属球阀阀体的强度计算一般采用薄壁容器的计算公式：=+C(mm)〔2—1〕=(—1)(mm)整顿上式：=〔—1〕+C〔2—2〕其中：=式中——考虑附加裕量的壁厚〔mm〕;——按强度计算的壁厚〔mm〕;P——设计压力〔常温下的最大工作容许压力〕(Mpa)；P=4MPaD——阀体内腔的最大直径〔见《球阀设计与选用》图6-1~图6-4〕〔mm〕；D=(1.5~1.8),=65mm,D取100mm。——材料的许用拉应力〔MPa〕,取与两者中的较小值。==94.11，==108.69，取94.11Mpa。和——常温下材料的抗拉强度〔MPa〕和屈服强度〔MPa〕，查《球阀设计与选用》表6-11~表6-19；=400Mpa，=250MPa和——分别以抗拉强度为指标安全系数和以屈服强度为指标的安全系数。=4.25，=2.3C——考虑铸、铸造偏差、工艺性和流体的腐蚀等原因的附加裕量。C值查《球阀设计与选用》表6-5。C取5mm==1.07=〔1.07—1〕+5=8.5==1.26>1.2按厚壁计算合理。2.阀体最小壁厚查《球阀设计与选用》表6-6~表6-8最小壁厚=9.5mm。2.2球阀阀体法兰的设计2.2.1法兰螺栓的计算(1)操作状况=F++Q〔2—3〕=0.785P+2bmP+Q式中——在操作状况下所需的最小螺栓载荷〔N〕;F——总的流体静压轴向力〔N〕，F=0.785P;——连接接触面上总的压紧载荷〔N〕，=2bMp;——载荷作用位置处垫片的直径〔mm〕，=91.5mmb——垫片有效密封宽度或法兰接触面压紧宽度〔mm〕，b值查《球阀设计与选用》表6-24；b=2.53=6.5,>6.4mm时，b=2.53=6.5——垫片密封面基本宽度〔mm〕，值查《球阀设计与选用》表6-24。==6.6P——设计压力〔Mpa〕；m——垫片系数，查《球阀设计与选用》表6-25，选择“内有棉纤的橡胶”，则m=1.25，Y=2.8MpaQ——球体与阀座密封圈之间的密封力〔N〕。查《球阀设计与选用》第四章，Q=P(0.6)式中：——阀座密封圈外径〔mm〕。=+2b；b值查《球阀设计与选用》图4-5，b=4。=65+2×4=73。——阀座密封圈内径〔mm〕。=——支座外径〔mm〕。根据球阀设计与选用》〔4-33〕，=Q=P〔0.6〕=4159.8N〔2〕预紧螺栓状况在预紧螺栓时螺栓承受的载荷为;=+〔2—4〕式中——在预紧螺栓时所需的最小螺栓载荷〔N〕；Y——垫片或法兰接触面上的单位压紧载荷〔Mpa〕；查《球阀设计与选用》表6-25，Y=2.8Mpa——球体与密封圈之间的预紧力〔N〕=()(N)式中——预紧所必需的最小比压，=0.1〔Mpa〕，并应保证2〔Mpa〕，取2Mpa。=()=×2〔73—65〕=1733N=+=6.5×91.5×2.8+1733=6962N(3).法兰螺栓拉应力计算=〔2—5〕式中——法兰螺栓的拉应力〔Mpa〕；W——与两者中的大者〔N〕，W==49123.75NA——螺栓承受应力下实际最小截面积〔mm〕A=8×r=803.84mm[]——螺栓材料在常温下的许用拉应力〔Mpa〕，查《球阀设计与选用》表6-26，选择材料,[]=108Mpa。===61.1[]螺栓间距与螺栓直径之比L=〔2—6〕式中L——螺栓间距与螺栓直径之比；查《机械设计手册》法兰螺栓：——螺栓孔中心圆直径；=145Z——螺栓数量；Z=8——螺栓公称直径；M16L===3.55为保证密封和安装工艺，L应满足如下条件；当P2.5Mpa时，。2.7<L<5;当P4.0Mpa时，2.7<L<4。2.7<3.55<4,满足规定。