球閥的設(shè)計與計算

1、球閥的設(shè)計與計算一、球閥的設(shè)計1.1 設(shè)計輸入即設(shè)計任務(wù)書。應(yīng)明確閥門的具體參數(shù)（公稱通徑、公稱壓力、溫度、介質(zhì)、驅(qū)動方式等），使用的條件和要求（如室內(nèi)或室外安裝、啟閉頻率等）及相關(guān)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)（產(chǎn)品的設(shè)計與制造、結(jié)構(gòu) 長度、連接型式、產(chǎn)品的檢驗與試驗等）1.2 確定閥門的主體材料和密封圈材料1.3 確定閥門承壓件的制造工藝方法1.4 確定閥門的總體結(jié)構(gòu)型式1. 對閥門結(jié)構(gòu)的確定：一般如果壓力不高,DN< 150時，可優(yōu)先采用浮動式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單如果浮動球式結(jié)構(gòu)滿足不了需要時，應(yīng)采用固定式結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)型式（如半球、撐開式）2. 對密封的材料的確定由于球閥的使用受溫度的影響很大，

2、因此，密封的材料的選定很關(guān)鍵： 對使用溫度< 300 C時，密封面材料可選擇塑料類材料（如聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、尼龍、對位聚苯） 當(dāng)使用溫度超過 300 C .或者介質(zhì)代顆粒狀時，密封面材料應(yīng)選金屬密封。3. 對球閥使用要求的確定主要確定，球閥是否具有防火.防靜電要求4. 對閥體型式確定由于球閥公稱通徑適用的范圍很廣，其閥體型式也較為多樣，一般分為以下三種： 整體式閥體一般用于DhK 50的小通徑閥門，此時，其材料多用棒材或厚壁管材直接加工擊來，而對口徑較大時，多采用二體式、三體式或全焊接結(jié)構(gòu) 二體式結(jié)構(gòu)由左右不對稱的二個閥體組成，多采用鑄造工藝方法 三體式結(jié)構(gòu)由主閥體和左右對稱的

3、二個閥體組成，可采用鑄造或鍛造工藝方法5 .閥門通道數(shù)量（直通、三通、四通）6.選擇彈性元件的形式1.5 確定閥門的結(jié)構(gòu)長度和連接尺寸1.6 確定球體通道直徑 d球體通道直徑應(yīng)根據(jù)閥門在管道系統(tǒng)中的用途和性質(zhì)決定，并要符合相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或用戶要 求。球體通道直徑分為不縮徑和縮徑二種：不縮徑：d等于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥體通道直徑縮徑：一般d=0.78相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥體通道直徑，此時，其過渡段最好設(shè)計為錐角過渡，以確保流阻不會增大。1.7 確定球體直徑球體半徑一般按 R= （0.750.95 ） d計算對小口徑R取相對大值，反之取較小值為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核Dm

4、in =瓦2 +d2 （mm，應(yīng)滿足 D > Dminmm式中：Dmin :球體最小計算直徑（mm, D2 :閥座接觸面外徑（mm）, d:球徑通道孔直徑（D：球體實際直徑（mm二、球閥的計算2.1 壁厚的確定見閘閥相應(yīng)的計算2.2 球體與閥座之間比壓的計算式中：qMF :密封面上的必須比壓（ MPa 可根據(jù)工作壓力來計算，qMF =1.2 P （適用于中低壓通徑不大場合） 由試驗得出的經(jīng)驗公式計算：qM F=m(a cp、/b式中：m:與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)對常溫液體：m=1對常溫油品和空氣、蒸汽以及高于100C的液體：m=1.4對氫、氮及密封要求高的介質(zhì)：m=1.8a, c：與密封面材

