毕业设计范例

1、浙江水利水电学院毕业论文（设计）毕业设计题 目： 电梯的高效运行PLC控制的设计 系 （部）： 机械电子工程 专业班级： 机电14-2 姓 名： 周华鹏 学 号： 201431043 指导教师： 方贵盛 2014年6月2日摘 要 本次毕业设计进行的是高压时微转矩球阀的设计。球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。本设计只需以旋转90度阀杆操作和极微转矩就能实现球阀启闭。本设计的创新点在于通过微妙的机械结构设计革命性地实现了高压球阀的微转矩启闭，达成了高压球阀密封性和操作性的良好结合。本项目设计通过解决球阀密封性和启闭转矩之间的矛盾冲突，对高压球阀在各种恶劣的无源环境下的使用提出了

2、全新的概念和现实的解决方案。在这些环境之下，甚至在曾经球阀不能触及的应用领域，本高压时微转矩球阀都将体现它无比的优越性能。 关键词：球阀；高压；密封；微转矩ABSTRACTThis graduation project is The Design of A Micro-Torque Ball Valve at High-Pressure. Pipeline ball valves are mainly used to cut off the flow, distribute and change the flow direction of medium. This design require

3、s only a 90-degree rotation of the operating stem and tiny torque to open or close. The innovation of this design is to open and close high-pressure ball valves with a tiny torque through ingenious mechanical structures revolutionarily. This design gives a great conflict resolution between the tight

4、ness and torque of ball valves; it also gives new and realistic solutions of using high-pressure ball valves in bad or non-energy environment. The Micro-Torque Ball Valve at High-Pressure will reflect its unmatched and superior performance in these environments, even in the areas which current ball

5、valves have never reached. Key Words：Ball Valve；High-Pressure；Hermetic；Micro-Torque； 目 录摘要与关键词. ABSTRACT. 1. 引言11.1课题背景及意义11.2课题的现状21.2.1国外研究和发展情况21.2.2国内研究和发展情况31.3课题主要研究内容32. 高压时微转矩球阀的总体设计52.1总体方案52.1.1主要技术要求52.1.2基本方案介绍52.1.3成本与性能分析62.2基本结构的确定72.2.1选型72.2.2机械结构设计82.2.3球阀基本参数的确定93. 球阀力的计算113.1必需比压

6、的计算及球径的确定113.1.1必需比压计算113.1.2球体直径的确定113.2密封力的计算123.2.1密封力基本参数确定123.2.2密封力的详细计算144. 球阀主要零件的设计194.1球体设计与计算194.1.1 球体的结构设计194.1.2 球体的力学计算194.2球阀阀体和连接体的设计计算214.2.1 阀体壁厚的设计计算214.2.2 法兰连接的设计计算234.2.3 其他关键设计计算264.3球阀的耐火、防异常升压结构设计、防静电结构设计264.3.1 球阀的耐火结构264.3.2 球阀的防异常升压结构设计274.3.3 球阀的防静电结构274.4球阀阀杆设计计算284.4.

7、1 阀杆的转矩计算284.4.2 阀杆的强度计算304.4.3 阀杆连接键的强度计算325. 高压时微转矩球阀特殊装置的设计及说明346. 结论357. 经济分析报告368. 致谢389. 参考资料3910. 附录40371. 引言1.1课题背景及意义阀门，是国民经济建设中使用极其广泛的一种机械产品。随着我国改革开放、建立社会主义市场经济和开展对外贸易的需要，在石油、天然气、煤炭、冶金和矿石的开采、提炼加工和管道输送系统中；在石油化工、化工产品，医药和食品生产系统中，在冶金生产系统中；在船舶、车辆、飞机、航天以及各种运动机械的使用流体系统中；在国防生产以及新科技领域；在农业排灌系统中都需要大量

8、的阀门新品种。可以说，只要有管道的地方就需要阀门，它是国民经济各部门不可缺少的流体控制没备。而球阀因其与管道相当的流体阻力系数，结构简单、体积小、重量轻，紧密可靠等等诸多优势，已成为阀门目前市场上用户使用最多、应用最为普遍的阀门。尤其在油气运输管线上，其运用几乎是覆盖性的。球阀是由旋塞阀演变而来。它具有与之相同的旋转90度动作，不同的是旋塞体是球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流体流动。现有球阀结构虽然简单，但是其缺点亦相当明显。球阀的弹性密封垫国内外基本上都用聚氟乙烯材料压制、烧结而成，该材料虽然摩擦系数小，但加于球阀承受一定的工作压力，

9、且要达到密封作用，在设计和装配时需要确保密封垫厚度的一定过盈量，使密封垫和球体在阀体内腔形成预紧力。此预紧力大小与球阀的密封状况呈正相关，同时，预紧力越大，球体转动所需的转矩也越大。大型中高压球阀为了在高压大转矩存在情况下顺利启闭，还需额外配备昂贵的动力驱动装置。现行使用广泛的启闭驱动装置分电动、电/液动、电磁动、液动、气动、气/液动等等。无一例外，上述装置在顺利完成高压管道球阀启闭的同时也给球阀的生产制造增添了一大笔不小的开支。据不完全统计，普通的高压球阀启闭驱动装置占球阀成本的30%以上，采用特种驱动装置，这个比重还要高。而每年消耗在高压球阀驱动装置上的成本又给企业运营制造了巨大的经济负担