2.2.2法兰的力矩计算作用于法兰的总力矩(N·mm)=++〔2—7〕式中——作用在法兰内直径面上的流体静压轴向力〔N〕,=0.785P,==65mm,=13266.5N——总的流体静压轴向力与作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力之差〔N〕；=F—=0.785P(—)=13022.365N——用于窄面法兰的垫片载荷〔N〕；=W—F=22834.89N——从螺栓孔中心圆至力作用位置处的径向距离〔mm〕，=S+0.5=30.25mmS——从螺栓孔中心圆至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离〔mm〕；S=—=20.5mm——法兰颈部大端有效厚度；==19.5mm，查《机械设计手册》法兰螺栓：法兰颈N=104mm——从螺栓孔中心至力作用位置处的径向距离〔mm〕；==33.37mm——从螺栓孔中心至力作用位置处的径向距离〔mm〕；==26.75mm；——法兰内直径〔mm〕；=2.2〔1〕法兰颈的轴向应力〔Mpa〕=〔2—8〕式中——作用于法兰的总力矩〔N·mm〕；f——整体法兰颈部应力校正系数〔即法兰颈部小端应力对法兰颈部大端应力的比值〕；查《球阀设计与选用》图6-6，f=1系数按如下计算：==1.35〔2—9〕式中——法兰的有效厚度；查《机械设计手册》，=20e、T、A——系数。系数e按如下计算：e===0.025〔2—10〕式中——整体法兰形状系数；查《球阀设计与选用》图6-7=0.9——法兰颈部小端有效厚度；==19.5mm系数T根据法兰内外直径的比值K=；查《球阀设计与选用》表6-27K===2.84T=1.25Z=1.28Y=1.97U=2.17系数A按下式计算：A=〔2—11〕式中U——系数；查《球阀设计与选用》表6-27,U=2.17V——整体法兰形状系数；查《球阀设计与选用》图6-9，V=0.55A===53409.22〔2〕法兰盘的径向应力(Mpa)==67.1Mpa〔2—12〕(3)法兰盘的切向应力(Mpa)=—Z=21.72〔2—13〕式中Y、Z——系数；查《球阀设计与选用》表6-273.法兰的许用应力上述三个应力应满足[][][]式中[]——法兰颈许用轴向应力〔MPa〕；[]=1.5[]。[]见《球阀设计与选用》表6-20~6-23；[]=81MPa[]——法兰盘许用径向应力〔MPa〕；[]=1.25[]=67.5MPa[]——法兰盘许用切向应力〔MPa〕；[]=1.25[]=67.5MPa=41.2Mpa[]=67.1Mpa[]=21.72Mpa[]2.3法兰密封构造的设计2.3.1法兰密封构造的设计垫片宽度b的计算垫片上最大比压〔MPa〕为=[](2—14)式中——平均直径〔mm〕，==69mm[]——许用压缩比压；与径向间距不超过0.2mm时，[]=40MPa。因b=，代入上式并整顿得b=4；b取4mm2.3.2材料选用(1).法兰材料的选用选用球墨铸铁QT400-15(2).紧固件材料的选用见《球阀设计与选用》表6-34；螺栓：40号钢；螺母：35号钢2.4固定球阀阀杆强度计算1阀杆的转矩分布如下图：图2-1阀杆图2-2转矩图Ⅰ—Ⅰ断面处扭转应力(MPa)的计算：=[]〔2—15〕式中——球体与密封面之间摩擦转矩〔N·mm〕==12421.83——密封面对中心的斜角；COS=；=；=；——阀座内径〔mm〕；——阀座外径〔mm〕；R——球体半径〔mm〕；R==50mm——球体与密封圈之间的摩擦系数；选用材料F-4=0.05[]——材料的许用扭转应力〔MPa〕；见《球阀设计与选用》表6-41；选用材料40Cr，[]=1800W——Ⅰ—Ⅰ断面处的抗扭系数〔mm〕。单键W==187886.48mm查《球阀设计与选用》附表A-17：=100mm，L=86mm，b=18mmt=12mm,N=107mm=D=100mm。