基于PROE的球閥的設(shè)計(jì)

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1、 基于PROE的球閥的 設(shè)計(jì)  摘 要 閥門在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中有著廣泛的應(yīng)用，隨著我國(guó)生產(chǎn)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、人民生活等方面的提高對(duì)閥門的需求量越來越大，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、更新速度以及產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投放市場(chǎng)的周期都提出越來越高的要求。而閥門行業(yè)的設(shè)計(jì)手段及制造相對(duì)滯后于市場(chǎng)，很多部分的設(shè)計(jì)采用二維CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，無法形成產(chǎn)品數(shù)字化信息化管理，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求。 本文針對(duì)于球閥參數(shù)DN為250mm以及設(shè)計(jì)壓力為2MPa的球閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并借助于三維軟件Pro/E完成所設(shè)計(jì)球閥的實(shí)體建模及裝配。 關(guān)鍵詞：1、球閥

2、；2、Pro/E；3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  目 錄 目 錄 5 一、緒 言 6 （一）研究背景及意義 6 （二）球閥的發(fā)展現(xiàn)狀 6 （三）主要內(nèi)容 7 二、球閥的理論概述 9 （一）球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理 9 （二）球閥的類型 9 （三）球閥的主要特點(diǎn) 10 （四）球閥的適用原則 11 三、球閥的設(shè)計(jì) 12 （一）球閥球體的直徑確定 12 （二）球體與閥座之間密封比壓的確定 12 （三）球閥密封力的計(jì)算 14 （四）球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 15 （五）閥體的設(shè)計(jì) 16 （六）閥桿的設(shè)計(jì) 21 （七）球體的設(shè)計(jì)和校核 25 四、基于Pro/E的球閥實(shí)體模型 27 （

3、一）Pro/E軟件簡(jiǎn)介 27 （二）球閥主要零件的實(shí)體構(gòu)建 27 （三）球閥總體裝備圖 30 五、結(jié) 論 31 致 謝 32 參考文獻(xiàn) 33  一、緒 言 （一）研究背景及意義 隨著全球化市場(chǎng)、日益激烈的國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)對(duì)快速產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新的巨大需求等因素推動(dòng)了制造業(yè)的信息化、數(shù)字化。目前在工業(yè)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)成為提高企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。 可持續(xù)發(fā)展策略、知識(shí)經(jīng)濟(jì)爆炸、信息化數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展迫使制造技術(shù)人員思考制造技術(shù)創(chuàng)新的問題和策略。全球性的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)，為數(shù)字化時(shí)代的工業(yè)化過程中的國(guó)家或地區(qū)制造企業(yè)，提供了新的發(fā)展機(jī)遇。

4、當(dāng)前世界正處在由資源消耗型的工業(yè)經(jīng)濟(jì)向信息知識(shí)為基礎(chǔ)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變的過程中，可持續(xù)發(fā)展策略、知識(shí)經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)為制造技術(shù)的發(fā)展提出新的問題。知識(shí)——技術(shù)——產(chǎn)品的更新周期不斷縮短。為提高技術(shù)的生命周期，減少風(fēng)險(xiǎn)，提高競(jìng)爭(zhēng)力等問題的解決，數(shù)字制造日趨成為提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力的重要手段。 我國(guó)的閥門制造業(yè)與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在著階段性差距，突出表現(xiàn)在：產(chǎn)品創(chuàng)新能力較差，開發(fā)周期較長(zhǎng)，制造工藝裝備落后，成套能力不強(qiáng)?？刂崎y生產(chǎn)行業(yè)正處于一個(gè)非常有利的發(fā)展時(shí)期。這主要得益于國(guó)家經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，固定資產(chǎn)投資逐步擴(kuò)大。尤其是西氣東輸、西電東送、南水北調(diào)等工程的開工建設(shè)，需要大量的控制閥產(chǎn)品與之配套；再加上入世

