球阀毕业设计说明书.doc

武汉理工大学毕业设计 论文 摘要摘要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 1 1 绪论绪论 1 1 1 11 1 球阀发展历史球阀发展历史 1 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 1 31 3 本文研究的主要内容 方法和目标本文研究的主要内容 方法和目标 2 2 2 球阀的结构设计及校核球阀的结构设计及校核 3 3 2 12 1 球阀的构成 作用原理 特点和结构分类球阀的构成 作用原理 特点和结构分类 3 2 1 12 1 1 球阀的构成球阀的构成 3 2 1 22 1 2 球阀的作用原理球阀的作用原理 3 2 1 32 1 3 球阀的特点球阀的特点 3 2 1 42 1 4 球阀的结构类型球阀的结构类型 3 2 22 2 球体的直径确定球体的直径确定 4 2 32 3 球体与阀座之间密封比压的确定球体与阀座之间密封比压的确定 4 2 3 12 3 1 必需比压的计算必需比压的计算 4 2 3 22 3 2 需用比压选择需用比压选择 5 2 3 32 3 3 设计比压的计算设计比压的计算 5 2 42 4 球阀密封力的计算球阀密封力的计算 7 2 52 5 球阀的转矩计算球阀的转矩计算 8 2 62 6 阀体设计阀体设计 9 2 6 12 6 1 阀体结构形式 连接形式 结构长度和材料的确定阀体结构形式 连接形式 结构长度和材料的确定 9 2 6 22 6 2 阀体壁厚的确定阀体壁厚的确定 10 2 6 32 6 3 阀体法兰设计阀体法兰设计 10 2 6 42 6 4 阀体法兰校核阀体法兰校核 11 2 72 7 阀杆的设计和校核阀杆的设计和校核 14 2 7 12 7 1 阀杆材料选择阀杆材料选择 14 2 7 22 7 2 阀杆填料的选择 填料摩擦力及摩擦转矩的计算阀杆填料的选择 填料摩擦力及摩擦转矩的计算 15 2 7 32 7 3 阀杆强度的计算阀杆强度的计算 16 2 82 8 阀杆连接件的强度计算阀杆连接件的强度计算 18 2 92 9 球体的设计和校核球体的设计和校核 20 2 102 10 球阀的阀座设计球阀的阀座设计 21 2 112 11 省力机构的设计和校核省力机构的设计和校核 22 2 11 12 11 1 蜗轮蜗杆的设计蜗轮蜗杆的设计 23 2 11 22 11 2 蜗轮蜗杆的强度校核蜗轮蜗杆的强度校核 23 武汉理工大学毕业设计 论文 3 3 ANSYSANSYS 软件分析软件分析 2424 3 1ANSYS3 1ANSYS 软件的应用和介绍软件的应用和介绍 24 3 23 2 模型的导入和分析模型的导入和分析 26 3 2 13 2 1 模型的简化 导入和分析准备模型的简化 导入和分析准备 26 3 2 23 2 2 模型的材料定义模型的材料定义 27 3 2 33 2 3 模型的加载和边界条件的确定模型的加载和边界条件的确定 28 3 2 43 2 4 模型的加载后分析结果模型的加载后分析结果 29 3 2 53 2 5 ANSYSANSYS 结果分析结果分析 33 结结 论论 3434 参考文献参考文献 35 致谢致谢 36 武汉理工大学毕业设计 论文 I 摘要 本文根据已知的球阀设计经验对 DN 为 250mm 设计压力为 2Mpa 的球阀进 行设计 主要包括了材料选择 结构设计和强度校核等 在结构和材料方面在 满足强度的前提下 尽量降低结构的复杂性 以更小的消耗 更简单的结构来 实现成品的设计优化 同时对球阀的主要部件进行应力的软件分析 省力机构 作为设计任务的一部分 我们需要根据球阀的特点来选择合适的机构 本设计以已给的设计条件为着眼点 同时根据国家阀门标准为中心 借助 soliderworks 三维软件 AUTOCAD 二维制图软件和 ANSYS 分析软件根据球阀设 计手册的标准框架的结构形式对产品进行了三维建模 二维制图和应力分析 最终确定球阀的结构形式和省力开启方式 这对以后设计与研究同类球阀具有 一定的参考价值 关键词 结构设计 强度校核 应力分析 省力机构 武汉理工大学毕业设计 论文 II AbstractAbstract This article according to the known ball valve design experience to DN is 250mm the design pressure is the 2Mpa ball valve carries on the design mainly has included the choice of material the structural design and the intensity examination and so on In the structure and material aspect in satisfying under the intensity premise reduce the structure as far as possible the complexity by a smaller consumption a simpler structure realizes the end product design optimization simultaneously carries on the stress to ball valve s major component the software