===0.066[]Ⅱ—Ⅱ断面处剪切应力的计算：=[]〔2—16〕查《球阀设计与选用》附表A-16：阀杆如下图图2-3阀杆式中D——阀杆头部凸肩的直径〔mm〕；D=28mmd——阀杆的直径〔mm〕；d=24mmH——阀杆头部凸肩的高度；H=12P——流体工作压力〔mm〕；P=4.0MPa[]——材料的许用剪应力〔MPa〕，查表6-41，[]=1650MPa==2.3[]Ⅲ—Ⅲ断面的扭转应力〔MPa〕的计算：=[]〔2—17〕式中M——总的摩擦转矩；M=+++=15945.7——阀杆台肩与止推垫的摩擦转矩〔N·mm〕=——台肩外径或止推垫外径，两者中小者；=24mm——阀杆直径；=24mm——轴承的摩擦转矩〔N·mm〕==268.47——轴颈直径；=24——摩擦系数；选择滚动轴承，=0.002——阀后座支座的外径；=3562.6——阀杆与填料之间的摩擦转矩；=0.6ZhP=2170.36——填料与阀杆的摩擦系数；选材料F-4，=0.05Z——填料圈数；Z取1圈——阀杆直径；=24mmh——单圈填料高度〔mm〕；查《球阀设计与选用》表3—1，选用碳素纤维〔TCW〕填料。h取10；W——Ⅲ—Ⅲ断面处的抗扭断系数；W==2712.96==5.07[]Ⅳ—Ⅳ断面处的扭转应力(MPa)的计算：=〔2—18〕Ⅳ—Ⅳ断面为正方形：W==571.66；b=14，b为正方形边长；=2轴承确实定根据阀杆的尺寸确定轴承：选用深沟球轴承，内径为25mm第三章球阀实体模型的建立3.1UG系统软件的简介UG是美国EDS企业的集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。UG是Unigraphics的缩写，是一种商品名。这是一种交互式CAD/CAM(电脑辅助设计与电脑辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现多种复杂实体及造型的建构。它重要基于工作站。CAD是电脑辅助设计的缩写，是行业通用名称。它不包括CAM(电脑辅助制造)。可以实现CAD功能的软件有诸多，UG是其中一种，尚有AutoCAD、Cimatron、Pro/ENGINEER、SOLIDWORKS、开目CAD等等。而AutoCAD则是此外一种由欧特克(Autodesk)企业开发的重要基于PC机的CAD软件。UG全球认证的证书是为纯熟使用该软件而颁发的证书，全球承认UG〔全称Unigraphics〕是美国EDS旗下PLMSolution-UGS企业集CAD/CAM/CAE于一体的大型集成软件系统.UG最早源于麦道飞机企业的航空航天尖端设计制造技术，并逐渐发展成为独立软件系统。后伴随麦道并入波音于1991年并入EDS，并成为EDS-PLMSolution部门UGS。是EDS面向制造业plan〔计划〕、Define〔设计〕、Build〔制造〕与Support〔服务〕的UGSPLM处理方案〔包括E-factory〔数字工厂〕、NX〔下一代CAX系统〕、PLMOpen〔开放平台〕、SolidEdge、Teamcenter〔协同管理框架〕、ProductIndex等〕的关键构件之一。UG系统重要应用于汽车、航空、航天、机械、电子、医疗仪器等工业的生产,是全球应用最为广泛的高端工业软件系统之一。1990年初伴随通用汽车正式进入中国，并很快就以其先进的管理理念、强大的工程背景、完善的技术功能以及专业化的技术服务队伍赢得了广阔中国顾客的赞誉。顾客群也正以每年近40%的增幅不停扩展。3.2用UG构建球阀各个零件三维实体模型Ug在三维建模方面的功能强大，可以以便地建立出本设计固定球阀的三维模型。首先要构建出球阀各零部件的三维实体模型，然后按照设计规定进行各个零件的装配，最终得到球阀的实体模型，较为直观地展示出设计内容。