5、料有關(guān)的系數(shù)，見表所示蜜封面材料ac鋼、硬質(zhì)合金3.51聚四氟乙烯、尼龍1.80.9銅、鑄鐵3.01中硬橡膠0.40.6軟橡膠0.30.4p :流體的工作壓力（MPa,設(shè)計給定b:密封面在垂直于流體流動方向上的投影寬度b=t cos 平 （mmt :密封面寬度（mm,設(shè)計給定U :密封面法向與流道中心線的夾角q :球閥密封比壓（MPa 對浮動球閥：（見圖示）(DMW ' DM N )p q 4(Dmw -Dmn)式中：Dmw :閥座密封面外徑（mm設(shè)計給定Dmn :閥座密封面內(nèi)徑（mm設(shè)計給定 p :介質(zhì)工作壓力（MPa 對進口密封的固定球閥（見圖示）進口密封固定球球閥結(jié)構(gòu)222P（D

6、jh -0.6 Dm n -0.4Dmw）q =8 Rh cos '式中：Djh:進口密封座導(dǎo)向外徑（mm 設(shè)計給定R:球體半徑（mm設(shè)計給定h:密封面接觸的寬度在水平方向的投影（mmh = " 1i式中12 , 11 ：球體中心至密封面的距離（ mm見圖示 其它密封球閥，略q:密封面材料的許用比壓 MPa 查下表密封面材料的許用比壓q密封面材料材料硬度q MPa密封面間無滑動密封面間有滑動黃銅CuZn40Pb2 CuZn38Mn2Pb2 CuZn38HB 80 958020CuZn16Si4HB 95 11010025青銅CuAL10Fe3HA 1108025CuAL10F

7、e3Mn2 CuAL9Fe4Ni4Mn2HB 120 17010035奧氏體不繡鋼1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2TiHB 140 17015040馬氏體不繡鋼2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2HB 200 300HR 35 4025045氮化鋼35CrMoAA 38CrMoAlAHv 800 100030080堆焊合金TDCoCr1-xHR 40 4525080TDCr-Ni (含 Ni)HB 280 32025080中硬橡膠54F-4SFB-1, SFB-2, SFB-3SFBN-1, SFBN-2 SFBN-32015尼龍4030注：鋼和銅合金的牌號對于鑄態(tài)和堆焊均適

8、用。2.3 球閥的轉(zhuǎn)矩計算2.3.1 浮動球閥總轉(zhuǎn)矩計算浮動球閥中，所有載荷由介質(zhì)出口的閥座密封圈承受，總轉(zhuǎn)矩由下式計算Mf = M Qz + M FT + Mmj式中：Mqz：球體在閥座中的摩擦力矩2.Mqz =(N mm二 Dmw Dmn F E 1 cos *32 cos '式中：f :球體與閥座的摩擦系數(shù)對聚四氟乙烯：對增強聚四氟乙烯：對尼龍:f=0.05f=0.08 0.15f=0.1 0.15其它符號：同前Mft：填料與閥桿的摩擦力矩對聚四氟乙烯成型填料M FT = 0.6 n gf 遂重幽 F 甲 (N mm式中：f :閥桿與填料的摩擦系數(shù)。f =0.05h:單圈填料與閥

9、桿的接觸高度(mm設(shè)計給定Z：填料圈數(shù)設(shè)計給定dF：閥桿直徑(mm設(shè)計給定p：計算壓力(MPa設(shè)計給定對橡膠O型圖:1.2Mft=jidF 某(0.33 十0.92 fo§dogp)(N mm2式中：Z:。型圈個數(shù)，設(shè)計給定fo：橡膠對閥桿的摩擦系數(shù)。do: O型圈的橫截面直徑(Mmj：閥桿臺肩與止推墊間的摩擦力矩fo =0.3 0.4mm 設(shè)計給定二2M MJ = f (Dt dF) P 64式中:f :摩擦系數(shù)Dt：臺肩外徑或止推墊外徑.按材料同前面規(guī)定選取選二者中小者(mm設(shè)計給定2.3.2 固定球閥總轉(zhuǎn)矩計算在固定球閥中，球體受到的作用力完全傳遞到支撐軸承上 對進口密封的固定