5、后，國(guó)際貿(mào)易門檻降低以及發(fā)達(dá)國(guó)家調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使我國(guó)控制閥產(chǎn)品的加工制造面臨更大的發(fā)展空間。因此，對(duì)于閥門的設(shè)計(jì)制造具有重要的意義。 （二）球閥的發(fā)展現(xiàn)狀 球閥的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：一是從十九世紀(jì)八十年代到二十世紀(jì)的二十年代初期，美國(guó)開始在一般生活用管道上使用小口徑球形旋塞，是球閥發(fā)展的初始階段；二是本世紀(jì)二十年代到五十年代，1921年瑞士愛舍、魏斯(Escher Wyss)公司，提出了以摩擦面進(jìn)行密封的研究課題，并生產(chǎn)了泵站用2m直徑的球閥(與目前球閥有很大差別)，但由于密封材料沒有解決，球閥技術(shù)處于停滯不前的狀態(tài)；三是從二十世紀(jì)五十年代到現(xiàn)在，由于塑料高分子材料作為密封面材料的出

6、現(xiàn)，使球閥得到了迅速發(fā)展。六十年代日、英兩國(guó)從美國(guó)大量引進(jìn)球閥，隨后在世界范圍內(nèi)進(jìn)入了球閥發(fā)展的全盛時(shí)期，球閥也就從過去的特殊閥門變成了一般通用閥門，成為一種獨(dú)立的閥門類型，得到各工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用。目前在長(zhǎng)輸管線上使用的球閥，最大口徑達(dá)1400 mm，壓力為75kgf/cm2，重量達(dá)34噸。1974年由瑞士供給美國(guó)瑞康(Raccoon)泵站的球閥，口徑為3050 mm，壓力為475米水柱，重量達(dá)148噸，是世界上最大的球閥。 目前各國(guó)生產(chǎn)的球閥，按球體的工作狀態(tài)基本上可分為浮動(dòng)球球閥和固定球球閥二種；而按閥體的型式又可分為整體焊接式、二開式和三開式三種。前者是近年新發(fā)展的型式，具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)

7、、外形美觀、重量輕的特點(diǎn)。 目前，國(guó)內(nèi)外在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的研究十分活躍，特別是美國(guó)、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，十分重視關(guān)于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)涉及問題的研究，并將其列為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。而我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究還比較落后。結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容十分豐富，涉及現(xiàn)代動(dòng)態(tài)分析方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)理論、設(shè)計(jì)方法學(xué)等眾多學(xué)科范圍，目前還沒有形成一套完整的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論方法和體系。結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面：一是建立一個(gè)切合實(shí)際的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型；二是選擇有效的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法。其過程是：對(duì)滿足工作性能要求的產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)圖樣或需要改進(jìn)的產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行力學(xué)建模，并作動(dòng)態(tài)特性分析，然后根據(jù)實(shí)際情況，

8、給出其動(dòng)態(tài)特性的要求或預(yù)定的動(dòng)態(tài)射擊目標(biāo)再按結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的“正”、“逆”問題求解其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)或進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。 我國(guó)控制閥行業(yè)要發(fā)展就一定要實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，要大力研制開發(fā)一些技術(shù)含量高、勞動(dòng)附加值高、具有國(guó)際領(lǐng)先水平的控制閥產(chǎn)品，以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)控制閥的需求。有限元分析方法在國(guó)內(nèi)已開始普遍應(yīng)用于球閥閥體的結(jié)構(gòu)分析，研究方向也由單純靜力分析向參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)特性等擴(kuò)展，而且將有限元分析計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合，呈現(xiàn)多樣化的局面。如江蘇工業(yè)學(xué)院的張鎖龍采用有限元法對(duì)球閥閥體進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的分析，肖俊建利用有限元法建立球閥的動(dòng)態(tài)模型并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，趙磊生、劉克銘、張力鈞、劉琳

9、琳等都利用有限元法對(duì)不同類型的控制閥進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的分析?？梢钥闯?，目前，國(guó)內(nèi)己經(jīng)把有限元法作為控制閥的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的重要手段，球閥各部分結(jié)構(gòu)的有限元分析模型更趨復(fù)雜、完善，計(jì)算結(jié)果精度愈來愈好，成為球閥結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的主流工具。 （三）主要內(nèi)容 本文的主要研究?jī)?nèi)容有如下幾個(gè)方面： 1）本次設(shè)計(jì)球閥參數(shù)有DN為250mm，壓力P為2MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)球閥的結(jié)構(gòu)（包括閥體、閥桿以及閥芯）進(jìn)行選用與設(shè)計(jì)，然后根據(jù)所選結(jié)構(gòu)，進(jìn)行強(qiáng)度校核。確保球閥結(jié)構(gòu)及參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，保證有合適的強(qiáng)度和剛度，使球閥工作穩(wěn)定。 2）利用三維制圖軟件Pro/E對(duì)所設(shè)計(jì)的球閥零件進(jìn)行實(shí)體建

