無(wú)摩擦球閥設(shè)計(jì)【2013年最新整理畢業(yè)論文】

西南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目名稱：無(wú)摩擦球閥設(shè)計(jì) 年 級(jí)： 2004 級(jí) 本科 ?？?學(xué)生學(xué)號(hào)： 20045666 學(xué)生姓名：李紅忠 指導(dǎo)教師：張曉勇 學(xué)生單位：制造科學(xué)與工程學(xué)院 技術(shù)職稱：講師 學(xué)生專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 教師單位：后勤管理處 西 南 科 技 大 學(xué) 教 務(wù) 處 制 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 無(wú)摩擦球閥設(shè)計(jì) 摘要 ： 該設(shè)計(jì)是為了改善傳統(tǒng)球閥的缺點(diǎn)而做的，傳統(tǒng)球閥的缺點(diǎn)是摩擦大、使用壽命短、密封性能不好。此設(shè)計(jì)可以根據(jù)流體沖蝕磨損、腐蝕程度和工作壓力來(lái)調(diào)整密封比壓。軌道式無(wú)摩擦球閥是一種新型的球閥，它利用閥桿頭部的斜面凸輪與導(dǎo)軌套螺旋槽的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)球閥的無(wú)摩擦開(kāi)啟、關(guān)閉和金屬密封的新型閥門(mén)； 所以設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題是要避免產(chǎn)生摩擦，密封要緊，最終達(dá)到高效率、高質(zhì)量、耐用性等要求。本論文研究對(duì)軌道式無(wú)摩擦球閥的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析方法，完成了球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡、球體運(yùn)動(dòng)空間以及主要零部件的受力分析設(shè)計(jì)。該球閥具有啟閉無(wú)磨損，關(guān)閉時(shí)壓 力可調(diào)節(jié)和啟閉省力的優(yōu)點(diǎn)；克服了普通球閥因密封比壓大而使密封面容易磨損的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)了球閥的使用壽命。 關(guān)鍵詞： 無(wú)摩擦；球閥；軌道式；凸輪 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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 designs 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 Valves 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-fr iction, 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 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目錄 第 1 章 引言 . 1 1.1 課題來(lái)源 . 1 1.2 選題目的和意義 . 1 1.3 球閥的發(fā)展趨勢(shì) . 2 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 . 2 第 2 章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) . 4 2.1.軌道式無(wú)摩擦 球閥技術(shù)要求 . 4 2.1.1 技術(shù)參數(shù) . 4 2.1.2 技術(shù)要求 . 4 2.1.3 型號(hào)及其含義 . 4 2.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸 . 4 2.2.1 球體直徑 . 4 2.2.2 密封面寬度及壓緊比壓 . 5 2.2.3 密封比壓 q . 6 2.2.4球閥結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度及連接法蘭尺寸 . 6 第 3 章 運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì) . 7 3.1 球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡 . 7 3.1.1 滾動(dòng)啟閉 . 7 3.1.2球閥擺動(dòng) . 7 3.1.3凸輪的輪廓 . 8 3.2 球閥下支承外形 . 10 3.2.1 滾動(dòng)柱面與倒角半徑 . 10 3.2.2倒角中心點(diǎn)位置 . 11 3.3.3滾動(dòng)空間 . 12 第 4 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 . 13 4.1 閥桿機(jī)構(gòu)受力狀況 . 13 4.1.1 球閥受力狀況 . 13 4.1.2 閥桿支承反力與支承結(jié)構(gòu)型式選擇 . 14 4.1.3摩擦阻力扭矩 . 16 4.1.4閥桿 承受的軸向力 . 18 4.2 操作扭矩和手輪選擇 . 21 4.2.1操縱扭矩 Mc . 21 4.2.2 徑 D選擇 . 22 4.3 零件設(shè)計(jì)與計(jì)算 . 22 4.3.1具有螺旋導(dǎo)軌槽襯套的主要結(jié)構(gòu)尺寸 . 22 4.3.2 球閥銷軸接觸強(qiáng)度 . 23 4.3.3 球閥下支承的接觸強(qiáng)度 . 24 第 5 章 工作能力校核 . 31 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 5.1 工作壽命 . 31 5.2 實(shí)際工作壓力的潛力估計(jì) . 31 5.2.1 閥體壁厚承壓能力 . 31 5.2.2 閥體與閥蓋連接螺栓 . 33 5.2.3 閥蓋連接法蘭 承載能力 . 35 5.2.4 閥桿頭部承載能力 . 37 5.3 壽命和實(shí)際工作潛力估計(jì) . 38 5.3.1 壽命估計(jì) . 38 5.3.2 承壓能力估計(jì) . 39 結(jié) 論 . 40 致 謝 . 41 參考文獻(xiàn) . 42 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） VI 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） VII 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 引言 1.1 課題來(lái)源 閥門(mén)是一種量大面廣的通用機(jī)械產(chǎn)品，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)所需要的閥門(mén)數(shù)量很大，應(yīng)用范圍也非常廣泛。輸送流體介質(zhì)離不開(kāi)管路，而控制介質(zhì)流動(dòng)則離不開(kāi)閥門(mén)。凡是需要對(duì)流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行控制的地方，都必須安裝閥門(mén)，閥門(mén)可比喻為“管路的咽喉”。 球閥 是本世紀(jì) 50 年代問(wèn)世的一種閥門(mén)，在半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，球閥已發(fā)展成為一種主要的閥類 。球閥經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)有了很大的改進(jìn) 和發(fā)展，廣泛應(yīng)用于 能源、石油、化工、冶金等領(lǐng)域，起著截流、控制等作用。 傳統(tǒng)的球閥具有以下特點(diǎn)： 1） 流體 阻力小 。 2） 密封性能 較 好 。 3） 球閥通道平整光滑，不易沉積介質(zhì) 。 4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 傳統(tǒng)球閥明顯的缺點(diǎn)： 1）閥的開(kāi)啟和關(guān)閉摩擦很大。 2）摩擦大引起密封材料的磨損，使球閥的密封性能下降。 3）閥的使用壽命不長(zhǎng)。 4）大型的球閥開(kāi)啟和關(guān)閉比較費(fèi)力 因此設(shè)計(jì)一種無(wú)摩擦的球閥即可以改變傳統(tǒng)球閥摩擦大的缺點(diǎn)，使球閥更耐用和可靠。該畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在減小傳統(tǒng)球閥的摩擦，適當(dāng)補(bǔ)償磨損，提高球閥的使用壽命和密封性能。 