球阀的设计与计算

1、球阀的设计与计算一、球阀的设计1.1 设计输入即设计任务书。应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等），使用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构 长度、连接型式、产品的检验与试验等）1.2 确定阀门的主体材料和密封圈材料1.3 确定阀门承压件的制造工艺方法1.4 确定阀门的总体结构型式1. 对阀门结构的确定：一般如果压力不高,DN< 150时，可优先采用浮动式结构，其优点是：结构简单如果浮动球式结构满足不了需要时，应采用固定式结构或其它结构型式（如半球、撑开式）2. 对密封的材料的确定由于球阀的使用受温度的影响很大，

2、因此，密封的材料的选定很关键： 对使用温度< 300 C时，密封面材料可选择塑料类材料（如聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼龙、对位聚苯） 当使用温度超过 300 C .或者介质代颗粒状时，密封面材料应选金属密封。3. 对球阀使用要求的确定主要确定，球阀是否具有防火.防静电要求4. 对阀体型式确定由于球阀公称通径适用的范围很广，其阀体型式也较为多样，一般分为以下三种： 整体式阀体一般用于DhK 50的小通径阀门，此时，其材料多用棒材或厚壁管材直接加工击来，而对口径较大时，多采用二体式、三体式或全焊接结构 二体式结构由左右不对称的二个阀体组成，多采用铸造工艺方法 三体式结构由主阀体和左右对称的

3、二个阀体组成，可采用铸造或锻造工艺方法5 .阀门通道数量（直通、三通、四通）6.选择弹性元件的形式1.5 确定阀门的结构长度和连接尺寸1.6 确定球体通道直径 d球体通道直径应根据阀门在管道系统中的用途和性质决定，并要符合相关的设计标准或用户要 求。球体通道直径分为不缩径和缩径二种：不缩径：d等于相关标准规定的阀体通道直径缩径：一般d=0.78相关标准规定的阀体通道直径，此时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确保流阻不会增大。1.7 确定球体直径球体半径一般按 R= （0.750.95 ） d计算对小口径R取相对大值，反之取较小值为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核Dm

4、in =瓦2 +d2 （mm，应满足 D > Dminmm式中：Dmin :球体最小计算直径（mm, D2 :阀座接触面外径（mm）, d:球径通道孔直径（D：球体实际直径（mm二、球阀的计算2.1 壁厚的确定见闸阀相应的计算2.2 球体与阀座之间比压的计算式中：qMF :密封面上的必须比压（ MPa 可根据工作压力来计算，qMF =1.2 P （适用于中低压通径不大场合） 由试验得出的经验公式计算：qM F=m(a cp、/b式中：m:与流体性质有关的系数对常温液体：m=1对常温油品和空气、蒸汽以及高于100C的液体：m=1.4对氢、氮及密封要求高的介质：m=1.8a, c：与密封面材

5、料有关的系数，见表所示蜜封面材料ac钢、硬质合金3.51聚四氟乙烯、尼龙1.80.9铜、铸铁3.01中硬橡胶0.40.6软橡胶0.30.4p :流体的工作压力（MPa,设计给定b:密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度b=t cos 平 （mmt :密封面宽度（mm,设计给定U :密封面法向与流道中心线的夹角q :球阀密封比压（MPa 对浮动球阀：（见图示）(DMW ' DM N )p q 4(Dmw -Dmn)式中：Dmw :阀座密封面外径（mm设计给定Dmn :阀座密封面内径（mm设计给定 p :介质工作压力（MPa 对进口密封的固定球阀（见图示）进口密封固定球球阀结构222P（D

6、jh -0.6 Dm n -0.4Dmw）q =8 Rh cos '式中：Djh:进口密封座导向外径（mm 设计给定R:球体半径（mm设计给定h:密封面接触的宽度在水平方向的投影（mmh = " 1i式中12 , 11 ：球体中心至密封面的距离（ mm见图示 其它密封球阀，略q:密封面材料的许用比压 MPa 查下表密封面材料的许用比压q密封面材料材料硬度q MPa密封面间无滑动密封面间有滑动黄铜CuZn40Pb2 CuZn38Mn2Pb2 CuZn38HB 80 958020CuZn16Si4HB 95 11010025青铜CuAL10Fe3HA 1108025CuAL10F

7、e3Mn2 CuAL9Fe4Ni4Mn2HB 120 17010035奥氏体不绣钢1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2TiHB 140 17015040马氏体不绣钢2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2HB 200 300HR 35 4025045氮化钢35CrMoAA 38CrMoAlAHv 800 100030080堆焊合金TDCoCr1-xHR 40 4525080TDCr-Ni (含 Ni)HB 280 32025080中硬橡胶54F-4SFB-1, SFB-2, SFB-3SFBN-1, SFBN-2 SFBN-32015尼龙4030注：钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适