analysis The province strength organization does for a task of design part we need to choose the appropriate organization according to ball valve s characteristic This design takes the given design conditions as the objective point simultaneously according to the national valve standard is the center with the aid of the soliderworks three dimensional software and AUTOCAD two dimensional charting software and ANSYS analysis software has carried on the three dimensional modelling the two dimensional charting and stress analysis according to the ball valve design handbook s standard frame s structural style to the product finally determined that ball valve s structural style and province strength opening way this will have certain reference value to the later design and research similar ball valve Key words Structural design intensity examination stress analysis and reducing effort organization 武汉理工大学毕业设计 论文 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 球阀发展历史球阀发展历史 球阀是上世纪 50 年代问世的一种新型阀门 在短短的 30 多年里 球阀已 发展成为一种主要的阀类 它在航空航天 石油化工 长输管线 轻工食品 建筑等许多方面都得到了广泛的应用 早在 19 世纪 80 年代美国就开始设计球 阀 但是当时缺乏适当的密封材料 限制了求法的发展 使它未能成为一种正 式工业产品 直到上世纪 50 年代 聚四氟乙烯等弹性密封材料的出现才使球阀 的产生和发展出现了转机 同时由于机床工业的发展 使球体加工技术提高 能够实现球体所要求的尺寸精度与表面粗糙度 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 球阀是上世纪 50 年代问世的一种新型阀门 在短短的 30 多年里 球阀已 发展成为一种主要的阀类 它在航空航天 石油化工 长输管线 轻工食品 建筑等许多方面都得到了广泛的应用 目前球阀最大公称通径已达 3050mm 这 是美国 EscherWyss 公司为田纳西州的一个泵站所提供的四台球阀 用作透平机 出口的切断阀 设计压力为 4 8Mpa 球阀的最高工作压力已达 72Mpa 其相应 温度高达 1000 球阀不仅在一般工业管道上得到了广泛应用 而且在核工业 宇航工业的 液氧与液轻输送管线上普遍采用 全塑料球阀近年来发展较快 其特点是 耐腐蚀 重量轻 成本低 西德 一家阀门公司已制造通径为 6 的塑料球阀 美国 Hill Maccanng 公司制成一 种含氟材料球阀 商业名称为 Kynar 据称有高强度 优良的耐温与耐腐蚀性 能 使用温度为 250 同时随着时代的发展 进入 21 世纪以后 生产和制造技术有了显著优化提 高 同时 技术人员大都通过计算机技术对产品进行研发设计和控制优化 在 很大程度上提高了设计速度和更新周期 目前 全球的控制阎市场如同大部分工业品一样被三个经济体瓜分 分别 是美 国为代表的北美经济体 以德国 英国 法国为代表的欧盟地区 和以日本为 代表 的亚太地区 美国是全球最大的阀门供应商 其阀门协会有超过110家企业 年产值超过 武汉理工大学毕业设计 论文 2 40亿美元 1984年就在中国开展业务的FIS 玎讯控制阀由于进入中国较早 其 产品已经成为中国教科书的样板 德国在二战之后迅速恢复经济 其产品通过优良的质量迅速占领市场 德 国阀门企业一般都属于专业性很强的公司 在某一类产品的研究 设计和制造 方面都有自己的特色 日本作为世界第二经济体 其阀类产品由于价格适中 质量较好 迅速占 领了中国中低端市场 目前我国关于球阀的生产企业大多规模小 科研能力弱 大多通过参考外 国产品进行设计生产 其主要原因是技术投入资金不足 科研人员数量不足 所以在国内很多的大型工程招标中大多被外国阀门企业所垄断 1 31 3 本文研究的主要内容 方法和目标本文研究的主要内容 方法和目标 球阀作为新型的阀门品种之一 关于球阀的设计方案十分稀少 本文的主 要研究内容包括对球阀结构设计 球阀的设计要求保证合适的强度与刚度 从 而保证球阀的寿命和稳定性 本课题主要以 DN 为 250mm P 为 2Mpa 的球阀 进 行结构设计 强度校核 以及关键零部件的分析 同时进行三维建模 课题的 研究内容和方法主要包括 1 设计球阀结构并进行强度校核 