在 石油化工領(lǐng)域 、大型煤液化工程關(guān)鍵設(shè)備、冶金部門(mén)、 “ 南水北調(diào) ” 工程、 西氣東輸工程、 環(huán)保工程等 球 閥市場(chǎng)需 求很大。 通過(guò)對(duì)閥門(mén)市場(chǎng)的調(diào)查分析，在 “ 十一 五 ” 中，閥門(mén)需求量的總體趨勢(shì)為上升趨勢(shì)，閥門(mén)這個(gè)量大面廣的產(chǎn)品，其需求量在穩(wěn)定中增長(zhǎng)。其中球 閥的市場(chǎng)需求占閥門(mén)試產(chǎn)需求的 15.5%，是各類閥門(mén)中需求最多的。由此可見(jiàn)，球閥在我國(guó)有著巨大的市場(chǎng)潛力。 1.2 選題目的和意義 1）通過(guò)本設(shè)計(jì)掌握機(jī)械新型設(shè)計(jì)的方法，以及更深入掌握機(jī)械原理，機(jī)構(gòu)綜合的知識(shí) 。 2）過(guò)本設(shè)計(jì)掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，更深入掌握機(jī)械設(shè)計(jì)，材料選擇等知識(shí)。 3） 會(huì)查閱和收集資料，學(xué)會(huì)使用手冊(cè)及圖表資料。 4）培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思維，為今后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 5） 通過(guò)調(diào)查研究國(guó)內(nèi)外在這方面的發(fā)展情況 ,明確我國(guó)制造業(yè)現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)制造技術(shù)。 1.3 球閥的發(fā)展趨勢(shì) 球閥，是一種以球體作為關(guān)閉件的閥門(mén)，它起源于本世紀(jì) 50 年代。早在 19世紀(jì)80 年代美國(guó)就開(kāi)始設(shè)計(jì)球閥，但是由于當(dāng)時(shí)缺乏合適的材料，限制了球閥的發(fā)展，使它未成為一種正式工業(yè)產(chǎn)品。直到本世紀(jì) 50 年代，聚四氟乙烯等彈性密封材料的出現(xiàn)才使球閥的產(chǎn)生與發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)；同時(shí)，也由于機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，使球體加工技術(shù)提高， 能夠?qū)崿F(xiàn)球體所要求的尺寸精度和表面粗糙度。 目前，球體最大公稱直徑已達(dá)到 3050mm，這是美國(guó) Escher Wyss 公司為田納西州的一個(gè)泵站所提供的 4 臺(tái)球閥，用作透平機(jī)出口的切斷閥，設(shè)計(jì)壓力為 4.8Mpa。球閥的最高工作壓力已達(dá)到 72Mpa，其相應(yīng)溫度高達(dá) 1000 C。 球閥不僅在一般工業(yè)管道得到了廣泛應(yīng)用，而且在核工業(yè)、宇航工業(yè)的液氧和液氫輸送管線上普遍采用。 全塑料球閥近年來(lái)發(fā)展較快。其特點(diǎn)是：耐腐蝕、總量輕、成本底。在水道、化學(xué)管道上應(yīng)用越來(lái)越廣。德國(guó)一家閥門(mén)公司已制造出通徑為 6的塑料球閥；美國(guó)一家 閥門(mén)公司制成一種含氟塑料球閥，它具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐溫與耐腐蝕性能，適應(yīng)溫度為 250 C。 大口徑輸油（或天然氣）管線是球閥應(yīng)用的一個(gè)重要方面。公稱通徑范圍： 6001400mm，工作壓力通常為： 8.0Mpa。為了確保安全，一些制造廠商按管線球閥的使用特點(diǎn)和他所受外界自然條件的影響，進(jìn)行抗地震的彎曲實(shí)驗(yàn)、防止火災(zāi)蔓延的實(shí)驗(yàn)、耐氣候條件的綜合實(shí)驗(yàn)、緊急切斷實(shí)驗(yàn)等。 為了適應(yīng)高溫工況的需求，近年來(lái)還發(fā)展了高溫球閥，它的閥座材料不再是聚四氟乙烯，而是金屬、石墨或碳素纖維等。 一些特殊用途的特殊結(jié)構(gòu)球閥在不斷涌現(xiàn) 。，降低了切換閥的流阻并減小了如在我國(guó)一國(guó)防科研的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上采用了自行研制的三通半球閥扭矩。 我們可以預(yù)料今后幾年球閥將在以下幾個(gè)方面得到更大的發(fā)展： a) 密封面材料 聚四氟乙烯作為球閥密封面材料已有 30 年歷史，但它必定還會(huì)在生產(chǎn)工藝、物理性能（主要是克服冷流性、提高耐壓性）、耐溫性能方面進(jìn)一步改善，以提高球閥的性能和適用范圍。耐高溫、耐磨、耐腐蝕的低摩擦的金屬或非金屬材料將會(huì)不斷研制出來(lái)。 b) 新型球閥結(jié)構(gòu)將會(huì)不斷涌現(xiàn) 其目的主要在于提高壽命、密封可靠性和改善加工工藝性。比如本設(shè)計(jì)的軌道式。 c) 全塑料球閥將會(huì)有 很大發(fā)展 在新型塑料的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)與注塑工藝性等方面的發(fā)展將會(huì)使塑料球閥的通徑、適用工作溫度與壓力范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。 d) 長(zhǎng)輸管線球閥會(huì)在遙控、自控、工作可靠性、壽命等諸方面得到提高，它們的需求量也會(huì)增加。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 無(wú)摩擦球閥在國(guó)外研究較早，現(xiàn)在技術(shù)基本成熟；國(guó)內(nèi)雖也有單位進(jìn)行過(guò)研究并投入了生產(chǎn)，但明顯落后于國(guó)外，國(guó)內(nèi)需求還依賴于進(jìn)口，技術(shù)還不夠成熟，有西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 待于進(jìn)一步完善其技術(shù)，更廣泛的投入生產(chǎn)。無(wú)摩擦球閥有很廣的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，特別是我國(guó)西氣東輸工程中應(yīng)用甚廣。 本文詳細(xì)闡述了“無(wú)摩擦球閥的原理研究 及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，討論了實(shí)現(xiàn)軌道（即軌道式球閥運(yùn)動(dòng)功能）的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及 CAD 軟件的應(yīng)用過(guò)程，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1) 詳細(xì)分析了運(yùn)動(dòng)原理。該設(shè)計(jì)是通過(guò)閥桿頭部的斜面凸輪和和螺旋導(dǎo)軌槽的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)球閥的啟閉運(yùn)動(dòng)。 2) 詳細(xì)討論了運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)學(xué)方法和數(shù)據(jù)計(jì)算詳細(xì)說(shuō)明了球閥啟閉的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖 2-1 所示。 3) 在認(rèn)識(shí)了運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)后，利用 CAD 軟件繪制工程圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 2.1.軌道式無(wú)摩擦球閥技術(shù)要求 2.1.1 技術(shù)參數(shù) 公稱通徑 DN=125mm 公稱壓力 PN=4.0Mpa 適用溫度 -29 121 C 適用介質(zhì) 石油及制品、天然氣、氧氣、其他氣體 2.1.2 技術(shù)要求 閥門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉動(dòng)作： （ 1） 操作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿上升，使球體沿通道軸線位移 0.2 0.5mm 脫離閥座； （ 2） 閥桿繼續(xù)上升并同時(shí)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)球體繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn) 90角度，閥門(mén)開(kāi)啟； （ 3） 運(yùn)行過(guò)程中球體只是沿通道軸線位移和繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn)； （ 4） 關(guān)閉與開(kāi)啟動(dòng)作相反。 