10、模，分別繪制各個(gè)零件的三維圖，然后將各零件裝配成完整的球閥實(shí)體，完成三維數(shù)字化的虛擬模型。  二、球閥的理論概述 （一）球閥的結(jié)構(gòu)及工作原理 球閥主要由閥體、球體、閥桿、閥芯、密封圈和省力機(jī)構(gòu)等幾部分主要零件構(gòu)成。下面對(duì)上述幾個(gè)重要零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。圖2-1為球閥結(jié)構(gòu)圖。 圖2-1手動(dòng)浮動(dòng)球球閥結(jié)構(gòu) 1—扳手；2—閥桿；3—球體；4—閥體；5—密封圈 球閥的工作原理：以球體作為關(guān)閉件的閥門稱作球閥。球閥它具有旋轉(zhuǎn)90度的動(dòng)作，旋塞體為球體，有圓形通孔或通道通過其軸線。球閥在管路中主要用來做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動(dòng)方向，它只需要用旋轉(zhuǎn)90度的操作和很小的轉(zhuǎn)動(dòng)力

11、矩就能關(guān)閉嚴(yán)密。球閥最適宜做開關(guān)、切斷閥使用，但近來的發(fā)展已將球閥設(shè)計(jì)成使它具有節(jié)流和控制流量之用。 （二）球閥的類型 球閥的結(jié)構(gòu)形式和品種規(guī)格非常之多，根據(jù)其用途和特點(diǎn)大致可分為以下幾種： 1、按球體的支撐方式分為浮動(dòng)球球閥和固定球球閥兩類：1）浮動(dòng)球球閥：其主要特點(diǎn)是球體無支撐軸球體以閥門進(jìn)出口兩端的閥座為支撐。閥桿與球體為活動(dòng)鏈接，因此這種球閥的球體被兩閥座夾持其中而呈“浮動(dòng)”狀態(tài)。2）固定球球閥：其特點(diǎn)是球體與上下閥桿連成一體，球體可沿與閥門通道相垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能沿通道軸線移動(dòng)。因而，固定球球閥的轉(zhuǎn)矩小，閥座變形小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，適用于高壓，大通徑的場(chǎng)合。

12、 2、按球體的安裝方式可分為頂裝式，底裝式，側(cè)裝式及斜裝式四種。 3、按球閥與管道的連接形式可分為法蘭連接球閥，內(nèi)螺紋和外螺紋連接球閥和焊接連接球閥四種。其中法蘭連接球閥又分為整體法蘭連接球閥，螺紋法蘭連接球閥，對(duì)夾式法蘭連接球閥和焊接法蘭連接球閥。 4、按驅(qū)動(dòng)方式可分為手動(dòng)，氣動(dòng)，液動(dòng)和電動(dòng)球閥。其中手動(dòng)球閥又分為帶與 不帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種。氣動(dòng)球閥又分為活塞氣缸式和旋轉(zhuǎn)葉片式兩種。此外還有組合式球閥，如電液聯(lián)動(dòng)和氣液聯(lián)動(dòng)球閥。 5、按球體結(jié)構(gòu)可分為整體球球閥，半球體球閥，截球體球閥三種。其中截球體 球閥又分為弓形和扇形截球體球閥。 （三）球閥的主要特點(diǎn) 球閥是近年來被廣泛采用的一種新

13、型閥門，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1．流體阻力小，其阻力系數(shù)與同長(zhǎng)度的管段相等。2．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。3．緊密可靠，目前球閥的密封面材料廣泛使用塑料、密封性好，在真空系統(tǒng)中也已廣泛使用。4．操作方便，開閉迅速，從全開到全關(guān)只要旋轉(zhuǎn)90，便于遠(yuǎn)距離的控制。5．維修方便，球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封圈一般都是活動(dòng)的，拆卸更換都比較方便。6．在全開或全閉時(shí)，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，介質(zhì)通過時(shí)，不會(huì)引起閥門密封面的侵蝕。7．適用范圍廣，通徑從小到幾毫米，大到幾米，從高真空至高壓力都可應(yīng)用。球閥已廣泛應(yīng)用于石油、化工、發(fā)電、造紙、原子能、航空、火箭等各部門，以及人們?nèi)粘Ｉ钪小? 其主要缺點(diǎn)：1）因?yàn)榍蜷y最主