10、。原材料的消耗和因此所产生的能源、环境等等问题又与当今全球社会与经济发展大环境相悖。本项目设计在深入分析国内外市场环境，全方位考察现有产品特点，充分考虑客户需求的情况下产生。本项目设计通过球阀结构创新设计，对功能和性能冲突实现了革命性的改造，打破了球阀密封性能和启闭性能的对立，有效地提升了球阀的设计水平。1.2课题的现状一般情况下，球阀是作为整机的某个部件而存在的，其材质、结构、加工工艺性、产品质量、可靠性，直接影响着整机的效率、能耗、污染、寿命和安全等各项关键指标。因而，球阀技术的现状及其发展态势，将引起新一轮的技术创新。1.2.1国外研究和发展情况球阀的使用已经数世纪，国内外的研究发展由于

11、市场竞争激烈大部分以降低成本为目标。品质则以加工精密，增强材料，选对材料为导向，这些措施对现有产品性能改进甚微。国外同类产品对阀门行业的最大影响是对新材料的应用和对同类产品结构的调整及性能的延伸。国外阀门新开发产品重点放在阀门新材料的应用上，由于现有的耐腐蚀阀门材料还不能完全满足其技术发展的需要，超低碳不锈钢的阀门产量很少，因此国外阀业正在加速开发超低碳双相不锈钢阀门。超低碳双向不锈钢具有耐氯离子、硫化氢、二氧化碳、无机酸、有机酸等环境下的点腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀等能力。其次，国外阀业越来越重视其纳米材料在阀门上的应用。纳米技术是世界科技发展的前沿技术，纳米塑料阀门的研究，在装备制造业中纳米

12、材料只能达到亚纳米级，对制造阀门的粉体进行纳米量级处理。原来的塑料颗粒比较大，经过新工艺处理，可以得到排列整齐，细微的粉体颗粒，经过烧结高温压铸成形，得到阀门的整个腔体，此塑料阀门的具有很好的耐蚀性，很高的强度，可取代特殊的不锈钢阀门应用于石油、化工领域，尤其是火电厂的脱硫设备等强腐蚀的工况环境中。再者是用羰基法制成镍基纳米粉末，用激光涂覆技术或超音速涂覆技术，将镍基纳米粉末涂覆在密封面上，使密封面硬度可达HRC6270，提高阀门的密封面的耐磨、耐冲刷、耐腐蚀性能，从而提高阀门的使用寿命。第四，是陶瓷在阀门上的应用，由于陶瓷可大大提高阀门的耐腐蚀性能，使用寿命及密封性能优于硬质合金，用陶瓷作密

13、封副，如电站上应用的仪表阀门多为陶瓷球密封，有硬度高、耐高温、使用寿命长等优点。第五，是开发用处不同的橡胶，如氢化丁腈橡胶（HNBR）就耐硫化氢的腐蚀，可以应用在阀门密封面上。在API 6A闸阀的阀座上就能应用氢化丁腈橡胶（HNBR），使该闸阀即寿命高又耐硫化氢腐蚀。 国外同类产品的超前更新对我国阀门行业的影响主要表现在：对我国重点工程配套阀门产品的替代；占领其广阔的市场；使我国阀门行业之间的市场竞争加剧等等。 1.2.2国内研究和发展情况我国阀门行业经过多年的发展，阀门生产厂家迅速增加，阀门生产水平有了较大提高，阀门产量有了大幅度增加。阀门的主要产品基本上能满足国内市场的需要，阀门市场的成套

14、率、成套水平和成套能力都有较大提高。目前，我国已能生产3000多个型号、40000多个规格的阀门产品，品种包括闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、止回阀、安全阀、减压阀、疏水阀和其它阀门类等，共计十二大类。随着新的工艺流程和控制要求的出现，随着现代阀门技术参数和技术性能的高水平发展需要，随着生产过程日益自动化发展的需要，对阀门新产品的发展需要也不断提出。同时，根据“十一五”纲要，我国国民经济发展的需求要求国家重点支持阀门行业为火电、核电、水电、大型石油化工、石油天然气集输管线、煤液化及冶金等重大工程建设配套阀门新产品的开发。1.3课题主要研究内容针对目前市场上的同类阀门打开时需用

15、蜗轮箱、电动头等驱动装置操作，既费钱费时费力，又易受损的现象，通过对现有球阀设计的技术改进，寻求一种新型的既省力省钱，又有良好密封性能，操作简单，维护方便的阀门。主要将针对以下内容进行：（1）球阀的密封性研究：本项目致力于控制加工精密度投入成本和运行成本，并在此基础上研究完善球阀密封效果的新技术。（2）球阀所受摩擦与球阀所受转距之间关系的研究。（3）球阀结构的研究和设计：使密封状态下阀座产生很大推力达到较高密封性能同时又在启闭操作时使转矩降低，实现无需启闭驱动装置的微转矩启闭。（4）导流孔设计：管道内高压流体导流结构设计及其技术实现与验证。2. 高压时微转矩球阀的总体设计 2.1总体方案2.1