閥門(mén)作用：（ 1）切斷介質(zhì)；（ 2）調(diào)節(jié)流量。 閥門(mén)操縱、手動(dòng)（仿 ORBIT 閥門(mén)操縱原理） 2.1.3 型號(hào)及其含義 125 Q 4 I Y 40 2.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸 2.2.1 球體直徑 球體半徑 R=(0.8 0.95)d 公稱直徑 法蘭連接 浮動(dòng)直通式 閥座密封材料，硬制合金類 球閥公稱壓力 kg/ 2cm 類型、球閥 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 式中 d 球體通道孔徑；根據(jù) GB12237， DN=125 鋼制球閥閥體的最小流道直徑，當(dāng) PN=4.0Mpa 時(shí)（不縮徑）直徑 123，因此選擇確定 d=125mm.。 R=(0.78 0.95)d=98.4 116.8mm 根據(jù) JB1744,當(dāng) DN=125,球徑 D=2R= 16.0200 ,即 R=100mm。 圖 2 1 球體通道孔徑 2.2.2 密封面寬度及壓緊比壓 密封寬度 R 根據(jù)圖 1 1所示，球面接觸外點(diǎn)半徑 R R = 22 SR 即 R = 22 78100 =70.42mm 密封面在垂直于流體流動(dòng)方向上投影寬度 b b=R -2d b=70.42-62.5=7.92mm 壓緊比壓bq，bq= bcpam 式中： p 壓力 Mpa， m 常數(shù)，常溫液體， m=1；常溫汽油、煤油、空氣、蒸氣及高于 100 C液體， m=1.4；氫、氮及其它密封要求高的 m=1.8， a、 c 與密封面有關(guān)系數(shù)，詳見(jiàn)表 1。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 表 1 a、 c 系數(shù) 表面材料 鋼、硬質(zhì)合金 硬聚氯乙烯，鋁及鋁合金，尼龍，聚四氧乙烯 黃銅青銅鑄鐵 中硬橡膠 軟橡膠 a 3.5 1.8 3.0 0.4 0.3 c 1 0.9 1.0 0.6 0.4 73.392.7 45.34.1 bq Mpa 此值與通用機(jī)械研究所推薦值相近，查有關(guān)表格 Mpaqb 10（或 7.5Mpa） ,表面粗糙度 4.02.0 Ra ，（ Ra 0.2 剛性密封面）。 2.2.3 密封比壓 q pdD dDq )(4 )( 式中： D =2R ,P=PN=4.0Mpa M p aq 7.160.4)12582.140(4 12542.702 閥座 1Cr18Ni9Ti 140 170HB q=150Mpa 或 =40Mpa 因此 qqqb 2.2.4 球閥結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度及連接法蘭尺寸 球閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度 根據(jù) GB12221 89， DN=125mm, M p aPNLL 4400381 ，長(zhǎng)短,選取 L=400mm. 連接法蘭尺寸 根據(jù) GB9113.5， PN=4.0Mpa,DN=125,選擇凸面整體鋼制法蘭，外徑 270，密封面直徑 184，厚度 26，螺紋 M24， 8個(gè)，孔 26。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 3 章 運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì) 3.1 球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡 3.1.1 滾動(dòng)啟閉 圖 2 1所示運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖，表明球閥繞自身形心 O 順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)0角，并且沿水平方向以1O點(diǎn)作瞬心，沿滾動(dòng)支承面作移動(dòng)0h，實(shí)現(xiàn)球閥向閥口關(guān)閉，反之，則開(kāi)啟，因此： 000 180360 RDh （ 3 1） 式中： D 球閥外徑， D=2R， mm R 球閥半徑， mm 0 球閥自轉(zhuǎn)角度，度 0h 球閥形心 O點(diǎn)水平位移， mm 在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中，0h=0.5mm， R=100mm，由式（ 3 1）知 h/0= 度 /744.1180100180 mmR 由于0h=0.5mm，因此實(shí)際轉(zhuǎn)角0為： 0= 0h/1.744=0.287 3.1.2 球閥擺動(dòng) 具有傾角的平面凸輪（斜面）沿 Y 軸向下移動(dòng) s 距離，而兩圓柱中心 B和 C 以 1O 為瞬心，沿 X 軸向平移和沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)0角，該兩中心沿 X軸向位移量 h為： h=s tan =0（ R+OB ）180 （ 3 2） 式中： 222 2/lOOOB 在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中： 2OO =87mm, 2/l =24mm。 因此， mmOB 25.902487 22 由式（ 2 2）可得： h=0.1051 s=0h+1.574 0=3.3180 （ 3 3） 當(dāng)0h=0.5mm, 0=0.358 時(shí)： h=0.952mm,或 s=9.068mm。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3.1.3 凸輪的輪廓 該平面的凸輪機(jī)構(gòu)是以雙斜面與圓柱面接觸原理工作，當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)的一邊（例如右側(cè)）是直線型斜面，則在另一側(cè)就不一定是一個(gè)平行于右側(cè)的斜面（指左側(cè)工作面），因此要計(jì)算出在 s不同值時(shí)， A 點(diǎn)（也是 A ）和 D 點(diǎn)（也是 D 點(diǎn)）的坐標(biāo)位置，以右側(cè)為直線，求左側(cè)輪廓位置。 當(dāng) s=0，如圖所示狀況，即2y=0，當(dāng)圓柱半徑 r=9， = A點(diǎn) cos1151 rx sin1 ry D點(diǎn) c os1154 rx （ 3 4） sin4 ry 在圖示狀況下（本項(xiàng)目中 l=48mm） 232232 )()( yyxxl （ 3 5） 當(dāng) s= | 2y 值時(shí) sstgx 1 0 5 1.015151 sin21 ryy （ 3 6） c os1 0 5 1.015c os12 rsrxx 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 2 1 球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算簡(jiǎn)圖 O 球心形心 1O 滾動(dòng)瞬心 1OO=R(球閥半徑 ) 0 球閥滾動(dòng)角 斜導(dǎo)軌斜角 滾柱與導(dǎo)軌接觸點(diǎn) A、 D與 CD連線的夾角，隨導(dǎo)軌位移而變化 S 導(dǎo)軌沿 Y 軸方向移動(dòng)量（向下為正） S=-Y 0h 球閥形心水平移動(dòng)量 h 導(dǎo)軌在 X軸向增量 COOBOO 1212r 滾動(dòng)半徑 11,YX A點(diǎn)坐標(biāo) 22,YX B點(diǎn)坐標(biāo) 33,YX C點(diǎn)坐標(biāo) 44,YX D點(diǎn)坐標(biāo) L A 與 D 之間垂距（沿斜面） A 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 s ins in23 lslyy c o sc o s1 0 5 1.015c o s23 lrslxx s ins ins in34 rlsryy c o sc o s1 0 5 1.015c o s34 lrsxx （ 3 7） rlrlL 2)c o s (2c o s （ 3 8） 在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中，平面凸輪最高升高 hh 3max 4mm,由式（ 3 3）和（ 3 8）得： maxh=4mm m a x 4 38t a n 6s m m 20 5.131 9.3 4m a x0 mmL 8 3 1 6.2918)2 0 5 2.16co s (48m a x h=2mm s=19.029mm 603.00 L=29mm h=1mm s=9.514mm 751.00 L=29.769mm h=0 s=0 00 L=29.737mm 由 L值可見(jiàn)，平面凸輪下窄上寬，角度變化范圍約在： tan =m a x 0m a x 02 9 . 