通过设计手册对球阀的结构进行设计 主要包括阀体 阀杆 阀芯以及省 力机构的选用与设计 并对其受力分析 然后再确定材料后进行强度校核 2 建立球阀的三维模型 通过 soliderworks 三维软件对球阀零件进行实体建模 并进行装配 3 ANSYS 软件分析 对球阀的三维模型进行适当简化 忽略不受力的小零件 通过 soliderworks 和 ANSYS 的接口程序将实体模型导入 ANSYS 中 生成实体模型 然后选择单元划分网格 并根据工作条件对球阀施加约束 从而建立球阀的有 限元模型 武汉理工大学毕业设计 论文 3 2 2 球阀的结构设计及校核球阀的结构设计及校核 2 12 1 球阀的构成 作用原理 特点和结构分类球阀的构成 作用原理 特点和结构分类 2 1 12 1 1 球阀的构成球阀的构成 图 2 1 手动浮动球球阀结构 1 阀体 2 阀座 3 球体 4 阀杆 5 手柄 球阀主要由阀体 球体 阀杆 阀芯 阀座和省力机构等几部分主要零件 构成 下面对上述几个重要零件的设计进行设计计算 图 2 1 为球阀结构图 2 1 22 1 2 球阀的作用原理球阀的作用原理 球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体管道 即球阀通常为闭路阀 因此 球阀的作用原理很简单 借助驱动装置的在阀杆端施加一定的转矩并传 递给球体 使它旋转 90 球体的通孔则与阀体通道中心线重合或者垂直 球 阀便完成了全开或全关的动作 2 1 32 1 3 球阀的特点球阀的特点 球阀的主要特点如下 流体阻力小 开关迅速 方便 密封性好 寿命长 武汉理工大学毕业设计 论文 4 可靠性高 而且阀体内通道平整光滑适于输送粘性流体 浆液 以及固体颗粒 2 1 42 1 4 球阀的结构类型球阀的结构类型 按球体和阀体的不同结构形式 球阀可以分几大类 1 按球体的支撑方式分类 按球体的支撑方式 球阀可分为浮动球球阀和固定球球阀两大类 其中浮动 球阀的特点十分突出 主要有结构简单 制造方便 工作可靠 而固定球阀 的转矩小 阀座形变小 密封性能稳定 使用寿命长 适用于高压 大通径 场合 2 按球体的安装方式分类 按球体的安装方式可分为顶装式 底装式 侧装式和斜装式 本次球阀设计 选用了侧装法兰连接二分体式球阀 其特点是将阀体沿与阀门通道轴线相垂 直的截面分为不对称的左右两半 球体从截分面孔道装入 左 右两半阀体 用法兰连接的球阀 3 按球阀与管道的连接形式分类 按球阀与管道的连接形式可分为法兰连接球阀 内螺纹和外螺纹连接球阀 以及焊接连接球阀 其选用在阀体设计中有详细说明 2 22 2 球体的直径确定球体的直径确定 球体的直径大小影响球阀结构的紧凑性 应此应尽量缩小球体直径 球体 半径一般按 R d 计算 同时为保证球体表面能完全覆盖阀座密封面 9 0 75 0 选定球径后须按下式进行校核 2 2 2 2min mmdDD 1 必须满足 D min D 式中为最小球体直径 mm min D 阀座外径 mm 2 D d 球体通道孔直径 mm D 球体实际直径 mm 由上面可知可取球体直径 D 380mm mm 280 2 D 武汉理工大学毕业设计 论文 5 2 32 3 球体与阀座之间密封比压的确定球体与阀座之间密封比压的确定 2 3 12 3 1 必需比压的计算必需比压的计算 必需比压是为保证密封 密封面单位面积上所必需的最小压力 以表示 qb 由于流体压力或附加外力的作用 在球体与阀座之间产生压紧力 于是 必需比压式球阀设计中最基本的参数之一 它直接影响球阀的性能及结构尺寸 下面是由实验结果得出的计算公式 2 b cPa mqb MPa 2 式中 m 与流体性质有关的系数 a c 与密封面材料有关的系数 P 流体工作压力 b 密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度 t 密封面宽度 其中查表 2 1 可得 m 1 a 1 8 b 0 9 P 2Mpa b 将在下面中计算得出 表 2 1 密封材料 ac 钢硬质合金 3 51 铝 铝合金 聚四氟乙烯 尼龙 硬聚氟乙烯 1 80 9 青铜 黄铜 铸铁 3 01 中硬橡胶 0 40 6 软橡胶 0 30 4 2 3 22 3 2 需用比压选择需用比压选择 密封面单位面积上允许的最大压力称为需用比压 以表示 本此设计球 q 武汉理工大学毕业设计 论文 6 阀通过查询 球阀设计与选用 密封面材料许用比压表可知 选取尼龙 30Mpa q 2 3 32 3 3 设计比压的计算设计比压的计算 设计时确定的在密封面单位面积上的压力 称为设计比压 以 q 表示 选 择比压比应是密封可靠 寿命长和结构紧凑 必须保证 q 2 b q q 3 设计比压按图 2 2 中的力的平衡关系进行计算 2 S N q 4 式中 N 球体对阀座密封面的法向力 N 2 cos Q N 5 S 阀座与球体杰出的球星环带面积 S 2 r 21 LL Q 作用于阀座密封面上的沿流体方向的合力 密封面法向与流道中心线的夹角 R LL R K 2 21 cos 武汉理工大学毕业设计 论文 7 图 2 2 比压计算图 球体中心线执法作两段面的距离 mm 21 L L 4 4 2 1 2 1 DR L 4 4 2 2 2 2 DR L 阀座内径 1 D 发作外径 2 D 阀座平均直径 mm m D 2 21 DD Dm R 球体半径 mm 整理可得 2 2 1 2 2 4 DD Q q 6 由于球阀的密封力还未计算故需计算完 故在下节给出设计比压的计算结果 