16、.1主要技术要求承受温度：-25180工作压力：15002500 Lb启闭转矩：低于300N*M适用管径：NPS 2 NPS 48适用介质：石油、天然气等2.1.2基本方案介绍管线球阀的设计理念最根本的是安全和可靠性。长输管线的自然条件要求管线球阀的设计和制造必须保证其安全性和可靠性。而且这一理念应贯彻在产品设计、零件加工、工艺规范、型式试验、质量控制和售后服务的全过程。本设计主要完成球阀产品设计环节。球阀主要的功能是将管线的流体切断或者开通。其切断的方式是由阀座跟一球体紧密贴合，贴合处的上游高压流体则无法泄漏到下游而将流体切断。阀座和球贴合如果不紧密则仍可能泄漏。因此如何使贴合紧密成为球阀质

17、量的一个指标，球的真圆度、阀座的真圆度是基本要求。以上两个要求也是球阀行业现今在提升球阀密封性上致力于达到的标准。由于加工精度指标及测量设备要求高，而大量的投资都消耗在达到这一指标的投入上，因此现有对球阀密封性的更高追求均以巨大的资金投入为基础，大大阻碍了球阀行业的发展。而以此为绝对导向的球阀设计与球阀生产制造如果以降低成本为目标，则势必削减以上指标上的投入，大大影响产品密封性能。球阀的开关是靠球体的转动使阀座孔与球孔对齐则开通球阀，当阀座与球体紧密贴合时球体被阀座压住，球体必须靠一定的转矩才能转动，阀座推力愈大转动球体所需转矩愈大，因此阀座和球体接触面容易受高度摩擦而受损，同时转矩愈大转动球

18、体的执行器愈大而成本愈高。以上描述的结论是：密封性与阀座推力成正比，球阀受损度与此推力造成的磨擦力成正比。理想的球阀是高度密封性，低转矩，低成本。这些要求在传统的球阀特性中均相互矛盾。本项目在技术上另辟蹊径，利用流体力学原理引导高压液流方向，使阀座在球体将转动前的瞬间被推离球体，使阀座与球体脱离接触状态，从而将阀座和球体间的磨擦力解除，同时使启闭转矩降至最低。2.1.3成本与性能分析图（1-1） 图（1-2） 图（1-3）图1 阀门驱动设备如图1所示，传统的球阀（如图1-1）在低压下只需简单的驱动设备，如扳手，成本较低；但是一旦进入高压使用环境，启闭转矩增大，就不得不附加价格高昂的驱动设备以实

19、现成功启闭，在小通径阀门情况下（如图1-2），驱动装置相对成本较高，同时，伴随着球阀通径的不断增大（如图1-3），驱动装置的绝对成本也随之上升，导致球阀整体成本大幅增加。驱动装置和驱动方式的降级也给球阀的安装和使用带来了新的可能。带有齿轮箱或气动驱动器的球阀一般只能选择直立安装，即安装在水平管道上，且驱动装置处于管道上方，这就给特殊的阀门使用现场带来相当大的选择和使用限制，而用手柄驱动的阀可安装在管道上的任意位置。本设计可以在明显降低球阀启闭转矩的情况下实现用手柄实现原来蜗轮箱、电动头和气动、液压驱动装置才能完成的高压球阀启闭动作。就球阀使用性能方面，传统高压球阀由于阀座与球面在任何时候都紧密

20、贴合以达到良好的密封效果，故在球阀启闭过程中球体表面和阀座接触应力极大，球面和密封圈磨损情况严重，故障率高。本设计在球阀密封性能的达成与提升上不同于球阀行业的传统技术方向方法，通过技术创新，使球阀在静止密封时能充分受压密闭，在球阀启闭时解除阀座与球体接触应力避免球体和密封圈等受损而影响密封效果。故而本设计的实现将从根本上突破球阀的性能瓶颈，并大大降低球阀故障率，延长使用寿命，同时省去了巨大的维修成本，连带的将还有投产后优越的产品性能带来的客户群体的不断壮大和日益高端化，在给用户带去优质产品的同时也将给企业带来良好的口碑和丰厚的利润。本设计在技术上另辟蹊径，在球阀密封性的更好实现的同时降低了性能

21、投入成本，降低了阀门故障率，延长了球阀的使用寿命，攻破了球阀行业技术难题，冲破了产业发展瓶颈。2.2基本结构的确定2.2.1选型本设计主要运用于石油、天然气管路，石油、天然气管路具有压力高、连续性工作、流通要求口径较大的特点，根据这些应用特点，本设计进行了针对性的结构选型。球阀按其结构形式一般分为浮动球球阀和固定球球阀两种。固定球球阀的球体是固定的，受压后不产生移动。其一般都带有浮动阀座，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。通常在与球体的上、下轴上装有轴承，操作扭距小，适用于高压和大口径的阀门。故选用固定球球阀。为便于装配，阀体设计采用三段式结构。三段式固定球球阀的典