8 3 1 6 2 9 . 7 3 7 0 . 0 0 2 4 8 938LLSS ， =0 .1 4 2 6 8 .5 5 6 （斜度在左側(cè)變小） 當(dāng)凸輪右側(cè)面是斜平面時(shí)，左側(cè)應(yīng)為一曲面，由于曲面曲率變化小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可用一個(gè)近似斜平面，角度略小于右側(cè)面角來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3.2 球閥下支承外形 3.2.1 滾動(dòng)柱面與倒角半徑 根據(jù)球閥啟閉采用滾動(dòng)啟閉原理，下支承結(jié)構(gòu)外形要適 應(yīng)這一要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)滑動(dòng)滾動(dòng)。圖 3 2所示下支承結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)圖，圖中表示支承外圓 R（即與球閥外徑同），它與倒角圓角 r 的接點(diǎn) a的位置應(yīng)遠(yuǎn)離球閥滾動(dòng)時(shí)用于支承的 R柱面區(qū)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 3 2 球閥下支撐點(diǎn)外形 當(dāng)?shù)菇前霃綖?1r ，軸承內(nèi)孔直徑為 Bd ，經(jīng)倒角半徑為 1r 起點(diǎn) b 與球閥形心連線與 y 軸夾角近似為： m a x11 3)2/(s in R rd B （ 3 9） 在本 設(shè)計(jì)中： Bd =40mm， 1r =9mm， R=100mm，因而： 6156.33277.6100 )920(s in m a x1 3.2.2 倒角中心點(diǎn)位置 點(diǎn) a位置應(yīng)為（aa yx、） )cos1( Rya sinRxa （ 3 10） 倒角中心點(diǎn) b位置： 12 rdx B cos1ryy a (3 11) 在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中： mmya 5 9 9 5.0)277.6c o s1(100 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 mmxa 9 3 3 5.102 7 7.6s in1 0 0 mmx 119240 mmy 5 4 5 5.9227.6c o s95 9 9 5.0 3.3.3 滾動(dòng)空間 要求以 O 點(diǎn)為瞬心， OC 為半徑能作無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)，此時(shí) OC 點(diǎn)長(zhǎng)度和 OC 與 X軸夾角關(guān)系為： 22 )2/( Bdy 1ta n /2Byd （ 3 12） 當(dāng)球閥轉(zhuǎn)動(dòng)0角后， C點(diǎn)在 X軸上投影cl為： cl= cos( ) （ 3 13） 根據(jù)cl大小來(lái)確定尺寸 Bd 配合間隙。 在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中： mm1 6 1.22205 4 5 5.9 22 ， 1 9 . 5 4 5 5t a n 2 5 . 5 1 420 ， cl= 2 2 . 1 6 1 c o s ( 2 5 . 5 1 4 1 . 2 0 5 ) 2 0 . 1 9 2 mm 。 在滾動(dòng)中要求右邊增大半徑 0.192mm，而左邊滾動(dòng)中出現(xiàn)空隙，此時(shí)cl=cos( ) = 2 2 . 1 6 1 c o s ( 2 5 . 5 1 4 1 . 2 0 5 ) 1 9 . 7 9 4 mm,空隙為 0.206mm,考慮左、右狀況，理論上還有空隙 0.014mm,因此選擇 優(yōu)先配合 )142.0080.0(940d ，支承軸承孔)0062.0(940 H 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 4 章 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.1 閥桿機(jī)構(gòu)受力狀況 4.1.1 球閥受力狀況 球閥受力狀況可以簡(jiǎn)化為圖 4 1所示狀態(tài)，圖中： pDFD 24 （ 4 1） 式中： D=PN=125mm P=PN=4Mpa NFD 5.4906241254 2 LaFR DA LBFR DB (4 2) 式中： a、 b 與 L 見(jiàn)圖 4 1中尺寸。 圖 4 1 球閥受力狀況簡(jiǎn)圖 因此： NRA 2 49 4 71 77905.4 90 6 2 NRB 5.2 41 1 51 77875.4 90 6 2 球閥密封壓力bq所需壓緊力SR 軸向總推力SF，參考式（ 4 2）可得： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 )(4 22 dDF S （ 4 3） LaFR SSA LbFR SSB （ 4 4） 本設(shè)計(jì)中： Mpaqb 73.3， mmD 84.140 ,d=125mm NF S 1232973.3)12584.140(4 22 NR SA 6 2 6 91 7 7901 2 3 2 9 NR SB 60601778712329 合力AOR和BOR 當(dāng)流體正向流動(dòng)時(shí)，由于bqq，因此 AOR= AR BOR= BR （ 4 5） 當(dāng)流體反向流動(dòng)時(shí)（密封時(shí)），要保持密封面bq值，因此球閥上受倒閥桿作用力引起支反合力： AOR= AR +SAR BOR= BR +SBR （ 4 6） 在本設(shè)計(jì)中：AOR=24947+6269=31216N BOR=24115.5+6060=30175.5N 在后面分析中應(yīng)用 AR 與 BR ，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)將考慮SAR和SBR。 4.1.2 閥桿支承反力與支承結(jié)構(gòu)型式選擇 方案 1：前支承導(dǎo)向型（即無(wú)后支承）圖 4 2是方案 1 的力系平衡圖，由圖可得： 0M 2()23A O rlC R F l ， 而 rF= 12 2 4llqq，因而 26 ()2 AOlq c Rl 0F MA FR 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 4 2 前支承導(dǎo)向受力圖 因此：1 16 4m AOF cq q Rl l l 2 16 2m AOF cq q Rl l l 1q 區(qū)間 lclclllclclcl 36 4622646461 2q 區(qū)間 lclclllclcl36262362262 （ 4 7） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 AOr RlclcllqF 36 )46(4121 2111 AOr RlclcllqF 36 )26(4121 2222 （ 4 8）因此： NFr 5 6 5 7 33 1 2 1 61 1 73406)1 1 74406(1 1 74 1 21 NFr 4.5 4 6 8 75.3 0 1 7 51173406)1174406(1174 1 22 方案 2：前后支承導(dǎo)向型 圖 4 3是方案 2 受力狀況圖，由圖可知： 圖 4 3 前后支承導(dǎo)向受力圖 2AO rR d F e 21 rAOr FRF （ 4 9） 因此，當(dāng) 2rF = 98 3 1 2 1 6 1 7 4 8 0 . 9 6175 N 1rF = 3 1 2 1 6 1 7 4 8 0 . 9 6 4 8 6 9 6 . 