2 42 4 球阀密封力的计算球阀密封力的计算 武汉理工大学毕业设计 论文 8 为简化计算 往往忽略预紧力 阀座滑动摩擦力及流体静压力在密封 1 Q 2 Q 面余隙中的作用力 这样密封力仅等于流体静压力在阀座密封面上的作用力 J Q N 即 MJ Q 110 25KN 2 P DD 16 PD 4 2 21 2 m MJ QQ 7 将上式代入式 2 5 可得 2 P DD DD 4 q 12 12 q 8 可得 q 8 8 在球阀初步设计时 为了便于确定 b DN 及 P 的关系 设 q 代入DND 1 q 上式可得 mm P Pq DN b 4 2 9 由需用比压 30Mpa DN 250mm P 2Mpa 代入得 q b 2 54mm 代入式 2 2 可得显然满足26 2 b q q b q q 球阀密封力的精确计算还要计算预紧力 故可知 1 Q Q 2 1 Q MJ Q 10 预紧力计算公式如下 N 2 q 4 2 1 2 2min1 DDQ 11 式中 预紧所需的最小比压 Mpa min qPq1 0 min 阀座内径和外径 mm 1 D 2 D 武汉理工大学毕业设计 论文 9 可得 2 5KN 故 Q 112 75KN 1 Q 2 52 5 球阀的转矩计算球阀的转矩计算 由于本球阀为浮动球阀故其转矩计算公式如下 0 M 2 12 utm MMMM 式中 球体与阀座密封面间的摩擦转矩 m M 阀杆与填料之间摩擦转矩 m M 阀杆台肩与止推垫间的摩擦转矩 u M M 和的计算见 2 7 2 mu M 2 13 FrMm 式中 F 球体与阀座之间的密封力 N T NF cos Q N r 摩擦半径 球体摩擦半径计算图如图 2 3 所示 2 cos1 R r R 球体半径 mm 密封面对中心的斜角 球体与密封圈之间的摩擦系数 查表得 T 05 0 T 武汉理工大学毕业设计 论文 10 图 2 3 球体摩擦半径计算 则 N mm Tm QR M cos2 cos1 6 3 1029 1 05 0 713 0 2 713 0 1 1901075 112 xx x xx 2 62 6 阀体设计阀体设计 2 6 12 6 1 阀体结构形式 连接形式 结构长度和材料的确定阀体结构形式 连接形式 结构长度和材料的确定 1 首先确定阀体的结构形式 连接形式和结构长度 根据适用场合不同和 通径大小 常见阀体结构有以下几种 1 整体式阀体 DN 50mm 2 二分体式 阀体有左右两部分组成 通过螺栓将这两部分连接成一体 3 三分体式 阀体有三部分组成 这三部分是在阀座处沿着与通道向垂 直的界面而分隔开的 螺栓将这三部分连接成一体 通过老师给的设计条件 阀体的结构形式应当选二分体式 2 阀体与管道的连接形式主要有螺纹连接 法兰连接 焊接连接等三种 武汉理工大学毕业设计 论文 11 由结构形式的确定中可知 阀体连接选择法兰连接 3 根据所给的公称压力和公称通径来确定其结构长度 结构长度是指阀体通 道终端垂直于阀门轴线的两个平行平面之间的距离 由此根据已给条件可知结 构长度为 730mm 公差为 2mm 4 阀体材料的选用 根据球阀的常用工况和材料成本总和考虑选用 HT200 作为阀体材料 2 6 22 6 2 阀体壁厚的确定阀体壁厚的确定 球阀阀体常用整体铸 锻或者棒材加工而成 由于所给条件的工作压力属 于中低压 所以采用薄壁计算公式进行计算 计算公式如下 mm 2 CbSSb 14 mm 2 15 PL pc bS 2 12 32 1 式中 D 球阀内墙的最大直径 mm Sb 考虑附加余量的壁厚 mm 按强度计算的壁厚 mm bS P 设计压力 Mpa 材料许用拉应力 Mpa L C 附加余量 mm 将 D 430mm P 2Mpa 28Mpa 故可得 21mm 由 21mm 可知 L bS bS C 1mm 故阀体壁厚为 22mm 2 6 32 6 3 阀体法兰设计阀体法兰设计 1 法兰螺栓设计 按以下两种情况进行 1 操作情况 由于流体静压力所产生的轴向力促使法兰分开 而法兰螺栓必 须克服此种端面载荷 并且在垫片或接触面上必须维持足够的密紧力 以保证 密封 此外 螺栓还承受球体与阀座密封圈之间的密封力作同 在操作情况下 螺栓承受的载荷为 p W 2 QFFW pp 武汉理工大学毕业设计 论文 12 16 QmPbDD Gg 2785 0 2 式中 在操作情况下所需的最小螺栓转矩 N P W F 总的流体静压力 N PDF G 2 785 0 连接接触面上总的压紧载荷 N P FMPbGF GP 2 载荷作用位置出垫片的直径 mm 由阀体内部尺寸可知 G D 450mm G D m 垫片有效密封宽度 差表可知m 0 P 设计压力 Mpa Q 球体与阀座密封圈之间的密封力 N 见2 4 KNQ75 112 则将各项数据代入可得 KN 675 43075 11202450785 0 2 XXWP 2 预紧螺栓情况 在安装是须将螺栓拧紧而产生初始载荷 使法兰面压紧垫片 此外 螺栓还承受球体与密封圈之间的预紧力 在预紧螺栓时螺栓承受的载荷 为 a W 2 1G QYbD a W 17 式中 在预紧螺栓时所需的最小螺栓转矩 N a W Y 垫片或法兰接触面上的单位压紧载荷 Mpa 查表得Y 0 球体与密封圈之间的预紧力 由2 4可知112 75KN 1 Q 1 Q 则112 75KN a W 2 法兰螺栓拉应力的计算 2 LL A W 18 式中 法兰螺栓拉应力 Mpa L W 和两者中的大者 N p W A W A 螺栓承受应力下实际最小总截面积 