22、型结构如图2所示。 图2 三段式固定球球阀的典型结构2.2.2机械结构设计现有用于管道上的球阀，为了使球阀开启省力，通常设有而各种启闭驱动装置，而设有驱动装置的球阀，其生产成本较高，故障率高。此外，这种有驱动装置的球阀，阀座与球体之间易发生物理磨损，所以对球体的要求很高，而其使用寿命相对又很短。本项目设计省去了占阀门成本将近30%的启闭驱动设备的投入，实现无需启闭驱动装置的开启，大大降低了球阀设备的生产与采购成本。本项目采用如图（3）的独特的机械结构，利用液压原理引导高压液流方向，使阀座在球体将转动前的瞬间被推离球体，使阀座与球体脱离接触状态，从而将阀座和球体间的磨擦力解除，同时使启闭转矩降至

23、最低。本高压时微转矩球阀包括阀体、连接体、球体、阀杠和阀座。阀座上设有储油室，储油室与控油装置相连。控油装置包括顶杆套，设于顶杆套内的顶杆，设于阀体内的单向阀，进油道和出油道，设于阀座内的阀座油道；顶杆套的前部位于连接体内，顶杆套的尾部位于阀体内，单向阀顶于杆顶的顶端；出油道一端连储油室，另一端通过单向阀与进油道相连，进油道与阀座油道相连。阀杆的边侧开有锥形凹窝，顶杆套的尾端顶在该锥形凹窝内。储油室由阀座、油室盖和连接体围合而成。其工作原理是：阀杆的下端插于球体的凹口内，当开始转动阀杆时，球体不动，顶杆套从锥形凹窝内逐步外移，随着顶杆套的外移，位于顶杆套内的顶杆也随之顶于阀杆而外移，从而推动单

24、向阀打开，来自管道的高压油通过阀座油道进入阀体的进油道，流向单向阀后，进入阀体出油道，最后进入储油室，从而推动阀座反向移动，使阀座脱离球体，与此同时阀杆也随之带动球体转动，这样就实现了以微扭距打开球阀目的。由于转动球体的转矩不再受阀座推力的支配，阀座的推力可以设计到最大以达到最好的密封效果，而转矩的大小只需转动球体重量及阀杆受压产生的磨擦力。同时，转矩大幅减低又带动启闭驱动装置的大幅减小甚至弃用，从而节省了大量成本和材料消耗。又因阀座与球体的磨擦力解除，阀座和球面受损的概率降至最低，大大延长了球阀的使用寿命，降低了球阀的维护成本。阀座与球体表面磨擦力的消除同时也可能使传统金属密封条件下昂贵的表

25、面涂层或取而代之以较通用的方法处理，大幅降低生产制造成本。图3 高压时微转矩球阀初步结构设计1-阀杆；2-顶杆套；3-顶杆；4-阀体；5-油室盖；6-单向阀；7-出油道；8-连接体；9-进油道；10-阀座油道；11-储油室；12-阀座；13-球体；2.2.3球阀基本参数的确定本设计采用国际公认的设计规范或标准，ASME的 VIII 部分第 1 节、第2 节， ASME B16.34，EN 125 16-1 和 EN 13445-3进行标准化设计。 设计压力等级取技术要求中最高压力等级CLASS 2500进行设计（） 公称管径和加工尺寸根据以上设计规范和API于2008年10月1日新近生效的全球

26、标准API 6D-2008,以及ISO 14313：2007标准，石油和天然气工业管道输送系统管道阀门，可选取公称管径区间为NPS 2 NPS 36，再依据已确定设计阀门为高压下的固定球球阀，其工程管径通常不小于NPS 8，综合考虑，设计确定选取参数NPS 8作为本阀门设计的公称管径。设计采用全通径结构，其加工尺寸根据API 6D-2008中针对全通径阀门的最小通径的规范，在CLASS 2500环境下，取值不小于179mm，稍留余量，初取mm。 结构长度根据API 6D-2008设计标准表2中关于阀体结构长度的规定DN=200mm，下阀门两端面之间的要求距离为1038mm，及DN300及其以上

27、的阀门面对面和端对端尺寸的允许公差为。据此，初步确定本设计阀门的结构长度为1038mm。 连接结构鉴于在相同耐压等级条件下，法兰连接生产加工难度低，密封可靠，装配要求低，维护简单等优势，常用于压力，密封等要求高的场合，本设计选择法兰连接结构。密封方式球阀设计的关键在于密封座的结构。到目前为止，无论采用多么先进精确地加工技术都还不能完全保证球体的真圆度，消除表面微观不平度，因为要使球阀达到密封要求，就必须依靠戒指压力推动球体向密封座移动，令密封座表面达到一定大小的弹性变形，即造成一定的密封压强来保证。球阀密封方式有硬密封和软密封。硬密封适用于高温环境，其加工要求较高，且金属的弹性变形小，同样密封

28、要求下较软密封方式所需达到的密封压强大，磨损严重。鉴于本设计使用环境并非高温情况，故选择软密封密封方式。各部分材料初选球阀壳体，包括阀体、压盖、阀盖镶圈和体盖，壳体材料选用根据ASME B16.34 标准。初定壳体选用ASME标准中的常用阀门材料A105N。阀门的内部金属零件诸如球体、阀杆和金属阀座或支撑圈，选择具有和壳体相同的化学成分，并具有与壳体材料相近似的机械性能和耐腐蚀特性的材料。初定选用ASME标准中的常用阀门材料A105N。密封圈材料根据使用要求，在石油和天然气应用环境下，较高温度下具有良好抗压强度的材料，综合比较，选取A材料(材料涉及公司内部机密，故用A代号代替，材料A性能参数见