9 6N 比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案，方案 2 受力狀況較好，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上又允許設(shè)計(jì)后支承，因此選用方案 2（只考慮 AR 時(shí)，） 1 3 8 9 1 7 .3rF ， 2 1 3 9 7 0 .3rF 4.1.3 摩擦阻力扭矩 閥桿支承摩擦阻力扭矩rfM 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 rfM= 0012c o s ( ) c o s22r f r rddF F F f (4 10) 式中： rfF= 12rrFF 導(dǎo)軌槽螺旋角， =53.5 f 摩擦系數(shù)， f=0.15 0.25（潤(rùn)滑不良），取 f=0.2 0d 閥桿直徑，0d=40mm 因此：rfM= （ 38917.3+13970.3） 0.2 595.0240 =125872.5 N mm 密封摩阻扭矩mM mM= c o s22.1c o s2 000 dZ h p fddF mm （ 4 11） 式中：mF=mZhpfd 02.1 Z 山形密封件數(shù)， h 密封件長(zhǎng)度，在具體結(jié)構(gòu)中： Zh=2 6+10 3.4=46mm 第一層件數(shù) 中間層件數(shù) mf 摩擦系數(shù)，對(duì)于尼龍mf=0.15 MpaPNp 0.4 因此：mM=1.2 40 46 4 0.15240 0.595=49502.5N mm 球閥下支承點(diǎn)摩阻扭矩BfM BfM 2BBB dfR （ 4 12） 式中： Bd 下支承點(diǎn)軸徑， Bd =40mm， Bf 摩阻系數(shù)， Bf =0.15 因此： 5.7234624015.05.24115 BfM N mm 導(dǎo)軌槽產(chǎn)生扭矩SM與摩阻扭矩fM SM fM=Bfmrf MMM （ 4 13） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 因此：SM fM=125872.5+49502.5+72346.5=247721.5N mm 4.1.4 閥桿承受的軸向力 導(dǎo)軌槽承受軸向力SF（反作用閥桿上） 在螺旋槽部分 SF )(2rmftgd M （ 4 14a） 式中： )(21 nwm ddd ，導(dǎo)槽平均直徑，wd 導(dǎo)槽外徑，wd=70mm,，nd 導(dǎo)槽內(nèi)徑，nd=41mm, md mm5.55)4170(21 導(dǎo)槽螺旋升角， =53.5（左旋） r 導(dǎo)槽與導(dǎo)輪摩擦角，當(dāng) 1.0Tf ， r =5.71，在式（ 3 14）中，當(dāng)開(kāi)啟時(shí)取“ -”，關(guān)閉時(shí)取“ +” 在直槽部分 1aoSmT FmFFRfR （ 4 14b） 式中： aoF 除導(dǎo)槽以外的軸向合力，詳見(jiàn)式（ 4 19）。 mR=md/2 FmR 閥桿梯形螺紋摩擦半徑，F(xiàn)mR )(2 LLFp tgd ，關(guān)閉用“ +”，開(kāi)啟時(shí)用“ -”，當(dāng)選用 Tr38 6L 7H梯形螺紋，螺紋螺旋角 L =334 ，當(dāng)螺紋摩擦系數(shù) 25.0Lf 時(shí)， L =142 ，梯形螺紋平均直徑 mmd FP 5.34 。 由式（ 4 14b）可得在本設(shè)計(jì)中： 開(kāi)啟時(shí) FmR=2.68 mm； SF=0.0190 aoKF 關(guān)閉時(shí) FmR=4.60 mm； SF=0.0330 aoGF 由式（ 4 14）計(jì)算結(jié)果列于表 4 1 中。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 表 4-1 導(dǎo)軌槽承受軸向力 工作狀況 fM T md aoF 導(dǎo)向中軸向力 區(qū)域 SF SF 開(kāi)啟 斜槽 247721.5 53.5 5.7 55.5 8094.8 直槽 0 55.5 13434.9 255.3 關(guān)閉 斜槽 247721.5 53.5 5.7 55.5 5313.6 直槽 0 55.5 27127.8 895.2 圖 4-4 導(dǎo)軌槽承受力圖 液壓推力 PF PF pd 204 （ 4 15） 式中： p=PN=4.0Mpa 因此： PF N50 244404 2 閥桿前后支承摩擦阻力 由式（ 4 9）和（ 4 10）知，支承摩擦阻力為： 直線移動(dòng)中 關(guān)閉時(shí) fFFFrrrf )( 21 開(kāi)啟時(shí) fFFFrrrf )( 21 （ 4 16） 螺旋移動(dòng)中 s in)( 21 fFFF rrrf 式（ 4 16）計(jì)算結(jié)果列于表 4 2中。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 表 4 2 閥桿前后支承軸向摩擦阻力（ N） 工作狀況 前支承 后支承 摩擦系數(shù) f 螺旋角 摩擦阻力 1rF 1rF 2rF 1rF rfF rfF rfF 直線移動(dòng) 關(guān)閉 48696.96 17480.96 0.2 0 13235.6 開(kāi)啟 38917.33 13970.3 0.2 0 10577.50 螺旋運(yùn)動(dòng) 38917.3 13970.3 0.2 53.5 8462 閥桿密封摩擦力mF 由式（ 4 11）知 直線運(yùn)動(dòng)時(shí) mF mZhpfd 02.1 螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí) mF s in2.1 0 mZhpfd （ 4 17） 因此：mF=1.2 40 46 4 0.15=4159.9N mF = mF 5.3 3 4 48 0 4.09.4 1 5 9s in N E.閥桿頭部斜面與球閥柱銷間摩擦阻力 hhh fNF 關(guān)閉 hN cos/AOR 其他狀況 / c o shANR （ 4 18） 式中： 斜面傾角， =6 hf 摩擦系數(shù)，hf=0.15 因此再閥門(mén)關(guān)閉時(shí)：hF= 31216 0 . 1 5 4 7 0 8 . 3c o s 6 N 其他狀況： 24974 0 . 1 5 3 7 2 1 . 5c o s 6hFN 閥桿軸向合力aoF 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 開(kāi)啟 PhmrfSao FFFFFF 1 旋開(kāi) PhmrfSao FFFFFF 2 旋關(guān) PhmrfSao FFFFFF 3 （ 4 19） 關(guān)閉 PhmrfSao FFFFFF 4 式中：開(kāi)啟 aoKF FFFF hmrf 關(guān)閉 aoGF Phmrf FFFF 由式（ 4 19）計(jì)算并考慮（ 4 14）結(jié)果列于 表 4 3 工作狀況 導(dǎo)軌槽 閥桿前后支承 閥桿密封 桿頭斜面 液壓力 軸向合力 SF SF rfF rfF rfF mF mF hF hF pF aoF aoF 開(kāi)啟 255.3 10577.5 4159.9 3721.5 -5024 13434.9 13690.2 旋開(kāi) 8094.8 8462 3344.5 3721.5 -5024 18598.8 旋關(guān) 5313.6 8462 3344.5 3721.5 5024 25865.6 關(guān)閉 895.2 13235.6 4159.9 4708.3 5024 27127.8 28023 4.2 操作扭矩和手輪選擇 4.2.1 操縱扭矩 Mc 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥桿上選用 GTr38 6L 7H 左旋梯形螺紋 ,根據(jù)表 4-3 已知軸向aoF，可得： 開(kāi)啟 aaiLLFpaoCK fdtgdFM )(2 1 關(guān)閉 aaiLLFpaoCG fdtgdFM )(2 4 （ 4 20） 式中：aid 止推軸承內(nèi)徑 aid=70mm af 止推軸承摩擦系數(shù) af=0.003 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 由于 )(2 LLFpFm tgdR ，當(dāng)選用 GTr38 6L 7H 梯形螺紋 mmtgRF m G 60.4)2114343(2 5.34 mmtgRF m K 68.2)3432114(2 5.34 因而： 651 3 6 9 0 . 2 2 . 6 8 0 . 0 0 3 3 8 0 2 4 . 5 3 8 . 0 22CKM N m m N m 652 8 0 2 3 4 . 6 0 . 0 0 3 1 3 1 6 3 8 . 0 4 1 3 1 . 6 42CGM N m m N m 推薦球閥最大操縱力矩，當(dāng) DN=125mm， PN=4.0Mpa 時(shí)， Mc 750 mN ，而計(jì)算值CGC MM max=131.64N.M。 