14、要的閥座密封圈材料是聚四氟乙烯，它對(duì)幾乎所有的化學(xué)物質(zhì)都有是惰性的，且具有摩擦系數(shù)小、性能穩(wěn)定、不易老化、溫度適用范圍廣和密封性能優(yōu)良的綜合性特點(diǎn)。但聚四氟乙烯的物理特性，包括較高的膨脹系數(shù)，對(duì)冷流的敏感性和不良的熱傳導(dǎo)性，要求閥座密封的設(shè)計(jì)必須圍繞這些特性進(jìn)行。所以，當(dāng)密封材料變硬時(shí)，密封的可靠性就受到破壞。而且，聚四氟乙烯的耐溫等級(jí)較低，只能在小于180℃情況下使用。超過此溫度，密封材料就會(huì)老化。而考慮長(zhǎng)期使用的情況下，一般只會(huì)在120℃不使用。2）它的調(diào)節(jié)性能相對(duì)于截止閥要差一些，尤其是氣動(dòng)閥（或電動(dòng)閥）。 （四）球閥的適用原則 1）石油、天然氣的輸送主管線、需要清掃管線的，又需埋設(shè)

15、在地下的，選用全通經(jīng)、全焊接結(jié)構(gòu)的球閥；埋設(shè)在地上的，選擇全通經(jīng)焊接連接或法蘭連接的球閥；支管，選用法蘭連接、焊接連接，全通經(jīng)或縮徑的球閥。 2）成品油的輸送管線和貯存設(shè)備，選用法蘭連接的球閥。 3）城市煤氣和天然氣的管路上，選用法蘭連接和內(nèi)螺紋連接的浮動(dòng)球閥。 4）冶金系統(tǒng)中的氧氣管路系統(tǒng)中，宜選用經(jīng)過嚴(yán)格脫脂處理，法蘭連接的固定球球閥。 5）低溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)和裝置上，宜選用加上閥蓋的低溫球閥。 6）煉油裝置的催化裂化裝置的管路系統(tǒng)上，可選用升降桿式球閥。 7）化工系統(tǒng)的酸堿等腐蝕性介質(zhì)的裝置和管路系統(tǒng)中，宜選用奧氏體不銹鋼制造的、聚四氟乙烯為閥座密封圈的全不銹鋼球閥。 8）

16、冶金系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石化裝置、城市供熱系統(tǒng)中的高溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)或裝置上，可選用金屬對(duì)金屬密封球閥。 9）需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。  三、球閥的設(shè)計(jì) （一）球閥球體的直徑確定 球體的直徑大小影響球閥結(jié)構(gòu)的緊湊性，應(yīng)此應(yīng)盡量縮小球體直徑。球體半徑一般按R=d計(jì)算。同時(shí)為保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后須按下式進(jìn)行校核： (3-1) 必須滿足， 式中為最小球體直徑（mm）； —閥座外徑（mm）； —球體通道孔直徑（mm）； —球體實(shí)際直徑（mm）。 由上面可知可取球體直徑，。 （二）球體與閥座之間密封比壓的確定 1、必需比壓的計(jì)算、

17、必需比壓是為保證密封，密封面單位面積上所必需的最小壓力，以表示。由于流體壓力或附加外力的作用，在球體與閥座之間產(chǎn)生壓緊力，于是必需比壓式球閥設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù)之一，它直接影響球閥的性能及結(jié)構(gòu)尺寸。下面是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的計(jì)算公式： （3-2） 式中—與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)； —與密封面材料有關(guān)的系數(shù)； —流體工作壓力； —密封面在垂直于流體流動(dòng)方向上的投影寬度； —密封面寬度； 其中查表3-1可得，，，。將在下面中計(jì)算得出。 表3-1 密封材料 a c 鋼硬質(zhì)合金 3.5 1 鋁、鋁合金、聚四氟乙烯、尼龍、硬聚氟乙烯 1.8 0.9 青銅

18、、黃銅、鑄鐵 3.0 1 中硬橡膠 0.4 0.6 軟橡膠 0.3 0.4 2、許用比壓計(jì)算 密封面單位面積上允許的最大壓力稱為需用比壓，以表示。本此設(shè)計(jì)球閥通過查詢《球閥設(shè)計(jì)與選用》密封面材料許用比壓表可知，選取尼龍。 3、設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算 設(shè)計(jì)時(shí)確定的在密封面單位面積上的壓力，稱為設(shè)計(jì)比壓，以表示。選擇比壓比應(yīng)是密封可靠、壽命長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)緊湊。必須保證： （3-3） 設(shè)計(jì)比壓按圖3-1中的力的平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算： （3-4） 式中 —球體對(duì)閥座密封面的法向力(N) （