29、附录表格)。3. 球阀力的计算 3.1必需比压的计算及球径的确定3.1.1必需比压计算必需比压是为保证密封,密封面单位面积上所必须的最小压力,以表示。由于流体压力（进出口压力差）和附加外力作用，在球体与阀座之间产生压紧力，于是阀座密封圈便产生弹性变形补偿球体真圆度公差和表面微观不平度，使密封面上的间隙减小，以组织流体的通过，从而达到密封的目的。必需比压是阀门设计中过的最基本参数之一，直接影响产品的性能及其结构尺寸。其取值关系众多因素，主要取决于加工质量、尺寸、工作压力和温度。由设计经验公式：根据密封要求，密封面材料选取A，在选用材料为A且密封面间有相对滑动时密封面的的许用比压。在此情况下，为达

30、到良好的密封效果，值应在材料许用应力范围内尽量取较大的取值，又由于密封副是阀门设计中最关键部分，故设计安全系数取较大值，此处取安全系数为5，则以代入上式，同时选取一个比较容易计算的数字，给定密封面在液体流动方向上的投影宽度：取3.1.2球体直径的确定球体直径的大小影响球阀结构的紧凑性，设计时尽量缩小球体直径。根据经验公式，按取值。球体半径，球体直径为。3.2密封力的计算3.2.1密封力基本参数确定阀门要求零级密封，以确保对下游端管线的有效截断。考虑介质中金属颗粒对零级密封的影响，金属对金属密封作为初级密封， PTFE/橡胶等对金属作为次级密封，以及一旦密封失效时应采取紧急密封措施。密封力，即作

31、用于阀座密封面上的沿流体流动方向上的合力，其值直接影响球阀的密封性、可靠性和使用寿命。密封力是流体压力在阀座上引起的作用力、预紧力和阀座滑动摩擦力的合力：表1 密封力相关符号定义符号定 义描 述阀座密封面上的合力预紧所必须的最小比压密封面达到密封状态的最小预紧力正常工作情况下（装置未作用），阀座滑动摩擦力系统预紧情况下，阀座滑动摩擦力正常工作情况下（装置开启），阀座滑动摩擦力流体静压力在阀座密封面上的作用力余隙中的平均压力流体静压力在密封面余隙中的作用力特殊装置作用力密封面外径密封面内径阀座外径特殊装置作用内径特殊装置作用外径O型圈最初弹性压缩在单位长度的接触面上产生的摩擦力取在流体压力作用下

32、O型圈产生的摩擦力密封面面积O型圈所在槽宽度O型圈截面直径O型圈挤压压缩后外径（取压缩量为12%）沟槽直径聚四氟乙烯对锻钢的摩擦系数根据已知球体通孔加工尺寸为，阀座内径亦取。为保证密封面能达到较好的密封效果，同时避开阀座特殊功能结构，由球体直径为，取定密封面内径，则密封面外径为。同时初步确定阀座外径。又由密封面所在圆锥面与球体相切，求得该圆锥面母线与阀座轴向夹角为，密封面宽度为 密封面在液体流动方向上的投影面积为:同时得出密封面面积为：由上述数据得，阀座密封面的平均直径，；由于，故这种密封方式属于阀前密封方式。采用这种密封形式的球阀工作可靠性在很大程度上取决于和的比值。如果和的比值不够大，将不

33、能保证球阀的密封性。但比值过大是，将会引起阀座过载，从而使球阀的转矩增大。预紧所必须的最小比压根据公式：密封副弹性元件材料为A，其提供的预紧力为：3.2.2密封力的详细计算预紧状态下密封力的计算预紧状态下球阀密封力分析（如图4）： 图4 预紧状态下球阀密封力分析密封力是球阀预紧状态下，弹簧预紧力和阀座滑动摩擦力的合力：为保证预紧状态下密封效果，设计预紧力取其计算最小值的1.5倍，同时取一个比较好计算的数字，取。此预紧力由阀座支撑弹簧提供，弹簧选型和具体设计将在下文进行详细说明，此处暂不细述。 正常工作状况下密封力的计算特殊装置未开启 图5 特殊装置未开启时密封力此时流体静压力在阀座密封面上的作

34、用力为：密封余隙中的平均压力为：则流体静压力在密封面余隙中的作用力为：由于阀座在工作环境下与连接体有相对滑动，故密封选择根据动密封选型原则进行甄选，再由公称压力和温度限制选定适用密封圈材料为聚四氟乙烯，其具有较大的使用温度范围，极低的摩擦系数和自润滑性，表面不粘结，化学稳定性好，但易产生蠕变，超过340时，会分解产生毒烟弹性。但本设计使用环境温度一般低于250，故无需担心其分解。考虑公司性质和产品销售地等因素，为方便就地维修及时购得适用密封件，故本身设计密封圈根据ISO3601-1-2002标准选取，根据阀座外径选定，型号为O-ring 206 ×3.55 -G-S-ISO 3601