10、球閥，其總轉(zhuǎn)矩計算：M F =M QZ M ft M ZC - M MJ式中：Mqz：球體在閥座中的摩擦力矩M QZ = M QZ1 M QZ2式中：Mqzi：由閥座對球體的予緊力產(chǎn)生的摩擦力矩'22、MQZ1= (Dmw Dmn )(1 +cos 平)qM 度賽(N mm4式中：qM :最小予緊比壓(MPa)?。簈M =0.1P但不應(yīng)小于 2 MPa其它符號的選取見前面規(guī)定MQZ2 :由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩QZ2N mm=,中二f R(Djh2 0.5Dmn2 0.5Dmw2)(1 cos )8 cosMft :填料與閥桿的摩擦力矩（Nmm見浮動球閥計算Mzc :軸承中的摩擦力

11、矩M ZC = f z Eqj Q ZJ(N mm式中：fz：軸承的摩擦系數(shù)對塑料制的滑動軸承對滾動軸承dQj :球體軸頸直徑（fz按f選取fz =0.002mm設(shè)計給定，對滾動軸承，dQj=軸承中徑Qzj :介質(zhì)作用球體軸頸上的總作用力2Qzj )(N)8Mmj :閥桿臺肩膀與止推墊間的摩擦力矩整體Mmj =0）（此項僅用上閥桿與球體分開時的結(jié)構(gòu)，對二_3_，一、M MJ = 曾（Dt +d）字（N mm642.4 閥桿強度計算2.4.1 浮動球閥桿的強度計算1、閥桿與球體連接部分的計算：閥桿與球體接觸按擠壓計算，見圖示-M qzCZY2 W czy0.12 a h式中：a：見圖示（mm設(shè)計

12、給定；h:閥桿頭部插入球體的深度，（mm, 一般取h= （1.82.2 ） a,正方形時，a改為b。注意：h不要取的過大，否則球體活動性減小。czy:球體材料的許用擠壓應(yīng)力（ MPa對奧氏體不銹鋼：當(dāng)Ob< 600 MPa時，取（zy=122 MPa或按下式計算：CZY= - 一-（Ob： 材料的抗拉強度）462、閥桿頭部強度校核I-I斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力:0 =M Qz/ W 初W式中：Mqz :球體與閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩（ N mm見前面W : I - I斷面的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)見圖示對正方形斷面： W （ mrri）4 8對近似矩形斷面：W=0.9oba （mm）式中:a值根據(jù)b/a按表

13、選取b/a與a的關(guān)系表b/a1.01.21.52.02.53.04.06.08.00.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307tn；材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa，查資料1表3-7口-n斷面處的剪切應(yīng)力.,(216 dFH式中：Dt :閥桿頭凸肩的直徑（mm設(shè)計給定dF :閥桿直徑（mm設(shè)計給定H :閥桿頭凸肩高度（mm設(shè)計給定p :計算壓力（MPa材料的許用剪切應(yīng)力（MPa，查資料1表3-7 m-m斷面處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力TN ,習(xí)TN式中：Mf :浮動球閥總轉(zhuǎn)矩（Nmm,見7-3-1節(jié)。W : m - m斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)（mm）W= dF3n:材料的許

14、用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa，查資料1表3-7 W-W斷面處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力_ m F迥-/W -迥式中：Mf ：浮動球閥總轉(zhuǎn)矩（Nmm,見7-3-1節(jié)。W : IV -W斷面處的抗扭斷面系數(shù)（mm）對正方形和矩形斷面，按I- I斷面的原則計算。tn:材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa，查資料1表3-72.4.2 固定球閥閥桿強度計算結(jié)構(gòu)為上閥桿代 O型圈密封的強度計算見圖示1. I-I斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：'N =M Q/W V訕式中：Mqz:球體與閥座密封面之間的摩擦轉(zhuǎn)矩（Nl- mm見7.3.1節(jié)W: I - I斷面處的抗扭系數(shù)W _，d_b 上 d1 -t 2.162d1式中：n：鍵的數(shù)量 設(shè)計給定b, d

15、1, t:見圖示（mm 設(shè)計給定2.3.4.n:材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa查資料1表3-7n - n斷面處剪切應(yīng)力： 按浮動球n -n斷面公式計算 m - m斷面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力m F -M FT=工 < nWMf :固定球閥的總轉(zhuǎn)矩（Nmm見7.3.2Mft :閥桿與填料之間的摩擦轉(zhuǎn)矩（W: m - m斷面處的抗扭斷面系數(shù)（ 計算方法，同上述n:材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（mp W- W斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力N式中:N mm 見 7.3.2 mrri)查表同上述Mf/, V n式中：Mf , n同上述W : IV - W斷面處抗扭斷面系數(shù)（ mmii對正方形、矩形，鍵連接的 W按上述方法計算。對花鍵連接：