19、3-5） —閥座與球體接觸的球形環(huán)帶面積， —作用于閥座密封面上的沿流體方向的合力； —密封面法向與流道中心線的夾角； —球體中心線執(zhí)法作兩段面的距離（mm）， —閥座內(nèi)徑； —閥座外徑； —閥座平均直徑（mm），； —球體半徑（mm）。 圖3-1 比壓計(jì)算圖 整理可得: （3-6） 由于球閥的密封力還未計(jì)算故需計(jì)算完，故在下節(jié)給出設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算結(jié)果。 （三）球閥密封力的計(jì)算 為簡(jiǎn)化計(jì)算，往往忽略預(yù)緊力,閥座滑動(dòng)摩擦力及流體靜壓力在密封面余隙中的作用力,這樣密封力僅等于流體靜壓力在閥座密封面上的作用力(N)，即

20、 （3-7） 將上式代入式3-5可得： （3-8） 可得 在球閥初步設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于確定，及的關(guān)系，設(shè)，代入上式可得： 由需用比壓，，代入得： ，代入式3-2可得顯然滿足 球閥密封力的精確計(jì)算還要計(jì)算預(yù)緊力,故可知； （3-10） 預(yù)緊力計(jì)算公式如下： （3-11） 式中 — 預(yù)緊所需的最小比壓，； 、—閥座內(nèi)徑和外徑（mm）。 可得，故。 （四）球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算 由于本球閥為浮動(dòng)球閥故其轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下： （3-12） 式中 —球體與閥

21、座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩； —閥桿與填料之間摩擦轉(zhuǎn)矩； —閥桿臺(tái)肩與止推墊間的摩擦轉(zhuǎn)矩。 (2-13) 式中 —球體與閥座之間的密封力，,（N）； —摩擦半徑，，球體摩擦半徑計(jì)算圖如圖3-2所示； —球體半徑（mm）； —密封面對(duì)中心的斜角； —球體與密封圈之間的摩擦系數(shù)，查表得。 圖3-2 球體摩擦半徑計(jì)算 則= （五）閥體的設(shè)計(jì) 1、閥體結(jié)構(gòu)型式 1）首先確定閥體的結(jié)構(gòu)形式、連接形式和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，根據(jù)適用場(chǎng)合不同和通徑大小，常見閥體結(jié)構(gòu)有以下幾種： （1）整體式閥體：DN<50mm （2）二分體式

22、：閥體有左右兩部分組成，通過螺栓將這兩部分連接成一體。 （3）三分體式：閥體有三部分組成，這三部分是在閥座處沿著與通道向垂直的界面而分隔開的，螺栓將這三部分連接成一體。 通過老師給的設(shè)計(jì)條件，閥體的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)當(dāng)選二分體式。 2）閥體與管道的連接形式主要有螺紋連接；法蘭連接；焊接連接等三種。 由結(jié)構(gòu)形式的確定中可知，閥體連接選擇法蘭連接。 3）根據(jù)所給的公稱壓力和公稱通徑來確定其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度是指閥體通道終端垂直于閥門軸線的兩個(gè)平行平面之間的距離。由此根據(jù)已給條件可知結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為730mm，公差為2mm。 4）閥體材料的選用 根據(jù)球閥的常用工況和材料成本總和考慮選用HT200作為

23、閥體材料。 2、閥體壁厚的確定 球閥閥體常用整體鑄、鍛或者棒材加工而成。由于所給條件的工作壓力屬于中低壓，所以采用薄壁計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下： （3-14） （3-15） 式中 —球閥內(nèi)墻的最大直徑（mm） —考慮附加余量的壁厚（mm） —按強(qiáng)度計(jì)算的壁厚（mm） —設(shè)計(jì)壓力（Mpa） —材料許用拉應(yīng)力（Mpa） —附加余量（mm） 將，，故可得，由，可知。故閥體壁厚為22mm。 3、閥體法蘭設(shè)計(jì) 1）法蘭螺栓設(shè)計(jì) 按以下兩種情況進(jìn)行： （1）操作情況：由于流體靜壓力所產(chǎn)生的軸向力促使法蘭分開，而法