35、-1，其压缩量根据机械设计手册取于10%15%区间，暂定12%。沟槽宽度的选定在机械设计手册上的参考较本设计有所出入，本设计以O形橡胶密封圈密封性能的有限元分析为设计依据，将此处沟槽宽度定为，深度定为2.51mm，同时为保证性能，确定阀座外径与连接体配合表面的间隙为0.075mm。验算密封圈横截面面积与沟槽与连接体配合截面面积几乎相等（实际仅相差）。 图6 密封沟槽密封圈沟槽表面粗糙度和阀座与连接体密封面粗糙度为保证密封性的几个关键指标之一，根据机械设计手册等相关材料，沟槽表面粗糙度定为，连接体配合表面粗糙度为。同时确定与密封可靠性相关的沟槽底圆角半径和沟槽棱角圆角半径，分别为0.5mm和0.

36、2mm。综上，在特殊装置未作用情况下，考虑密封摩擦由2个型号为O-ring 206 ×3.55 -G-S-ISO 3601-1的密封圈提供，近似为2倍的单个密封圈受压下摩擦力，则此时密封圈滑动摩擦力为：得出在特殊装置未启用情况下，液体压力在阀座密封面上引起的作用力为：此时，密封圈材料密封面为危险截面，经校核，密封面上的压强为：设计在正常工作环境下特殊装置未开启时为安全。 正常工作状况下密封力的计算特殊装置开启瞬间图7 特殊装置开启时密封力本设计特殊装置在球体即将转动瞬间开启。当本设计特殊装置开启时，高压流体被导入到预设的储油室内(储油室相关内容将在下文着重介绍)，并给阀座一个指向流体

37、流入方向的作用力，以达到减小球体转动时密封圈与球体间的作用力的设计目的。又因 由上述关系式可得出和的相对关系：选定，则。选定。综上，取定以上保证球阀密封性的相关参数并以此为依据进行下面的设计。4. 球阀主要零件的设计4.1球体设计与计算4.1.1 球体的结构设计固定球球阀球体结构设计主要涉及球体尺寸、球体的定位结构、球体的传动结构、球体表面粗糙度的选定，球体材料初定为A105N。其中球体直径已于上文算得，球体内通道直径加工尺寸与阀门通径数值上相等，取，导流孔内壁粗糙度对流经流体压力损耗有直接影响，其要求需尽量设高，综合考虑取。 图8 球体结构 在流体静压力很低的情况下，流体通道两端在启闭过程中

38、与密封面材料有剪切作用力存在，故结构设计中对其进行倒圆角设计，取圆角半径。球体表面和该倒圆角处都有明确的表面粗糙度要求，本设计取粗糙度值为。球体的定位主要有球体通道水平高度的定位和球体转动轴定位两部分。通道水平高度的定位由球体上下两个平行环面支持，平行环面与固定板配合保持球体竖直方向上的稳定，在保证球体工作压力下结构强度的基础上，其平行距离定为左右，同时为减小摩擦，配合平面分别安有止推垫。球体转动轴定位部分有上下两个同轴圆柱突台保证，其不仅与固定板圆孔同轴配合，更由阀杆和固定轴固定保证同轴，其高度依据转动稳定性和强度原则进行选定，分别取左右，其直径以毛胚材料限制和减轻质量等因素考虑，取为，同时

39、为减小摩擦，圆柱配合面分别安有滑动轴承。球体通过上圆柱突台和阀杆之间还有转矩传递，故上圆柱突台与阀杆的连接处以一方槽实现。4.1.2 球体的力学计算在高压使用环境下，由于阀座密封圈密封面被完全从球体表面推离，故球面与密封圈之间无摩擦力存在。实际球阀在启闭过程中球体的转矩分别由流体和摩擦力造成，其中摩擦转矩只与止推垫和滑动轴承的摩擦力有关：表2 球体设计相关符号定义符号定 义描 述球体的总摩擦转矩突台止推垫提供的摩擦转矩突台滑动轴承提供的摩擦转矩突台止推垫作用外径突台止推垫内径开启瞬间流体压强止推垫与接触材料（A105N）的摩擦系数上下轴承收到的总推力（开启瞬间）滑动轴承中径突台止推垫上压强突台

40、滑动轴承与接触材料（A105N）的摩擦系数压力释放瞬间系数（内部实验数据）本设计球阀的球体摩擦转矩在球阀开启瞬间达到最大值，根据上表，突台止推垫提供的摩擦转矩为：由此处可以得出，止推垫提供的摩擦转矩极小，可忽略。再计算突台滑动轴承提供的摩擦转矩为：4.2球阀阀体和连接体的设计计算球阀阀 体是一个受压件，它不仅受到内压力（流体压力）作用；而且还受到管道应力和其他方面的附加作用力。因此，其受力状态是复杂的。设计时对各方面的影响因素应予以充分考虑以免球阀在使用中遭受破坏，甚至产生严重的后果。因此，阀体壁厚的计算首先要保证有足够的安全性，在此前提下才考虑其经济性。三段式球阀连接体用于连接阀体和管道，保