3.2.1构建阀体的各个零部件1.阀体及法兰阀体是球阀中最为重要的零件，是装配的基本体，背面建立的各个零件实体都要装配到阀体上去。由于本设计是固定球球阀，因此安装方式是整体式安装，而阀体和法兰也设计成了整体形式。阀体的建模也是球阀中最为复杂。阀体模型的创立需要通过旋转，拉伸，打孔，倒圆角，镜像等多种工具来进行。阀体的模型建立过程如下：绘制出圆柱：如图3-1图3-1圆柱〔2〕在圆柱下画一种圆柱底座：如图3-2图3-2圆柱底座〔3〕在圆柱内打孔：如图3-3图3-3打圆柱孔〔4〕画法兰草图：如图3-4图3-4法兰草图〔5〕法兰草图绕轴线旋转，形成法兰：如图3-5图3-5法兰〔6〕法兰打孔，在法兰面画圆并拉伸：如图3-6图3-6法兰孔〔7〕法兰镜像：如图3-7图3-7法兰镜像〔8〕打出法兰内孔：如图3-8图3-8法兰内孔〔9〕画出阀座上外表螺栓孔：如图3-9图3-9阀座螺栓孔〔10〕阀体倒圆角：如图3-10图3-10阀体倒圆角2.阀盖阀盖是一种回转体，它的建立是先激活旋转工具进入草绘平面，再按设计尺寸画出草绘截面，最终进行旋转即可得到阀盖的三维实体。阀盖的模型建立过程如下：如图3-11图3-11阀盖3.深沟球滚动轴承轴承滚动体：由于本球阀设计所使用的是深沟球滚动轴承，因此轴承的滚动体为球体，先激活旋转工具进入草绘平面，再按设计尺寸画出草绘截面，最终进行旋转即可得到滚动体的三维实体。绘制内圈草绘截面并完毕旋转命令：如图3-12图3-12内圈绘制外圈草绘截面并完毕旋转命令：如图3-13图3-13外圈绘制滚动体并完毕旋转命令：如图3-14图3-14滚动体轴承保持架：保持架的绘制是一种难点，需要多次用到拉伸增料、减料，旋转增料、减料和阵列等工具。保持架的模型建立过程如下；如图3-15图3-15保持架4.阀杆和阀芯该设计的的阀杆和阀芯是以焊接的形式连接在一起的，因此阀杆和阀芯是一种整体。阀杆和阀芯的模型建立过程如下：绘出球体：如图3-16图3-16阀芯绘出通孔：如图3-17图3-17阀杆通孔在阀芯上绘圆柱画出阀杆：如图3-18图3-18阀杆在阀芯上绘圆柱画出阀杆：如图3-19图3-19阀杆在阀杆上绘方形截面草图：如图3-20图3-20方形截面草图拉伸方形截面草图：如图3-21图3-21拉伸方形截面草图画出下部阀杆：如图3-22图3-22阀杆5.阀座阀座在球阀的密封中起到了很重要的作用，也是一种旋转体，可以通过旋转工具按照其草绘截面旋转得到。绘制出阀座草绘截面并旋转：如图3-23图3-23阀座6.扳手扳手是用来旋转球阀，控制球阀启闭的零件，建模过程重要通过拉伸增料、除料，扫描伸出项，倒圆角等工具。如图3-24为完毕建模的扳手三维实体模型。图3-24扳手3.2.2阀体零件的部分装配完毕固定球球阀各个零件的三维实体模型建立之后，就要运用Pro/E的装配功能进行零件的装配，为了装配的以便，先将几种联络紧密的零件装配起来，进行部分装配。最终再将这些部分装配好的组件进行完整的装配。部分装配的过程如下：1.轴承的装配将建立好的轴承内圈，外圈，滚动体，保持架进行组装，得到深沟球滚动轴承，如图3-25。图3-25轴承装配图2.阀盖的装配将建立好的阀盖，密封圈及上面装配好的轴承进行组装，得到如图3-26的组件。图3-26阀盖装配图3.阀体的装配将建立的好的阀体、浮动支座、密封圈、弹簧及组装好的轴承进行组装，得到如图3-27的组件。图3-27阀体装配图4.阀杆的装配将建立好的阀杆和阀座进行组装，得到如图3-28的组件。如图3-28阀杆装配图阀盖的装配将建立好的阀盖进行组装，如图3-29图3-29阀盖装配图3.2.3总装配图〔1〕总装配图将前面的组件、扳手及螺钉通过彼此的约束进行最终的装配，得到本设计固定球球阀完整的三维实体模型，如图3-30