16、42Ttd + bz （ D - d ）（D + d ）16 D式中：Z:花鍵齒數(shù)設(shè)計給定其余符號：見圖示2.5 閥桿連接件（平鍵或花鍵）的強度計算2.5.1 平鍵的強度計算1. 平鍵的比壓計算2TP =nd 1KL< I.P 1式中：T:轉(zhuǎn)矩（N mmT = MfT = Mqz對于閥桿手柄或驅(qū)動裝置連接部分：對于閥桿與球體連接部分：n:鍵數(shù)設(shè)計給定K、d1 :如圖所示（mm設(shè)計給定L:鍵的工作長度（mm設(shè)計給定P:許用比壓（MPa 查下表平鍵連接的日與3值（MPa許用值連接工作方式輪轂材料載荷情況平穩(wěn)輕微沖擊沖擊P固定連接鋼12515010012060 90鑄鐵70 8050 6030

17、 45導(dǎo)向連接鋼5040301209060注：對于被連接件表面經(jīng)過淬火的導(dǎo)向連接,P值可提高23倍2. 平鍵剪應(yīng)力計算2TT =式中：T：轉(zhuǎn)距，同前計算（Nmmu：載荷分布不均勻系數(shù)，一般取Z:花鍵齒數(shù)h:花鍵齒的工作高度（mmdm :花鍵的平均直徑（mm）nd 1bL式中：T,d1,L, n：與前相同b:如圖所示（mm設(shè)計給定a:許用剪切應(yīng)力（MPa ,按上表查取2.5.2 花鍵連接的強度計算_ 2T：Zhd mLu=0.7 0.8D - d對矩形化鍵：h:= - 2C2式中：C:倒角寬度（mm設(shè)計給定 Dd對矩形化鍵:dm =L :花鍵的工作長度（mm設(shè)計給定P:許用比壓（MPa 查下表花

18、鍵聯(lián)接的許用比壓（MPa聯(lián)接工作方式使用和制造情況P齒面未經(jīng)熱處理齒面經(jīng)熱處理不良35 5040 70固定聯(lián)接中等60 100100140良好80 120120200不良15 2020 35不在載荷作用下中等20 3030 60移動的滑動聯(lián)接良好25 4040 70不良310在載荷作用下515中等移動的滑動聯(lián)接良好10 20注：i.使用和制造情況不良系指受變載、有雙向沖擊、振動頻率高和振幅大、潤滑不好（對滑動聯(lián)接）、材料硬度不高和精度不高等。 2. P的較小值用于工作時間較長、載荷變化較頻繁或較重要的場合。2.6 法蘭的計算2.6.1 法蘭螺栓載荷的計算對球閥法蘭螺栓計算，當(dāng)采用塑料密封圈時，

19、由于閥門的使用溫度300Co此時，只計算常溫下的螺栓載荷。球閥法蘭的受力不同于閘閥法蘭，因為球閥法蘭不僅要承受流體靜壓力產(chǎn)生的軸向力從而使， 法蘭分開的載荷以及確保法蘭間足夠的密封壓緊力，同時還要承受球體與閥座密封圈之間的密封力 作用。1. 正常使用條件下螺栓的載荷計算Qlzi =Qdj +Qdf +Qdt +Qmf（N）式中：Qdj:墊片處介質(zhì)作用力（N）3T Qdj = DDP -P 4式中：符號按閘閥相應(yīng)規(guī)定Qdf：墊片上的密封力（N）Qdf =2 二-Ddp Bn Hdp -P式中：符號按閘閥相應(yīng)規(guī)定QDT=0DJ式中：Y:系數(shù)對固定法蘭取Y = 0.2Qmf：球體與密封圈之間的密封力