41、证其强度的同时密封面要求有高度密封性。4.2.1 阀体壁厚的设计计算球阀阀体相当于一个压力容器，但其形状比其圆筒形容器要复杂得多，不同类型的球阀其阀体形状也不同，即使同一个阀体，各部分的尺寸也不完全一样，按照常规，要根据它的形状和尺寸分别计算壁厚，但这样的计算比较繁琐，加工时难度大，加工成本高，故本设计按均壁厚考虑。本球阀设计使用环境为2500 LB高压环境，故其壁厚计算采用厚壁计算公式进行壁厚设计计算。其计算公式如下：整理上式：表3 阀体壁厚计算相关符号定义符号定 义描 述考虑附加余量的壁厚按强度计算的壁厚设计系数考虑锻造偏差、工艺性和流体的腐蚀等因素的附加余量阀体内腔的最大直径取材料的许用

42、应力，取和两者中较小值,常温下材料的拉伸强度和屈服强度,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，材料为A105N，则其拉伸强度为,；则，；则；则取；最后，考虑本球阀设计使用与高温高压环境，且考虑其抗震性等因素，决定附加1.25倍的壁厚安全系数，使得最终壁厚定位。4.2.2 法兰连接的设计计算本设计球阀为三段式结构，阀体与连接体的连接形式设计为法兰连接。阀体和连接体法兰尺寸均按照DIN EN 1092-1-2005标准进行标准化设计。法兰端尺寸参照ANSI B16.5(8)标准，法兰面加工按ANSI B16.5标准进行。 法兰面密封设计阀体法兰的密封属于静密封，密封性能直接关系

43、到阀门是否外漏。法兰面外漏引起的后果往往比球阀内漏更严重，尤其本设计球阀为石油管线球阀，其外漏不但造成原材料及能源的浪费，还会严重污染环境，伤害农业，甚至引起火灾、爆炸等危害生命安全的事故，给国民经济造成严重损失。对于球阀来说，阀体连接部位密封系指左、右两半阀体与连接体之间的密封，后者在本设计中即一般所说中的法兰连接密封。就其密封性质，法兰连接密封属于静密封，它应满足下列要求：1.当温度和压力急剧变化时，密封要可靠；2.多次拆卸而不损坏密封元件；3.结构简单紧凑，金属消耗量少；4.对震动和冲击载荷不敏感。根据以上要求，考虑O型圈密封结构简单，制造方便，只要密封结构设计合理，装配后就能产生足够的

44、径向挤压变形，可不必加轴向载荷即可达到密封效果，本设计选用O型密封圈密封作为阀体连接部位密封，一可以大大减小法兰的尺寸，减小螺栓的数量及尺寸，从而减轻阀门质量，对于本设计中公称通径为NPS 8且工作压力在2500LB的高压球阀更为有利。参考已有设计资料及实验数据，为达到密封要求，此处O型密封圈采用O-ring 330×3.55-G-S-ISO 3601-1，密封槽深度为，槽宽，槽底圆角为R0.5，楞边圆角为R0.25，连接体法兰与阀体密封面处间隙为。 法兰螺栓的计算法兰螺栓载荷的计算按照球阀操作情况进行。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

45、接触面上必须维持足够的预紧力，以保持密封。此外螺栓还承受球体-阀座密封圈之间的密封力作用。在工作情况下，螺栓承受的载荷为：表4 法兰设计计算相关符号定义符号定 义描 述工况下螺栓承受的载荷流体静压在轴向上的力连接接触面上总的压紧载荷流体作用直径密封垫片系数，O型圈密封时法兰接触面押压紧宽度法兰螺栓的拉应力情况为：表5 法兰螺栓计算相关符号定义符号定 义描 述法兰螺栓的拉应力螺栓材料在工作温度下的许用拉应力(材料选用B7M，改良型35GrMo)螺栓连接总截面积因公司市场主要为北美市场，本设计螺栓连接根据美制统一标准选用，此处选用螺纹为2-8UN-2B，查表得其抗拉强度面积为，转化为公制后约为，则

46、在1.5倍设计安全系数下，单个法兰的连接螺栓个数为：螺栓间距和螺栓直径之比作为保证密封和安装工艺的参数之一，其值选取随着的增大呈下降趋势，本设计中，根据现有公式和实际应用考虑，此处螺栓间距和螺栓直径之比取为。至此，根据公式可得螺栓孔中心圆直径为：表6 法兰螺栓尺寸相关符号定义符号定 义描 述螺栓孔中心圆直径螺栓公称直径螺栓间距与螺栓直径之比取 法兰的强度计算法兰强度计算复杂，因设计者本人设计能力有限，本设计未进行严密周详的理论设计计算，参考公司已有设计资料及实验数据进行，并使用ANSYS仿真法兰工况下受力进行强度验证，并对设计进行优化，设计最终结果验证如下：图9 连接体法兰有限元分析由上图可见