4.2.2 徑 D 選擇 D=2Mc/Fc (4 21) 式 中： Fc 圓周力，通常 Fc 700N 一般推薦 Mc=50 75 mN , Fc=200 300N； Mc=105 140 mN ， D=350mm,Fc=300400N,建議選取 D 300mm 當(dāng) D=300mm Fc N48 530 072 70 82 當(dāng) D=350mm Fc N41 635 072 70 82 4.3 零件設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.3.1 具有螺旋導(dǎo)軌槽襯套的主要結(jié)構(gòu)尺寸 角選擇 根據(jù)擺 動(dòng)從動(dòng)件許用壓力角 4535 ，考慮到滑動(dòng)摩擦系數(shù) 15.0f，其摩擦角 85.0 ，由于 的方向與角坐標(biāo)方向差 90，因而 =90 - 55-45，考慮到摩擦角 影響，選擇 =53.5。 作用于導(dǎo)軌槽的正壓力 Ns Ns Ns= 20 192 Rli (4 22) 式中：il 接觸長(zhǎng)度 il= mmddif 5.14)4170(21)(21 0R 滾子半徑 0R=11mm 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 當(dāng)實(shí)際il=10mm（滾子 寬）用 GCr15 軸承鋼滲氮淬火許用應(yīng)力 =2300Mpa 時(shí) Ns= N1578519223001110 2 SmfS NkZd MN c os2 （ 4 23） 式中： Z 導(dǎo)軌槽數(shù)，本結(jié)構(gòu) Z=2 md 螺旋導(dǎo)軌槽的平均直徑， mm，本結(jié)構(gòu)md=55.5mm。 k 受力不均勻系數(shù)， k=0.7 0.8，取 k=0.7 因此 SS NNN 7.123697.05.53c o s25.55 3.1233922 如果選用 40Cr 淬火， HRC=60（ HB=653）， =2.8HB(Mpa)=1828Mpa，由式（ 4 22）得： Ns= N997119218281110 2 ，因此，選用 40Cr 制造。 螺旋導(dǎo)軌槽高度（或長(zhǎng)度） h 21 hhh 式中： 1h 螺旋導(dǎo)軌槽螺旋部分高 1h mmtgtgd m 9.585.534 5.554 2h 直線長(zhǎng)度（即閥桿頭斜面長(zhǎng)）， mmh 382 （詳見(jiàn)后面） 直線段預(yù)留長(zhǎng)度 mm8.5 因此， 5 8 . 9 3 8 5 . 8 1 0 2 . 7h m m 4.3.2 球閥銷軸接觸強(qiáng)度 由式（ 4 18）知： c o sAhhRNN （ 4 25） Mpa1828 （選用 40Cr） ,當(dāng)斜面寬 240 l ，銷軸半徑 R=9 時(shí)，由式（ 4 22）得 218282 4 9 1 9 5 7 9 . 6192hNN ，而 31216 3 1 0 4 4 . 3c o s 6hhN N N 由式（ 4 22）推得最大接觸應(yīng)力，此時(shí)為： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 m a x3 1 0 4 4 . 31 9 2 2 3 0 1 . 7 92 4 9 M p a ，高于 7%， 而用 GCr15 時(shí) =2300Mpa 略高于 0.07% ,故用 GCr15。 4.3.3 球閥下支承的接觸強(qiáng)度 下支承的襯套 1Cr18Ni9Ti，球閥（即球體）材料 WCB，其最大接觸應(yīng)力max5為（按第 11 接觸類型）。 3 2432123m a x1111254.0RRRRERn BO （ 4 26） 式中： 1R 球形半徑曲率 1R =9mm 2R 球形的外半徑 2R =19.938 142.0 080.040 3R 襯套軸向曲率半徑 3R= （直線即圓柱形） 4R 襯套內(nèi)半徑 4R =20.031 0062.040 式中3n由橢圓方程系數(shù) A/B 值查表來(lái)確定 14224314211211121RRRRRRRRRBA （ 4 27） 由式（ 4 27）得： 00209.09938.19031.20 938.19031.20 BA，由 5表 4.4 1 得，3n=0.4267，當(dāng) E=2.1 25 /10 mmN ， 7.15410BR 代入式（ 4 26）得： 3225m a x031.201938.19191)101.2(5.281874267.0245.0 M p ammN 2 6 0 2/106 0 2.2 23 由于已結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出襯套和球體，材料也選定，其加工后硬度估計(jì) 200HB， 500M 計(jì)算出max遠(yuǎn)大于 值，由于處于最大max值頻較低（小于 10 次 /分鐘）， 工作過(guò)程中滾動(dòng)范圍窄，因此滑動(dòng)磨損和損壞很慢，建議按原方案施用，如果試用中出西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 現(xiàn)過(guò)大磨損或壓痕，可以采用以下方案來(lái)進(jìn)一步改善。 （ 1）襯套 1Cr18Ni19Ti 進(jìn)行淬火，提高表面硬度達(dá) 55HRC，對(duì)用材料 WCB 制造球體下支承表面進(jìn)行表層鍍硬鉻，硬度達(dá) 60HRC 以上，提高接觸許用應(yīng)力 2500Mpa。 （ 2）更改襯套和球體下支承處的材料和結(jié)構(gòu)，使max 。 4.3.4 閥桿主要 結(jié)構(gòu)尺寸及其強(qiáng)度和剛度計(jì)算 主要結(jié)構(gòu)尺寸選擇 （ 1）閥桿直徑0d。根據(jù) GB12234，當(dāng) DN=125， PN=4.0Mpa，閥桿最小直徑mmd 26min ，考慮到閥桿主結(jié)構(gòu)部分形狀復(fù)雜，增大斷面積為2min45.1 d ，故選用 0d =40mm。 （ 2）梯形螺紋。參考手輪尺寸及閥桿螺母設(shè)計(jì)，選取 Tr38 6LH-7H。 （ 3）桿頭結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù) JB1743，當(dāng) DN=125mm，閥桿頭直徑0d=40mm，扁頭厚度 b=30mm(按 JB1744) 閥桿銷孔強(qiáng)度校核（圖 4 4） 22 4TSaoT WMAF （ 4 28） 式中： 22020 53618404044 mmdddA T Td 銷徑， Td =14mm TW 抗扭斷面系數(shù) 020220200130 6321)21(c o s161dddddddddddW TTTTTT 406184040181)401821(40184018c os16140222213 36.5593 mm 許用應(yīng)力， 24 0 2 7 5 /C r N m m ； CrMoALA38 ， =260N/ 2mm 因此： 222 /1966.5593 8.3 0 8 8 8 045368 7 1 2 7 mmNT 閥桿頭部斜面結(jié)構(gòu)尺寸 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 頭部總長(zhǎng) mmhhh 1021 （ 4 29） 式中：1h 螺旋槽部分高（詳見(jiàn)前面），1h=58.9mm 2h 斜面高度（長(zhǎng)度），tgth 2， t 斜面高度， t=3mm, =6，小于等于斜面自瑣最大角 4 6 mmtgh 38642 因而： 5 8 . 9 3 8 1 0 1 0 6 . 9h m m 頭部厚度 b=30mm 閥桿頭部彎扭組合強(qiáng)度（旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟或旋轉(zhuǎn)關(guān)閉階段） 由圖 4 2知彎曲拉應(yīng)力： LhL W CN （ 4 30） 式中： LW 抗彎 斷面系數(shù)， LW =62bb （近似簡(jiǎn)化） b 斜面寬度， mmb 20min LW 32 37506 3025 mm ， c=40mm(見(jiàn)圖 4 2) 因此： 2/3003 7 50 402 8 12 5 mmNL 選用 38CrMoALA， =360 2/mmN NASN WM (4 31) 式中： AW 抗彎斷面系數(shù)， AW = 29.0 bbA Ab 0d ， 33.130/40/ bb A ，查表 =0.22 N 222 4 7 7 2 1 . 5 3 4 . 7 5 /0 . 9 0 . 2 2 4 0 3 0 NN m m 選用 38CrMoALA， N=170 2/mmN 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 由第三強(qiáng)度理論得： 22 4 nL （ 4 32） 由式（ 3 30）和（ 3 31）得： 223 0 0 4 4 3 3 0 7 . 9 6 M p a 閥桿頭部剛度和抗彎強(qiáng)度計(jì)算（在關(guān)閉狀況 下） （ 1）截面模數(shù)于慣性矩 由于閥桿頭部截面形狀如圖 4 5，它是在圓截面基礎(chǔ)上，切去上、下兩個(gè)扇形面，沿桿長(zhǎng)這兩個(gè)扇形面形狀并不對(duì)稱。