24、蘭螺栓必須克服此種端面載荷，并且在墊片或接觸面上必須維持足夠的密緊力，以保證密封。此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間的密封力作同。在操作情況下，螺栓承受的載荷為： （3-16） 式中 —在操作情況下所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N）； —總的流體靜壓力（N）,； —連接接觸面上總的壓緊載荷（N），; —載荷作用位置出墊片的直徑（mm）；由閥體內(nèi)部尺寸可知450mm； —墊片有效密封寬度，查表可知m=0； —設(shè)計(jì)壓力（Mpa）； —球體與閥座密封圈之間的密封力（N），見3.4，。 則將

25、各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入可得 KN. (2)預(yù)緊螺栓情況：在安裝是須將螺栓擰緊而產(chǎn)生初始載荷，使法蘭面壓緊墊片，此外，螺栓還承受球體與密封圈之間的預(yù)緊力。在預(yù)緊螺栓時(shí)螺栓承受的載荷為： （3-17） 式中—在預(yù)緊螺栓時(shí)所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N）； — 墊片或法蘭接觸面上的單位壓緊載荷（Mpa），查表得； —球體與密封圈之間的預(yù)緊力；由2.4可知112.75KN。 則112.75KN。 2）法蘭螺栓拉應(yīng)力的計(jì)算 （3-18） 式中 —法蘭螺栓拉應(yīng)力（Mpa）； —和兩者中的大者（

26、N）； —螺栓承受應(yīng)力下實(shí)際最小總截面積； —螺栓材料在常溫下的許用拉應(yīng)力（Mpa）；查表得=108Mpa。 則 =79.3＜=108Mpa。 4、閥體法蘭校核 1）法蘭力矩計(jì)算：在計(jì)算法蘭應(yīng)力時(shí)，作用在法蘭上的力矩是載荷和他力臂的乘積，力臂決定與螺栓孔中心圓和產(chǎn)生力矩的載荷的相對(duì)位置。見下圖所示： 圖3-3整體法蘭 作用于法蘭的總力矩為： （3-19） 式中 —作用在法蘭內(nèi)直徑面積上的流體靜壓軸向力（N），; —總的流體靜壓軸向力與作用在法蘭內(nèi)直徑面積上的流體靜壓軸向力之差（N），； —

27、用于窄面法蘭的墊片載荷：; —從螺栓孔中心圓至力作用位置處的徑向距離（mm），; S—從螺栓孔中心圓至法蘭頸部與法蘭背面交點(diǎn)的徑向距離，; （3-20） —法蘭頸部大端有效厚度（mm）； —從螺栓孔中心至力作用位置處的徑向距離（mm）, ; —從螺栓孔中心至力作用位置處的徑向距離（mm）， ; —法蘭的內(nèi)直徑（mm）。 由所設(shè)計(jì)的球閥閥體可知，=430mm，，， ，，，， ,, ， 。 則法蘭的總力矩為： （N*mm）。 2.法蘭應(yīng)力計(jì)算 （1）法蘭的軸向應(yīng)力（Mpa）

28、 （3-21） 式中 —作用于法蘭的總力矩（N*mm）； f—整體式法蘭頸部校正系數(shù)，f=1； —系數(shù)，查表得=2.5。 則 （2）法蘭盤的徑向應(yīng)力(Mpa) （e=0.0125） (3-22) = =17.49 （Mpa） （3）法蘭盤切向應(yīng)力(Mpa) (3-23) 式中 Y、Z系數(shù)查表可知Y=4.64，

29、Z=6.03 則（Mpa） 3.法蘭的許用應(yīng)力和強(qiáng)度校核 上述三個(gè)應(yīng)力應(yīng)滿足： (3-24) (3-25) (3-26) 由閥體法蘭材料為HT200，可查得（Mpa）, 經(jīng)校核說明應(yīng)力方面符合要求。 （六）閥桿的設(shè)計(jì) 閥桿是球閥的主要受力零件之一，按照我國(guó)球閥標(biāo)準(zhǔn)，閥桿應(yīng)

30、設(shè)計(jì)成：在流體壓力的作用下拆開閥桿密封擋圈時(shí)，閥桿不致于脫出。 1、閥桿材料的選擇 閥桿作為球閥的重要受力零件，其材料必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能耐介質(zhì)、大氣及填料的腐蝕，耐擦傷，工藝性好。材料選用主要通過工況和設(shè)計(jì)壓力來選擇，由表3-2可選擇A5作為閥桿材料。 表3-2 材料 工作壓力（） T（℃） 適用閥類 CuAL9Mn2 ≤1.6 ≤200 低壓閥 A5 ≤2.5 ≤350 中低壓閥 40Cr ≤32.0 ≤450 高中壓閥 38CrMoALA 540 電站用閥 20Cr1Mo1VIA 570 電站用閥 2Cr13 ≤32.