47、，法兰安全系数最低处约为2.2，其设计符合强度要求。4.2.3 其他关键设计计算阀体带有排泄设计。阀腔的介质可以排泄，并通过排泄孔对阀门进行在线密封检测。4.3球阀的耐火、防异常升压结构设计、防静电结构设计4.3.1 球阀的耐火结构本设计中的阀座密封圈、填料以及大通径的滑动轴承等均由工程塑料或部分工程塑料制成，由于球阀设计用于输送石油，属易燃易爆介质，难免遇到意外的火灾。在这种情况下，高分子密封材料就会软化，甚至烧毁，是球阀失去密封能力，即使球阀关闭，也不能有效切断油源，造成严重后果。本设计采用比较典型的固定球球阀耐火结构。当球阀处于正常工作状态下时，高分子材料密封圈与球体保持密封，此时，球体

48、与密封圈的浮动阀座保持0.51mm的间隙，一旦高分子材料被烧毁或软化失效，则密封圈的浮动支座在流体压力的作用下，被推向球体，使预先加工好的金属支座密封面与球体接触，起到临时密封作用，待灾情解除在予修复或更换。 图10 耐火结构设计 4.3.2 球阀的防异常升压结构设计输送管道中的异常升压是石油、天然气输送中经常遇到的问题，如果阀门设计中没有事先考虑到这种情况，在实际使用中很容易发生安全事故。本设计中采用自动泄压型阀座，当阀体内腔异常升压所产生的作用力超过该阀座的预紧力的时候，流体可通过与球体接触的密封面的间隙排到阀后管道中去，从而起到防异常升压的作用。4.3.3 球阀的防静电结构球阀在启闭过程

49、中，球体与轴承、阀杆与阀体有相对运动，会因摩擦而产生静电，而橡胶、氟塑料等非金属都是优良的电绝缘体，当静电积累到一定程度，在有火花的条件下就可能导致爆炸，这对于输送石油、天然气等易爆介质的场合特别危险。本设计中在填料压盖中加工一定深度的光孔，配合压缩弹簧和钢球，使球体与阀杆以及阀杆与球体之间形成静电通道。这样，因摩擦产生的静电便通过弹簧-钢球传到阀体，从而通过管道与地接通，达到消除静电积累之目的，满足安全输送的要求。它结构简单、紧凑、便于安装和拆卸，因此，目前大多采用这种结构设计。4.4球阀阀杆设计计算阀杆是球阀的重要受力零件。球阀的启闭动作是借外加转矩（手动操作或装置操作通过阀杆旋转球体达到

50、的。在球阀设计中，往往要对阀杆进行扭应力计算或验算。而阀杆与球体连接部分受到挤压和剪切的作用，对其接触部分的挤压应力和剪切应力计算。此外，对于固定球球阀的轴承部分还要进行轴承的压力计算。阀杆材料根据其强度要求和耐候性要求选用ASTM A316，对应新国标06Cr17Ni12Mo2 (旧牌号0Cr17Ni12Mo2)，其在海水和其他各种介质中，耐腐蚀性比0Cr19Ni9好。主要作耐点蚀材料。该材料的许用应力为210MPa，抗拉强度为520MPa，根据静载荷情况下扭转许用切应力和许用应力之间的关系，取扭转许用切应力为根据阀杆功能要求，其结构初步定为如图（7），并进行设计计算。4.4.1 阀杆的转矩

51、计算 O型圈的转矩O型圈的转矩按以下公式进行：密封用O型圈1的转矩公式：又由：得： 密封用O型圈2的转矩公式：又由：得： 所以，阀杆密封用O型圈提供的总转矩为： 止推垫片的转矩止推垫片的转矩按以下公式进行：又由：得：所以，止推垫片的转矩为。 特殊装置在阀杆上产生的转矩（涉及公司机密，此处省去计算过程） 球体传递的转矩已经计算得到球体转矩为 综上，阀杆的总转矩为=+=4.4.2 阀杆的强度计算根据初定的阀杆结构，其断面和断面处为危险截面，只要其均满足扭转强度要求，则阀杆强度通过。平键根据ASTM B 17.1进行选择，在轴径为，其属于系列内，则其型号定为，长度定为。断面处的扭转应力为： 图11

52、阀杆头截面图 图12 阀杆示意图符号定 义描 述断面处的扭转应力断面处的抗扭转断面系数阀杆头截面宽度阀杆头截面长度表7 阀杆转矩计算相关符号定义1所以，断面处的扭转应力为：图13 阀丁头部的剖面图表8 阀杆转矩计算相关符号定义2符号定 义描 述断面处的扭转应力断面处的抗扭转断面系数阀丁头部的截面直径键槽宽度键槽深度所以，阀杆部分工作条件下受力复杂，分析难度较大，故采用有限元分析法对设计数据进行最终验证，验证结果如下，由图可见，在工作环境下，阀杆安全系数在最小处为1.8左右：图14 阀杆有限元分析由此可见，在以上参数条件下，阀杆设计符合要求。4.4.3 阀杆连接键的强度计算平键选用常用材料ASTM A36 COLD DRAWN，其性能参数见附录。根据平键受力情况，其强度计算主要从比压和剪切应力两方面计算。 平键的比压计算平键的比压计算公式如下：表9 阀杆平键计算相关符号定义符号定 义描 述平键的工作比压阀丁头的截面直径平键的工作高度平键长度转矩所以， 小于A36许用比压值。 平键的剪应力计算平键剪应力按以下公式进行：所以，平键在工作条件下安全可用。5. 高压时微转矩球阀特殊装置