8、用。2.3 球阀的转矩计算2.3.1 浮动球阀总转矩计算浮动球阀中，所有载荷由介质出口的阀座密封圈承受，总转矩由下式计算Mf = M Qz + M FT + Mmj式中：Mqz：球体在阀座中的摩擦力矩2.Mqz =(N mm二 Dmw Dmn F E 1 cos *32 cos '式中：f :球体与阀座的摩擦系数对聚四氟乙烯：对增强聚四氟乙烯：对尼龙:f=0.05f=0.08 0.15f=0.1 0.15其它符号：同前Mft：填料与阀杆的摩擦力矩对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 :阀杆与填料的摩擦系数。f =0.05h:单圈填料与阀

9、杆的接触高度(mm设计给定Z：填料圈数设计给定dF：阀杆直径(mm设计给定p：计算压力(MPa设计给定对橡胶O型图:1.2Mft=jidF 某(0.33 十0.92 fo§dogp)(N mm2式中：Z:。型圈个数，设计给定fo：橡胶对阀杆的摩擦系数。do: O型圈的横截面直径(Mmj：阀杆台肩与止推垫间的摩擦力矩fo =0.3 0.4mm 设计给定二2M MJ = f (Dt dF) P 64式中:f :摩擦系数Dt：台肩外径或止推垫外径.按材料同前面规定选取选二者中小者(mm设计给定2.3.2 固定球阀总转矩计算在固定球阀中，球体受到的作用力完全传递到支撑轴承上 对进口密封的固定

10、球阀，其总转矩计算：M F =M QZ M ft M ZC - M MJ式中：Mqz：球体在阀座中的摩擦力矩M QZ = M QZ1 M QZ2式中：Mqzi：由阀座对球体的予紧力产生的摩擦力矩'22、MQZ1= (Dmw Dmn )(1 +cos 平)qM 度赛(N mm4式中：qM :最小予紧比压(MPa)取：qM =0.1P但不应小于 2 MPa其它符号的选取见前面规定MQZ2 :由介质工作压力产生的摩擦力矩QZ2N mm=,中二f R(Djh2 0.5Dmn2 0.5Dmw2)(1 cos )8 cosMft :填料与阀杆的摩擦力矩（Nmm见浮动球阀计算Mzc :轴承中的摩擦力

11、矩M ZC = f z Eqj Q ZJ(N mm式中：fz：轴承的摩擦系数对塑料制的滑动轴承对滚动轴承dQj :球体轴颈直径（fz按f选取fz =0.002mm设计给定，对滚动轴承，dQj=轴承中径Qzj :介质作用球体轴颈上的总作用力2Qzj )(N)8Mmj :阀杆台肩膀与止推垫间的摩擦力矩整体Mmj =0）（此项仅用上阀杆与球体分开时的结构，对二_3_，一、M MJ = 曾（Dt +d）字（N mm642.4 阀杆强度计算2.4.1 浮动球阀杆的强度计算1、阀杆与球体连接部分的计算：阀杆与球体接触按挤压计算，见图示-M qzCZY2 W czy0.12 a h式中：a：见图示（mm设计

12、给定；h:阀杆头部插入球体的深度，（mm, 一般取h= （1.82.2 ） a,正方形时，a改为b。注意：h不要取的过大，否则球体活动性减小。czy:球体材料的许用挤压应力（ MPa对奥氏体不锈钢：当Ob< 600 MPa时，取（zy=122 MPa或按下式计算：CZY= - 一-（Ob： 材料的抗拉强度）462、阀杆头部强度校核I-I断面处的扭转应力:0 =M Qz/ W 初W式中：Mqz :球体与阀座密封面间的摩擦转矩（ N mm见前面W : I - I断面的抗扭转断面系数见图示对正方形断面： W （ mrri）4 8对近似矩形断面：W=0.9oba （mm）式中:a值根据b/a按表

13、选取b/a与a的关系表b/a1.01.21.52.02.53.04.06.08.00.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307tn；材料的许用扭转应力（MPa，查资料1表3-7口-n断面处的剪切应力.,(216 dFH式中：Dt :阀杆头凸肩的直径（mm设计给定dF :阀杆直径（mm设计给定H :阀杆头凸肩高度（mm设计给定p :计算压力（MPa材料的许用剪切应力（MPa，查资料1表3-7 m-m断面处扭转应力TN ,习TN式中：Mf :浮动球阀总转矩（Nmm,见7-3-1节。W : m - m断面处的抗扭转断面系数（mm）W= dF3n:材料的许