武汉理工大学毕业设计 论文 13 螺栓材料在常温下的许用拉应力 Mpa 查表得 108Mpa L L 则A 12X3 14X 5425 92 2 12 2 mm 79 3 108Mpa L 92 5425 430675 L 2 6 42 6 4 阀体法兰校核阀体法兰校核 1 法兰力矩计算 在计算法兰应力时 作用在法兰上的力矩是载荷和他力臂 的乘积 力臂决定与螺栓孔中心圆和产生力矩的载荷的相对位置 见下图所示 图 2 4 整体法兰 作用于法兰的总力矩为 0 M 2 GGTTDD SFSFSFM 0 19 式中 作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力 N D F PDF iD 2 785 0 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 T F 之差 N 785 0 22 iGDT DDPFFF 用于窄面法兰的垫片载荷 G FFWFG 武汉理工大学毕业设计 论文 14 从螺栓孔中心圆至力作用位置处的径向距离 mm D S D F 1 5 0 SSD S 从螺栓孔中心圆至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离 2 1 2 ib DD S 20 法兰颈部大端有效厚度 mm 1 从螺栓孔中心至力作用位置处的径向距离 mm T S T F 2 1G T SS S 从螺栓孔中心至力作用位置处的径向距离 mm G S G F 2 Gb G DD S 法兰的内直径 mm i D 由所设计的球阀阀体可知 430mm i DmmDG450 mmDb520 mm20 1 mm f 36 mmSG35 mmST40 NxxFD2903002430785 0 2 NxFT26700 430450 2785 0 22 NFFF DT 317900 NFG113700 则法兰的总力矩为 0 M N mm 5 0 105244 1 1524400035113700402760035290300 xxxxM 2 法兰应力计算 1 法兰的轴向应力 Mpa M 2 i M D fM 2 1 0 武汉理工大学毕业设计 论文 15 21 式中 作用于法兰的总力矩 N mm 0 M f 整体式法兰颈部校正系数 f 1 系数 查表得 2 5 则 45 35 2 1 0 i M D fM Mpa 2 法兰盘的径向应力 Mpa R e 0 0125 2 if f R D Me 2 0 133 1 22 430365 2 1044 152 10125 0 3633 1 2 5 xx xxxx 17 49 Mpa 3 法兰盘切向应力 Mpa T 2 23 R if T Z D YM 2 0 式中 Y Z系数查表可知Y 4 64 Z 6 03 则 Mpa 46 2149 1703 6 43036 1044 15264 4 2 5 x x xx T 3 法兰的许用应力和强度校核 上述三个应力应满足 2 24 M M 2 25 RR 2 26 TT 由阀体法兰材料为HT200 可查得 Mpa 28 L MPa421 5x2835 45MPa MM MPa351 25x2817 49MPa RR 武汉理工大学毕业设计 论文 16 MPa351 25x2821 46MPa TT 经校核说明应力方面符合要求 2 72 7 阀杆的设计和校核阀杆的设计和校核 阀杆是球阀的主要受力零件之一 按照我国球阀标准 阀杆应设计成 在流体压力的作用下拆开阀杆密封挡圈时 阀杆不致于脱出 2 7 12 7 1 阀杆材料选择阀杆材料选择 阀杆作为球阀的重要受力零件 其材料必须具有足够的强度和韧性 能耐 介质 大气及填料的腐蚀 耐擦伤 工艺性好 材料选用主要通过工况和设计 压力来选择 由表 2 2 可选择 A5 作为阀杆材料 表 2 2 材料工作压力 MPa T 适用阀类 CuAL9Mn2 1 6 200 低压阀 A5 2 5 350 中低压阀 40Cr 32 0 450 高中压阀 38CrMoALA 0 10 54 P 540 电站用阀 20Cr1Mo1VIA 0 14 57 P 570 电站用阀 2Cr13 32 0 450 高中压阀 1Cr18Ni2 6 3 100200 不锈钢阀 低温 阀 1Cr18Ni9Ti 6 3 600 高温阀 2 7 22 7 2 阀杆填料的选择 填料摩擦力及摩擦转矩的计算阀杆填料的选择 填料摩擦力及摩擦转矩的计算 1 填料选择 阀杆常用填料主要有 V 型填料 圆形片状填料及 O 型密封圈等三种 由于圆形片状填料往往容易发生松弛而使密封比压减小 以致密封遭到破坏 同时 V 型填料具有密封性能好 摩擦系数低且具有自封性能 因此我选用 V 型 武汉理工大学毕业设计 论文 17 填料 2 填料摩擦力计算 填料与阀杆之间的摩擦力可按下式计算 t F N 2 ZHPdF TTt 2 1 27 式中 填料与阀杆之间的摩擦系数 0 05 T T Z 填料圈数 Z 3 h 单圈填料高度 h 1 5mm 取mmdT60 则NxxxxxxFt10136025 105 0 2 1 3 阀杆台肩与之退点之间的摩擦力的计算 摩擦力计算公式如下 u F N 2 PdDF TTTu 2 16 28 式中 台肩外径或止推外径 mm T D 阀杆直径 mm 60mm T d T d 摩擦系数 0 05 t t 则NxxFu418205 0 6086 16 2 4 填料及止推垫的摩擦转矩计算 填料转矩计算公式如下 t M N mm 