20、（N）4、iE Fm j對浮動球閥和固定球閥分別按下面公式計算：_ :2對浮動球閥：Qmf = Dmn +Dmw P+ 工尚16DmnDmw tg -2f式中：Dmn :閥座密封面內(nèi)徑（mm設(shè)計給定Dmw :閥座密封面外徑（mm 設(shè)計給定E :閥座材料的彈性模數(shù)（MPa ,對聚四氟乙烯：E=470-800 MPa對尼龍：E=1500MPa&:閥座安裝間隙（mm & = Dmn +Dmw MJ 4E式中：mj:在彈性范圍內(nèi)的密封圈橫截面的許用應(yīng)力對4 F： （mj=8.0 MPa,對尼龍wj=20MPaFmj :閥座的橫截面積（mrm）,由閥座的結(jié)構(gòu)特點確定 U :見前面f :摩

21、擦系數(shù)，按 7.3.1選取 對進口密封固定球閥：Qmf =" P （Djh2 0.4 Dmw2 0.6 Dmn'）42. 預(yù)緊條件下螺栓的載荷計算預(yù)緊螺栓承受的載荷 QLZ2Qlz2 =，wBnDnpY QMy （N）式中：Bn：墊片的有效密封寬度（mm 查資料1表3-23DDp :載荷作用處墊片的平均直徑（ mm設(shè)計給定qYj：墊片或法蘭接觸面上的預(yù)緊比壓（ MPa 查資料1表3-24 QMy：球體與密封圈之間的預(yù)緊力（N）22QMy = 4（DMW DMN 闋 M式中：qM：最小預(yù)緊比壓 按7.3.2選取3. 法蘭螺栓的強度計算L 二室土 1Fl式中：Qlz取QLZ1和Q

22、lz2的較大值Fl：螺栓承受應(yīng)力下的最小總截面積（mrli）ol:螺栓在常溫下的許用拉應(yīng)力（ MPa 查資料1表3-92.6.2 法蘭的強度計算1. 法蘭力矩的計算作用法蘭上的總力矩MzM z = QNJ 音 1 +（ D DJ D NJ 籽2 +Q D 曾 3 （N , mm）式中：Dnj：法蘭內(nèi)徑面積上的介質(zhì)靜壓力（N）式中:二.2Q NJ = -D N P 4Dn:法蘭內(nèi)徑 （mm 設(shè)計給定式中：p：計算壓力（MPa設(shè)計給定Qdj：墊片處介質(zhì)作用力（N）冗Qdj = D dp P4Ddp :墊片的平均直徑（mm 見圖示，設(shè)計給定Qd :墊片載荷(NNQd =Dlz -Qdj式中：Qlz

23、:法蘭螺栓的計算載荷，見 7.6.1節(jié)11, 12, 13：分別為 Qdj ,(Qdj Qnj W Qd 的力臂(mm1.llD1 -D2-S2D】-Dn -Ddp42 2. 法蘭強度計算1) 法蘭頸的軸向彎曲應(yīng)力(W1f M zW1=2- - W J -Sm 以2) 法蘭盤的徑向彎曲應(yīng)力(W2、一 二1.33" 1 ,W22W P x:h %3. 法蘭盤的環(huán)向彎曲應(yīng)力(W3W3*-W2以上公式各符號定義和數(shù)值，見閘閥 7.6.4常溫法蘭的強度計算。2.7 填料壓蓋的強度計算見閘閥7.10內(nèi)容2.8 彈性元件的計算2.8.1 彈性元件的作用為了增加預(yù)緊比壓或提高低壓使用時的密封性。2.8.2 彈性元件的類型1. 圓柱螺旋彈簧2. 碟形彈簧3. 平板彈簧2.8.3 彈性元件的強度計算1. 圓柱螺旋彈簧其計算方法按GB 1239-89圓柱螺旋彈簧技術(shù)條件的規(guī)定2. 碟形彈簧其計算方法按 GB 1972-80碟形彈簧標(biāo)準(zhǔn)中的附錄規(guī)定3. 平板彈簧下面介紹的計算方法是根據(jù)平板力學(xué)理論推導(dǎo)的公式，其邊界條件與實際結(jié)構(gòu)有些差異。因此,對于大口徑球閥