31、0 ≤450 高中壓閥 1Cr18Ni2 ≤6.3 -100 不銹鋼閥、低溫閥 1Cr18Ni9Ti ≤6.3 ≤600 高溫閥 2、閥桿填料選擇與計(jì)算 1）填料選擇 閥桿常用填料主要有V型填料、圓形片狀填料及O型密封圈等三種。由于圓形片狀填料往往容易發(fā)生松弛而使密封比壓減小，以致密封遭到破壞，同時(shí)V型填料具有密封性能好、摩擦系數(shù)低且具有自封性能，因此我選用V型填料。 2）填料摩擦力計(jì)算 填料與閥桿之間的摩擦力可按下式計(jì)算 (N) （3-27） 式中 —填料與閥桿之間的摩擦系

32、數(shù)，=0.05； Z—填料圈數(shù)，Z=3； h—單圈填料高度，h=1.5mm。 取 則 3）閥桿臺(tái)肩與之退點(diǎn)之間的摩擦力的計(jì)算 摩擦力計(jì)算公式如下： (N) （3-28） 式中 —臺(tái)肩外徑或止推外徑（mm）； —閥桿直徑（mm），=60mm； —摩擦系數(shù)，=0.05。 則 4）填料及止推墊的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算 填料轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下 (2-29） 則 止推墊片的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下 (2-

33、30) 則 由此可知球閥的轉(zhuǎn)矩 =3030+15257+1290000=Nmm 3、閥桿強(qiáng)度的計(jì)算 閥桿上的轉(zhuǎn)矩分布圖見下圖所示，主要受力面是I—I~IV—IV。其中Ⅲ—Ⅲ面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算可做為設(shè)計(jì)時(shí)初定閥桿直徑用。 1）I—I斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為 ≤ (3-31) 式中 —閥座密封面與球體間的摩擦轉(zhuǎn)矩（Nmm）； —材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，（Mpa），=1050Mpa； —I—I斷面的抗扭轉(zhuǎn)系數(shù)。 。 圖3-4 浮動(dòng)球閥閥桿轉(zhuǎn)矩分布圖 a和可由下表查得 表3-3 b/a與的關(guān)系 b/a 1.0 1.2 1.5

34、2.0 2.5 3.0 4.0 6.0 8.0 0.208 0.219 0.231 0.246 0.258 0.267 0.282 0.299 0.307 圖 3-6 閥桿與球體連接部分的斷面 故 則≤=1050 2）Ⅱ—Ⅱ斷面處剪切應(yīng)力的計(jì)算 （3-32） 式中 D—閥桿頭部凸肩的直徑（mm）； d—閥桿直徑（mm）； H—閥桿頭部凸肩的高度（mm）; P—流體的工作壓力（； —材料的許用剪切應(yīng)力（，查表得=990。 則≤=990。 3）Ⅲ—Ⅲ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)

35、力（ （2-33） 式中 M—總摩擦轉(zhuǎn)矩（N）； W—Ⅲ—Ⅲ斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)（， 則≤=1050 綜上閥桿的應(yīng)力均符合要求。 （七）球體的設(shè)計(jì)和校核 由3.2可知球體的半徑是190mm。 球體作為球閥控制的直接動(dòng)作零件，必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。球體的主要結(jié)構(gòu)特征是球體與閥桿的連接結(jié)構(gòu)，其必須滿足所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩同時(shí)保證有足夠的靈活性，后者是保證工作性能的必要條件。 由于閥桿與球體的接觸部分是間隙配合，因此，在接觸面上的比壓分布是不均勻的，如下圖所示。有分析可知，計(jì)算時(shí)可近似地采用擠壓長(zhǎng)度，而作用力矩的臂長(zhǎng)K=0.8a（