2 Ttt xdxFM5 0 29 则x60 3030N mm1015 0 xMt 止推垫片的摩擦转矩计算公式如下 u M N mm 2 30 2 5 0 TT uu dD xFM 武汉理工大学毕业设计 论文 18 则mmNxxxMu 152575 01464185 0 由此可知球阀的转矩M 3030 15257 1290000 N mm tum MMMM 6 103 1 x 2 7 32 7 3 阀杆强度的计算阀杆强度的计算 阀杆上的转矩分布图见下图所示 主要受力面是 I I IV IV 其中 面的扭转应力计算可做为设计时初定阀杆直径用 1 I I 断面处的扭转应力为 MPa N 2 31 W Mm N N 式中 阀座密封面与球体间的摩擦转矩 N mm m M 材料的许用扭转应力 Mpa 1050Mpa N N W I I 断面的抗扭转系数 2 9 0baW 3 mm 图 2 5 浮动球阀阀杆转矩分布图 a 和可由下表查得 表 2 3 b a 与的关系 武汉理工大学毕业设计 论文 19 b a1 01 21 52 02 53 04 06 08 0 0 2080 2190 2310 2460 2580 2670 2820 2990 307 图 2 6 阀杆与球体连接部分的断面 故447008650231 0 9 0 2 xxxW 3 mm 则 1050MPa85 28 44700 x1029 1 6 W Mm N N MPa 2 断面处剪切应力的计算 MPa 2 P 16dH dD 2 32 式中 D 阀杆头部凸肩的直径 mm d 阀杆直径 mm H 阀杆头部凸肩的高度 mm P 流体的工作压力 MPa 材料的许用剪切应力 查表得 990 MPa MPa 则 990 MPax xx 22 2 2 206016 1462 MPa 3 断面处的扭转应力 MPa 2 N W M 武汉理工大学毕业设计 论文 20 33 式中 M 总摩擦转矩 N mm W 断面处的抗扭转断面系数 3 mm 3 d 16 W 则 1050MPax 4 3016 60 x x1029 1 3 6 N MPa 4 断面处的抗扭转面系数 由于阀杆和涡轮采用键连接故 与 断面处的扭转应力相同无需再进 行校核 综上阀杆的应力均符合要求 2 82 8 阀杆连接件的强度计算阀杆连接件的强度计算 阀杆连接件采用平键连接 因为平键结构简单 成本低及替换方便 根据阀杆直径为 60mm 可知平键的尺寸 选用 bxh 为 18x11 的普通平键 下面 是平键的强度计算 1 平键的强度计算 平键的毕压按下式计算 2 KLNd T P 1 2 P MPa 34 式中 T 转矩 N mm 对于阀杆驱动装置连接部分 T M 对于法干预球体连 接部分 T m T n 键数 L 键的工作长度 mm L 0 3a 30mm K 如下图所示 K 4mm 1 dmmd380 1 许用压力 查表得 100 120 PMPa PMPa 则 故校核满足 MPa xxx xx KLNd T P 6 56 3043801 1029 1 22 6 1 P 武汉理工大学毕业设计 论文 21 图 2 7 平键受力图 2 平键剪切力计算 剪切力 按下式进行计算 MPa 2 bLnd T 1 2 35 式中 许用剪切应力 查表取 90 MPa MPa T L n 与前相同 1 d b 如上图所示 则 90 57 12 30183801 1029 1 2 6 xxx xx MPa MPa 2 92 9 球体的设计和校核球体的设计和校核 由 2 2 可知球体的半径是 190mm 球体作为球阀控制的直接动作零件 必须对其进行设计与校核 球体的主 要结构特征是球体与阀杆的连接结构 其必须满足所传递的最大转矩同时保证 有足够的灵活性 后者是保证工作性能的必要条件 由于阀杆与球体的接触部分是间隙配合 因此 在接触面上的比压分布是 不均匀的 如下图所示 有分析可知 计算时可近似地采用挤压长度 而作用力矩的臂长 K 0 8a mm 则挤压力按下式 3 0mmaLZY MPa ZY 计算 武汉理工大学毕业设计 论文 22 2 ZY 2 12 0 ha Mm ZY 36 图 2 8 阀杆头部的比压分布 式中 球体与阀座密封面之间的摩擦力矩 m M h 阀杆头部插入球体的深度 mm h 40mm a 阀杆头部的边长 mm a 100mm 球体许用挤压应力 ZY MPa ZY 122 则 MPa xx x ZY 875 26 4010012 0 1029 1 2 6 MPa ZY 122 故球体强度要求满足 这里需要注意的是 按强度要求考虑 即挤压应力等于扭转应力 因而一般取 h 1 8 2 2 amm 但是在实际设计时受到球体尺寸的限制 h 不能过大 为 了减小挤压应力 往往加大接触面的尺寸 即加大 a 的尺寸 故 a 与 h 的关系 不能为 h 1 8 2 2 amm 2 102 10 球阀的阀座设计球阀的阀座设计 根据阀门泄漏的部位和性质 尚有内漏和外漏之分 对球阀而言 内漏发 武汉理工大学毕业设计 论文 23 生与阀座与球体和阀座与阀体之间的接触面上 外漏则发生于填料函上 也有 可能在连接法兰与垫片之间 阀门内漏的流体虽然未流到外界 不会污染环境 也没有流体损失 但其 危害性十分严重 轻则影响产品质量 重则由于渗漏串通将酿成恶性事故 球阀阀座主要有普通阀座和弹性阀座两种 普通阀座的特点是 在预紧力 或者流体压力的作用下 阀座与球体压紧 并使阀座材料产生塑性变形而达到 密封 弹性阀座除了与普通阀座和弹性阀座一样 在预紧力或流体压力 或者 