該截面模數(shù)： 圖 4 5 閥桿頭部截面形狀 eJW X / （ 4 33） 式中：dyre ， 2/0dr （見(jiàn)圖 4 5） 而： 2s in1 8 02s in34 3 ry d （ 4 34） 慣性矩： 21 XXX JJJ （ 4 35） 式中： 1XJ 整圓慣性矩， 1XJ =46444 rd （ 4 36） 2XJ 虛線弧段區(qū)慣性矩， 1XJ 弧段對(duì)自身重 心慣性矩 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 1XJ 22 dX AyJ 2c o s2s in1 8 028 42 rJ X (4 37) 式中： A 虛線弧段區(qū)面積 2s in180222rA （ 4 38） 根據(jù)結(jié)構(gòu)圖閥桿頭部截面得截面模數(shù)與慣性矩主要選取斜面始、終兩點(diǎn)計(jì)算，并輔以將閥桿頭部截面作不變矩形計(jì)算，并進(jìn)行比較，根據(jù)式（ 4 32） 和 （ 4 38），當(dāng) h=30， r=20 可得： 扁頭 對(duì)稱于桿中心位置時(shí)（斜面終止點(diǎn)） 4.412/c o s 1 rh 441 1 2 5 6 0 0420 mmJ X 442 2 0 2.5 2 8 0 21 2 5.09 9 2.04 4 5.1816 mmJ X 421 5 9 6.1 9 9 9 52 mmJJJ XXX mmhe 152/ 304.1 3 3 3/ mmeJW X 扁頭始端位置，只缺一邊扇形（即斜面起始點(diǎn)）。 rhr /)2(s in ， 3020/)3040(s in 1 ， 1 203090 ，由式（ 4 37）直接計(jì)算 2XX JJ 得： 22 1 5 2 4 5240s i n1801202220 mmA mmy d 428.3240s i n1801202120s i n2034 3 24 4 2 8.31 5 2 4 52 4 0co s2 4 0s i n1 8 01 2 02820 XJ 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 44 14.3 6 4 8 086.5 2 2 5 94 3 3.01 8 8.4820 mm mmyre d 8 5 2.164 2 8.320 374.2 1 6 4852.16/14.3 6 4 8 0 mmW 如果按矩形近似計(jì)算： mmrb 45.264.41s in202s in2 433 5.5 9 5 1 212 3045.2612 mmbhJ X 322 5.3 9 6 76 3045.266 mmbhW 表 4 4 閥桿頭部截面力學(xué)性能 由表 4 4知，可以用矩形近似計(jì)算，在本節(jié)中用截面的 XJ 和 W 進(jìn)行計(jì)算更接近實(shí)際狀況。 （ 2） 抗彎強(qiáng)度 閥桿頭部受力可近似為懸臂受集中負(fù)荷hN，如圖 4 6所示，hN由式（ 4 18）確定，而計(jì)算受力矩離 l 應(yīng)選擇在閥門(mén)完全關(guān)閉狀態(tài)下hN力作用點(diǎn)，距斜面起始點(diǎn)約為 l =20mm（即大于或等于 2/3 斜面長(zhǎng)度位置），由式（ 4 30），命 c=l 得： W lN hm ax （ 4 39） 式中： 材料許用應(yīng)力，閥桿材料 38CrMoALA， =260Mpa M p a9.32674.2164 206c o s/3 5 1 93m a x （ 3）閥桿頭部剛度計(jì)算 按圖 3 5所示受力狀態(tài)，在閥桿頭的撓度maxy和變形角度max 截面 )( 4mmJ X )( 3mmW 截面（對(duì)稱于桿軸線） 19995.596 1333.04 截面（斜面起始點(diǎn)） 36480.14 2164.74 近似矩形 59512.5 3967.5 力 學(xué) 性 能 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 yEJlNyxh 3 3m a x （ 4 40） xhEJlN2 2m a x （ 4 41） 對(duì)于一般傳動(dòng)軸來(lái)說(shuō)， ly )0 0 0 5.00 0 0 3.0( ，在軸承出 001.0 （弧度） mmymmy 01.00 0 1 2 2.014.3 6 4 8 0101.23 203 5 1 9 3 5 3m a x 0 0 1.00 0 0 9 8.014.3 6 4 8 0101.22 203 5 1 9 3 5 2m a x mm 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 第 5 章 工作能力校核 5.1 工作壽命 此處工作壽 命系指操縱閥桿部件部分，根據(jù)前述計(jì)算知，球閥銷軸接觸強(qiáng)度較大，是該部件的薄弱環(huán)節(jié)，它又是閥桿運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵部位，因此壽命取決于它。 通常接觸疲勞極限試驗(yàn)循環(huán)基數(shù)不應(yīng)小于 5105 次，因此實(shí)際材料疲勞循環(huán)次數(shù)hn為： mhmhnn 00 （ 5 1） 式中： 0 接觸疲勞許用極限應(yīng)力， Mpa 0n 接觸疲勞許用極限應(yīng)力時(shí)的循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)， 70 105 n 次 h 接觸應(yīng)力， Mpa m 指數(shù)， m=3 由第三部分四節(jié) 2項(xiàng)知： 2 3 0 1 . 7 9h M p a ，略高于許用 0 0.07%，可以使用，將h、 0代入式（ 5 1）得： 3772300 5 1 0 5 . 0 1 2 1 02 3 0 1 . 7 9hn 次 考慮到實(shí)際材料硬度可能變化，及沖擊負(fù)荷，實(shí)際壽命0hn nnn hh /0 （ 5 2） 式中： n 安全系數(shù)（考慮實(shí)際材料硬度變化，及負(fù)荷變化），取 n=4，770 5 . 0 1 2 1 0 / 4 1 . 2 5 3 1 0hn 次 因此預(yù)計(jì)工作壽命 610 次以上。 5.2 實(shí)際工作壓力的潛力估計(jì) 5.2.1 閥體壁厚承壓能力 閥體實(shí)際壁厚 mm25 ， 按第四強(qiáng)度理論計(jì)算 CpPD L 3.2 m a x 或 CDCp Lm a x3.2 （ 5 3） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 式中：maxD 閥體中腔最大內(nèi)徑， mm P=PN，公稱壓力， Mpa C 附加量， mm L 材料許用拉應(yīng)力， Mpa 在本結(jié)構(gòu)中maxD=210mm， =25mm， C=4mm，材料 WCB， L=87Mpa，由式（ 5 3）得到： m a x2 . 3 2 . 3 8 7 ( 2 5 4 ) 1 8 . 22 1 0 2 5 4Lcp M p aDc 按壁厚容器公式計(jì)算 CKD )1(2 0m a x ，其中： pK 30 因而： 2m a x2m a x1)(211)(23DcDcp （ 5 4） 式中： 材料許用應(yīng)力， Mpa，取bbn 和SSn 兩者中較小值，通常 bn =4.25，Sn=2.3。材料 WCB， M p an bb 11 425.448 5 或 M p an SS 10 93.225 0 ，選取 Mpa109 ，由式（ 5 4）得： M p ap 2.191210425211210)525(2310922 美國(guó)計(jì)算方法 2.125.1 CpK pDK Ini 5434CDKCpni （ 5 5） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 式中：nD 公稱通經(jīng)， mm iK 壁厚系數(shù)，當(dāng) PN=2Mpa , iK=0.3， PN 5Mpa，iK=1.0 許用應(yīng)力，通常取 =118Mpa C 附加裕量， AP1600 中， C =6.3mm， ANS/B16.34 中 C =6.3mm 當(dāng) mmDn 125， 1iK， C =6.3，按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) =118Mpa，由式（ 5 5）得：M p ap 02.21)3.626(54125)3.625(11834 當(dāng) mmDn 125， 1iK， C =2.5mm，選用 WCB， =87Mpa，可得： M p ap 3.18)5.225(54125)5.225(8734 由以上計(jì)算表明閥體可能承受 16Mpa 級(jí)壓力。 