36、mm），則擠壓力按下式計(jì)算： （3-36） 圖3-8 閥桿頭部的比壓分布 式中 —球體與閥座密封面之間的摩擦力矩； h—閥桿頭部插入球體的深度（mm），h=40mm； a—閥桿頭部的邊長(zhǎng)（mm）a=100mm； —球體許用擠壓應(yīng)力；。 則≤。 故球體強(qiáng)度要求滿足。 這里需要注意的是，按強(qiáng)度要求考慮，即擠壓應(yīng)力等于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而一般取h=（1.8~2.2）mm。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)受到球體尺寸的限制，h不能過大，為了減小擠壓應(yīng)力，往往加大接觸面的尺寸，即加大a的尺寸。故a與h的關(guān)系不能為h=（1

37、.8~2.2）mm。  四、基于Pro/E的球閥實(shí)體模型 （一）Pro/E軟件簡(jiǎn)介 Pro/Engineer的簡(jiǎn)稱，更常用的簡(jiǎn)稱是ProE或Pro/E，Pro/E是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡(jiǎn)稱PTC）的重要產(chǎn)品，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。pro-e作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的模具和產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維CAD/CAM軟件之一。 Pro/Engineer是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí)現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（

38、Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對(duì)于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號(hào)式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個(gè)參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會(huì)自動(dòng)修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計(jì)優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機(jī)上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機(jī)。Pro/Engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式來實(shí)現(xiàn)

39、，用戶更可配上Pro/Engineer軟件的其它模塊或自行利用C語言編程，以增強(qiáng)軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下(沒有任何附加模塊)具有大部分的設(shè)計(jì)能力，組裝能力(人工)和工程制圖能力(不包括ANSI，ISO，DIN或JIS標(biāo)準(zhǔn))，并且支持符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繪圖儀(HP，HPGL)和黑白及彩色打印機(jī)的二維和三維圖形輸出。 （二）球閥主要零件的實(shí)體構(gòu)建 1、閥桿 閥桿作為球閥的一部分其主要作用是傳遞扭矩，轉(zhuǎn)動(dòng)閥球。其三維圖如4-1所示。 圖4-1 閥桿三維圖 2、球體 球體零件的三維圖如圖4-2所示。 圖4-2 球體三維圖 3、閥蓋 閥蓋其三維圖如圖4-3所示。 圖4-3

40、 閥蓋三維圖 4、閥體 閥體是球閥中最為重要的零件，是裝配的基本體，后面建立的各個(gè)零件實(shí)體都要裝配到閥體上去。閥體的建模也是球閥中最為復(fù)雜的，特別是二維草繪截面的繪制要涉及很多的幾何和位置尺寸。閥體模型的創(chuàng)建需要通過旋轉(zhuǎn)，拉伸，打孔，倒圓角，鏡像等多種工具來進(jìn)行。閥體的模型建立過程如下：①繪制出閥體的旋轉(zhuǎn)草繪截面；②完成旋轉(zhuǎn)命令，得到旋轉(zhuǎn)實(shí)體，利用旋轉(zhuǎn)、拉伸、陣列、圓角、倒角命令，完成閥體上螺栓孔、圓角等特征的建立，做出閥體三維實(shí)體模型。 圖4-4 閥體三維圖 （三）球閥總體裝備圖 在完成球閥的各個(gè)零件的三維建模后，然后利用Pro/E的裝配模塊對(duì)各零部件進(jìn)行裝配，其球閥總體的裝配

41、圖如圖4-5所示。 圖4-5 球閥裝配圖  五、結(jié) 論 隨著我國(guó)生產(chǎn)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、人民生活等方面的提高對(duì)閥門的需求量越來越大，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、更新速度以及產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投放市場(chǎng)的周期都提出越來越高的要求。本文根據(jù)設(shè)計(jì)球閥參數(shù)DN為250mm，壓力P為2MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)球閥的結(jié)構(gòu)（包括閥體、閥桿以及閥芯）進(jìn)行選用與設(shè)計(jì)，然后根據(jù)所選結(jié)構(gòu)，進(jìn)行強(qiáng)度校核。確保球閥結(jié)構(gòu)及參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，保證有合適的強(qiáng)度和剛度，使球閥工作穩(wěn)定，最后利用Pro/E三維軟件對(duì)球閥進(jìn)行實(shí)體建模并進(jìn)行裝配。  參考文獻(xiàn) [1]．章華友，陳元芳，球閥設(shè)計(jì)與選用[M]，北京科學(xué)技術(shù)出版

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