两者兼有之 作用下 阀座材料产生塑性变形而达到密封外 还由于阀座本身 的特殊结构或者借助于弹性元件 如金属弹性骨架 弹簧等办法 在预紧力或 流体压力下产生弹性变形 以补偿温差 压力 磨损等外界条件变化对球阀密 封性能的影响 普通球阀的密封效果取决于阀座在流体压力或者预紧力的作用下 能够补 偿球体的不圆度和表面微观不平度的程度 因此 阀座与球体之间必须具有足 够大的密封比压 并应满足以下条件 b q qq b q 式中 保证阀门的密封的必需比压 b qMPa q 阀门工作时的实际比压 MPa 阀座材料的许用比压 q 普通阀座的结构如下图所示 结构简单 加工制造最方便 应用比较普 遍 但这种阀座在装配时 调试比较困难 因为要达到密封所必需的比压 需 要拆卸阀体中的法兰 调配左 右阀体之间的密封垫片的厚度 图 2 9 普通阀座 武汉理工大学毕业设计 论文 24 弹性阀座是本世纪七十年代初才出现的新型阀座结构 其发展正方兴未 艾 它们都是针对特定工况条件研究设计的 其结构和种类繁多 斜面弹性阀座有单斜面和双斜面之分 单斜面弹性阀座如下图所示 这 种发作结构简单 加工制作方便 弹性补偿能力差是其缺点 图中虚线位置为 阀座在预紧前的自由状态 这种弹性阀座适用于 DN 250mm 的浮动球球阀 所以我选取弹性阀座 从球阀类型为浮动球阀考虑 我选取斜面弹性阀座 其主要特点是结构简单 加工制造方便 替换性好 如下图所示 图 2 10 单斜面弹性阀座 2 112 11 省力机构的设计和校核省力机构的设计和校核 用于球阀的省力机构应当具有传动速比大 外形尺寸小 球体能固定在开 关中间的任意位置 以及防止灰尘和污物进入装置内部等特点 其中以涡轮蜗 杆的特点最为明显 结构简单 传动比大 具有自锁性能 2 11 12 11 1 蜗轮蜗杆的设计蜗轮蜗杆的设计 蜗杆传动的主要参数有模数 m 压力角 蜗杆头数 蜗杆直径系数 q 1 z 和蜗杆分度圆柱导程角等 由于要求实现大传动比和反行程要求自锁的蜗杆 传动取 根据蜗杆头数与蜗轮齿数的荐用值可知 取传动比 i 30 1 1 z 1 z 2 z 考虑到涡轮蜗杆中心距不能过小 取 m 5 查 GB T 10085 1988 可知30 2 z 选 m 5 q 10 蜗杆分度圆直径为 50mm 1 1 z 武汉理工大学毕业设计 论文 25 根据阿基米德蜗杆传动主要几何尺寸的计算公式可知 中心距 2 mmzqma100 5 0 2 37 蜗杆齿顶圆直径 2 602 11 mdda 38 蜗杆齿根圆直径 2 5 3725 1 2105022 11 xcmdd f 39 蜗杆分度圆直径 2 mmd50 1 40 蜗轮分度圆直径 2 mmxmzd150 22 41 蜗轮喉圆直径 2 mmmda1602150 2 42 蜗杆齿根圆直径 mm 2 5 137225 1 10150 2 xd f 43 蜗轮外径 取 160 4mm 2 2e dmmmda1702 2 2e d 44 蜗杆螺纹长度 取 L 50mm 2 Lmmmz49 06 0 8 2 45 蜗轮齿根圆弧面半径 2 mmcdR a 25 315 0 11 46 涡轮齿顶圆弧面半径 2 mmcdR f 205 0 12 47 由于球阀球体工作只需旋转 90 故可用 120 的扇形蜗轮代替全蜗轮 这样既简化了结 构 缩小了体积 又节省了原材料 2 11 22 11 2 蜗轮蜗杆的强度校核蜗轮蜗杆的强度校核 因为蜗杆传动的失效一般发生在蜗轮上 所以只需要进行蜗轮轮齿的轻度 武汉理工大学毕业设计 论文 26 计算 齿面接触疲劳强度的校核和计算公式如下 2 2 21 2 2 9 zdm TK Z A EH HP 48 式中 弹性系数 查表得 75 E Z E ZMPa 载荷系数 取 1 A K A K 蜗轮转矩 2 TMT 2 m 模数 m 5 蜗杆分度圆直径 50mm 1 d 1 d 蜗轮齿数 30 2 z 2 z 蜗轮的许用接触应力 250 HP HP MPa 则 250MPa xx xxx x H 9 241 30505 103 119 75 22 6 HP MPa 3 3 ANSYSANSYS 软件分析软件分析 3 1ANSYS3 1ANSYS 软件的应用和介绍软件的应用和介绍 在球阀的早期设计时 主要通过物理结构的设计 同时包括一定的零件强 度 刚度和变形分析 在以前的受到计算方式的限制 主要依靠材料力学和理 论力学中的力学分析原理来进行结构设计 而很多计算公式中都忽略了现实状 况的影响 而且这些设计计算无法为研究人员提供合理的参考以及薄弱环节的 位置问题 传统模式主要依靠的是将整体简化为一个个零件 再对其每个零件 进行简化的力学分析 这其中简化忽略了相互零件之间的作用力 在实际使用 时 可能会与理论设计时发生很大不同 随着时代的发展 计算机技术和力学理论的发展 ANSYS 软件也开始为广大 的设计师们使用对已经设计完成的三维模型进行分析 其主要采用有限元分析 方法进行三维力学分析 本章采用ANSYS工程软件对球阀的阀体进行了有限元静力结构分析 并探讨 了球阀阀体结构建模方法以及网格划分对计算结果的影响 其结果可作为结构 武汉理工大学毕业设计 论文 27 优化设计提供依据 由于在 ANSYS 建模是十分重要的 但是直接在 ANSYS 中建模是十分困难的 所以我现在 soliderworks 中进行三维建模 然后将模型导入 ANSYS 中进行有限 元分析 ANSYS是集结构 流体 电磁场 声场和耦合场分析于一体的大型通用有限 元分析软件 ANsYs能与大多数CAD软件结合使用 