5.2.2 閥體與閥蓋連接螺栓 螺栓截荷 PF pbmDDb m pDpDF IIiIP 28.6785.028.6785.0 22 （ 5 6） 式中： b 密封墊片寬度， mm，在本課題中 b=15mm M 密封墊片壓緊系數(shù)，選用石棉 XB350， m=2 ID 接口內(nèi)徑， mm 原結(jié)構(gòu)緊固螺栓承壓能力 緊固螺栓數(shù)為 Z，螺栓有效工作面 LA ，其承載能力為： bPL FZA ，由式（ 5 6）知 bmDDZApiIbL 28.6785.02 （ 5 7） 式中： b 抗拉許用強(qiáng)度， Mpa 找閥門(mén)設(shè)計(jì)資料 4，選用材料 40Cr， M16 螺栓， b =257Mpa（偏于保守），西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 而 M16 螺栓，LA=144.1mm，當(dāng)ID=205mm 時(shí)， Z=8 由式（ 5 7）得： M p ap 137.421520528.6205785.0 2571.1448 2 如果要提高緊固螺栓處承載能力，必須增加緊固螺栓數(shù) Z。 按油缸設(shè)計(jì)推薦方法計(jì)算螺栓承載能力 為了增加緊固螺栓數(shù)量 Z，提高承壓能力，改進(jìn)許用應(yīng)力選擇方法，而采用油缸設(shè)計(jì)中螺栓強(qiáng)度計(jì)算方法，在螺栓處得合成應(yīng)力為n為： Sn 3.13 22 其中拉應(yīng)力ZAKFLP，螺紋處剪應(yīng)力 47.0 負(fù)載 PF 由式（ 4 6）確定，因此可得： bmDDKZApIISL 28.6785.03.12 （ 5 8） 式中： K 扭緊螺紋的系數(shù) K=1.25 1.5 S 許用應(yīng)力， Mpa, S =SS n/，S 材料的屈服極限，Sn安全系數(shù)，Sn=1.2 2.5。 當(dāng)選用 40Cr ，S=720Mpa， Z=16， M16 螺栓， LA =144.1mm，取 K=1.25，由式（ 4 8）得： 21 6 1 4 4 . 1 6 0 0 1 1 . 8 91 . 3 1 . 2 5 0 . 7 8 5 2 0 5 6 . 2 8 2 0 5 1 5 2p M p a 當(dāng)螺栓數(shù) Z=16， 40Cr， M16 螺栓，可增大承載到 11.89Mpa 壓力。 螺栓在法蘭上布置間距 S應(yīng)為： SZDS S （ 5 9） 式中：SD 螺栓分布直徑， mm Z 螺栓數(shù) S 螺栓布置允許最小間距， mm M16 螺栓允許最小間距 S =38mm,Z=16，SD=225mm，由式（ 5 9）得： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 mmSmmS 382.4416 225 螺栓間距與螺栓直徑之比為： BSZdDi （ 5 10） 式中：Bd 螺栓公稱直徑， mm 通常為了保證密封性和安裝工藝性，要求 PN 2.5Mpa 時(shí)， 2.7i5， PN 4Mpa時(shí)， 2.7i4。 當(dāng) M16 螺栓 Z=16，SD=225，由式（ 5 10）得 76.21616 225 i ，符合要求。 因此可以認(rèn)為，再原閥體與閥蓋連接處增加同尺寸 M16 螺栓至 16 個(gè)，可以增加承載能力，在結(jié)構(gòu)布置上是可能得，并且工藝上是可行的。 5.2.3 閥蓋連接法蘭承載能力 負(fù)荷公式（ 5 6）的修正 由于討論問(wèn)題是由額定壓力 4Mpa 的閥門(mén)具有多大升高（承載）壓力能力，當(dāng)閥蓋按 PN=4Mpa 要求安裝于閥體上后，如果實(shí)際工作壓力高于 PN=4Mpa 時(shí)，依靠液體實(shí)際壓力，壓迫閥蓋與閥體間密封墊片作微小變形，使密封區(qū)壓力上升，因而此時(shí)閥蓋法蘭處受壓的負(fù)荷不應(yīng)再按式（ 5 6）表述，應(yīng)近似為： pbDpbDF iiP 22 2785.024 （ 5 11） 式中： MpaPNp 4 的實(shí)際工作壓力， Mpa iD 內(nèi)孔直徑 ， mm， b 密封墊寬度， mm 圓環(huán)伴公式近似估算 按第四強(qiáng)度理論： 22221rttr 根據(jù)外圓周固定的圓環(huán)板（圖 4 1）的計(jì)算公式知： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 圖 5 1 連接法蘭受力圖 在圓環(huán)板外周（即 R 處），徑向應(yīng)力21 hFB Pr ，環(huán)向應(yīng)力22 hFB P，軸向應(yīng)力 0t，式中 h 為板的厚度（即法蘭厚度）， mm 因而由式（ 4 11）及上式可得： 21222122785.0 BBBBbDhpi （ 5 12） 當(dāng) r=195/2(即密封墊外半徑 )， R=225/2(螺栓分布半徑 )， R/r=1.154 時(shí)，根據(jù)資料 5 146.01 B ， 044.02 B ，材料 WCB， Mpa109 ， b=15mm，iD=205,h=30mm，由式（ 4 12）得： M p ap 28.6044.0146.0044.0146.0152205785.0 30109 2222 油缸頭部法蘭厚度公式估算 法蘭厚度 0 04r bFh P，由式（ 5 11）得 PF ，代入式中得： 02202 bbDhrp （ 5 13） 式中：0r 法蘭外圓半徑， mm，見(jiàn)圖（ 5 2） 0b 螺栓中心至閥蓋頭部外圓根部距離， mm，（見(jiàn)圖 5 2） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 圖 5 2 連接法蘭螺栓的距離 當(dāng) mmr 5.1272/2550 ， mmb 152/)1 9 52 2 5(0 ， mmD 1651 mmb 15 ， mmh 24 時(shí)， Mpa109 由式（ 5 13 ）得： M p ap 099.1515152205 301095.127 22 由以上計(jì)算結(jié)果估計(jì)，閥蓋厚度偏小，有可能承受壓力不足 16Mpa。 5.2.4 閥桿頭部承載能力 在規(guī)定流動(dòng)方向上閥桿頭部受力狀況 根據(jù)式（ 4 1），（ 4 2）及（ 4 25） 式得： LapDRN Ah c o s7 8 5.0c o s2 ，當(dāng) 6 ， 90a , 157L 時(shí) pDN h 24.0 （ 5 14） 式中： D=DN 在本課題中 D=125mm 許用強(qiáng)度條件下，承載能力 由式（ 4 39）可得： lDWp24.0 （ 5 15） 當(dāng)材料為 38CrMoALA ， Mpa260 ，在常溫下 Mpa295 mml 20 ,W=1952.096 3mm ，由式（ 5 15）得： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 M p ap 1 09.5201 254.0 74.2 16 42 95 2 如果仿活塞桿強(qiáng)度計(jì)算條件，許用應(yīng)力 SS n/ ，Sn=24，當(dāng)選用38CrMoALA，在常溫下 Mpab 1000， MpaS 850， M paS 4 2 52/8 5 0 ，在相同條件下，由式（ 5 15）得： Mpap 4.10 ，如果再提高使用壓力 p，按式（ 4 19）計(jì)算，當(dāng) p=16Mpa 時(shí)， M p aM p aSm an 8 5 06 5 5 ，在材料屈服極限范圍內(nèi)，約為 77%S左右（即 3/4 左右）。 剛度條件下承載能力 根據(jù)式（ 5 14）及（ 4 40）和（ 4 41）得： 撓度： 324.03 lD yEJp （ 5 16） 轉(zhuǎn)角： 224.02 lDEJp （ 5 17） 如果適當(dāng)允許增大 y =0.03mm， 414.36 480 mmJ ， MpaE 5101.2 ，由式（ 5 16）得： M p ap 3.15201 2 54.0 14.3 6 4 8 003.0101.23 325 如果考慮到 003.0 弧度（即 0.17），由式（ 5 17）得： M p ap 38.18201254.0 14.3 6 4 8 003.0101.22 225 由以上計(jì)算可以看出，只要允許增大許用撓度 y 和轉(zhuǎn)角 ，閥桿頭部受力后仍在材料屈服極限范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的彈性變形，不會(huì)出現(xiàn)折斷或永久變形等破壞現(xiàn)象，承壓能力可達(dá) 16Mpa 左右。 5.3 壽命和實(shí)際工作潛力估計(jì) 5.3.1 壽命估計(jì) Q41Y 40 型軌道式球閥的啟閉裝置在工作中受沖擊負(fù)荷幾率 很小，主要式個(gè)別件材料接觸應(yīng)力較大，易產(chǎn)生疲勞破壞。在啟閉閥門(mén)過(guò)程中閥桿頭部斜面與球閥兩柱銷接觸應(yīng)力較大，閥桿頭部斜面在移動(dòng)中與柱銷（不能回轉(zhuǎn)）線（或面）接觸，易在柱銷上產(chǎn)生接觸疲勞損壞。柱銷損壞將直接影響球閥啟閉，它是影響西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文