实现数据的共享和交换 如 PRO E NAsTRAN Alogor I DEAs AutoCAD等 是现代产品设计中的高级 CAD工具之一 软件主要包括三个部分 前处理模块 分析计算模块和后处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 用户可以方便 地构造有限元模型 分析计算模块包括结构分析 可进行线性分析 非线性分析和高度非线 性分析 流体动力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析以及多物理 场的耦合分析 可模拟多种物理介质的相互作用 具有灵敏度分析及优化分 析能力 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示 梯度显示 矢量显示 粒 子流迹显示 立体切片显示 透明及半透明显示 可看到结构内部 等图形 方式显示出来 也可将计算结果以图表 曲线形式显示或输出 ANSYS提供的分析类型主要包括 1 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移 应力和力 静力分析很适合求解惯性和阻 尼对结构的影响并不显著的问题 ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线 性分析 而且也可以进行非线性分析 如塑性 蠕变 膨胀 大变形 大应 变及接触分析 2 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响 与静 力分析不同 动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影 响 ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括 瞬态动力学分析 模态分析 谐波响应分析及随机振动响应分析 3 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化 ANSYS 程 序可求解静态和瞬态非线性问题 包括材料非线性 几何非线性和单元非线 性三种 4 动力学分析 武汉理工大学毕业设计 论文 28 ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动 当运动的积累影响起主要作用 时 可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性 并确定结构中由此 产生的应力 应变和变形 5 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型 传导 对流和辐射 热传递的三种 类型均可进行稳态和瞬态 线性和非线性分析 热分析还具有可以模拟材料 固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热 结构耦合 分析能力 6 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析 如电感 电容 磁通量密度 涡流 电场 分布 磁力线分布 力 运动效应 电路和能量损失等 还可用于螺线管 调节器 发电机 变换器 磁体 加速器 电解槽及无损检测装置等的设计 和分析领域 7 流体动力学分析 ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析 分析类型可以为瞬态或稳态 分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率 并且可以利用后处 理功能产生压力 流率和温度分布的图形显示 另外 还可以使用三维表面 效应单元和热 流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应 8 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播 或分析浸在 流体中的固体结构的动态特性 这些功能可用来确定音响话筒的频率响应 研究音乐大厅的声场强度分布 或预测水对振动船体的阻尼效应 9 压电分析 用于分析二维或三维结构对 AC 交流 DC 直流 或任意随时间 变化的电流或机械载荷的响应 这种分析类型可用于换热器 振荡器 谐振 器 麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析 可进行四种类型的 分析 静态分析 模态分析 谐波响应分析 瞬态响应分析 本章主要对阀体的结构静力进行分析和优化 3 23 2 模型的导入和分析模型的导入和分析 3 2 13 2 1 模型的简化 导入和分析准备模型的简化 导入和分析准备 为了保证计算的精确性以及缩小不必要的计算范围 我们可以将模型进行 简化后再导入 ANSYS 中进行 在尽可能保证能反映阀体本身结构特性的情况下 以便减少分析的复杂程度 在建立有限元计算模型时应采用以下几种简化原则 武汉理工大学毕业设计 论文 29 1 总体坐标系的建立应尽可能与球阀阀体结构设计坐标系一致 2 构件表面光 顺 滑 忽略球阀阀体各处过渡圆角和倒角 3 载荷分配 载荷的分配直接影响计算结果 所以我们要对重力进行 合理分配计算 根据第二章中的阀体设计结果 在 soliderworks 中进行三维建模 同时考虑到 有限元计算模型的简化原则 将阀体中的对结果影响效果圆角和倒角去除后再 导入 ANSYS