14、用扭转应力（MPa，查资料1表3-7 W-W断面处扭转应力_ m F迥-/W -迥式中：Mf ：浮动球阀总转矩（Nmm,见7-3-1节。W : IV -W断面处的抗扭断面系数（mm）对正方形和矩形断面，按I- I断面的原则计算。tn:材料的许用扭转应力（MPa，查资料1表3-72.4.2 固定球阀阀杆强度计算结构为上阀杆代 O型圈密封的强度计算见图示1. I-I断面处的扭转应力：'N =M Q/W V讪式中：Mqz:球体与阀座密封面之间的摩擦转矩（Nl- mm见7.3.1节W: I - I断面处的抗扭系数W _，d_b 上 d1 -t 2.162d1式中：n：键的数量 设计给定b, d

15、1, t:见图示（mm 设计给定2.3.4.n:材料的许用扭转应力（MPa查资料1表3-7n - n断面处剪切应力： 按浮动球n -n断面公式计算 m - m断面的扭转应力m F -M FT=工 < nWMf :固定球阀的总转矩（Nmm见7.3.2Mft :阀杆与填料之间的摩擦转矩（W: m - m断面处的抗扭断面系数（ 计算方法，同上述n:材料的许用扭转应力（mp W- W断面处的扭转应力N式中:N mm 见 7.3.2 mrri)查表同上述Mf/, V n式中：Mf , n同上述W : IV - W断面处抗扭断面系数（ mmii对正方形、矩形，键连接的 W按上述方法计算。对花键连接：

16、42Ttd + bz （ D - d ）（D + d ）16 D式中：Z:花键齿数设计给定其余符号：见图示2.5 阀杆连接件（平键或花键）的强度计算2.5.1 平键的强度计算1. 平键的比压计算2TP =nd 1KL< I.P 1式中：T:转矩（N mmT = MfT = Mqz对于阀杆手柄或驱动装置连接部分：对于阀杆与球体连接部分：n:键数设计给定K、d1 :如图所示（mm设计给定L:键的工作长度（mm设计给定P:许用比压（MPa 查下表平键连接的日与3值（MPa许用值连接工作方式轮毂材料载荷情况平稳轻微冲击冲击P固定连接钢12515010012060 90铸铁70 8050 6030

17、 45导向连接钢5040301209060注：对于被连接件表面经过淬火的导向连接,P值可提高23倍2. 平键剪应力计算2TT =式中：T：转距，同前计算（Nmmu：载荷分布不均匀系数，一般取Z:花键齿数h:花键齿的工作高度（mmdm :花键的平均直径（mm）nd 1bL式中：T,d1,L, n：与前相同b:如图所示（mm设计给定a:许用剪切应力（MPa ,按上表查取2.5.2 花键连接的强度计算_ 2T：Zhd mLu=0.7 0.8D - d对矩形化键：h:= - 2C2式中：C:倒角宽度（mm设计给定 Dd对矩形化键:dm =L :花键的工作长度（mm设计给定P:许用比压（MPa 查下表花

18、键联接的许用比压（MPa联接工作方式使用和制造情况P齿面未经热处理齿面经热处理不良35 5040 70固定联接中等60 100100140良好80 120120200不良15 2020 35不在载荷作用下中等20 3030 60移动的滑动联接良好25 4040 70不良310在载荷作用下515中等移动的滑动联接良好10 20注：i.使用和制造情况不良系指受变载、有双向冲击、振动频率高和振幅大、润滑不好（对滑动联接）、材料硬度不高和精度不高等。 2. P的较小值用于工作时间较长、载荷变化较频繁或较重要的场合。2.6 法兰的计算2.6.1 法兰螺栓载荷的计算对球阀法兰螺栓计算，当采用塑料密封圈时，

19、由于阀门的使用温度300Co此时，只计算常温下的螺栓载荷。球阀法兰的受力不同于闸阀法兰，因为球阀法兰不仅要承受流体静压力产生的轴向力从而使， 法兰分开的载荷以及确保法兰间足够的密封压紧力，同时还要承受球体与阀座密封圈之间的密封力 作用。1. 正常使用条件下螺栓的载荷计算Qlzi =Qdj +Qdf +Qdt +Qmf（N）式中：Qdj:垫片处介质作用力（N）3T Qdj = DDP -P 4式中：符号按闸阀相应规定Qdf：垫片上的密封力（N）Qdf =2 二-Ddp Bn Hdp -P式中：符号按闸阀相应规定QDT=0DJ式中：Y:系数对固定法兰取Y = 0.2Qmf：球体与密封圈之间的密封力

20、（N）4、iE Fm j对浮动球阀和固定球阀分别按下面公式计算：_ :2对浮动球阀：Qmf = Dmn +Dmw P+ 工尚16DmnDmw tg -2f式中：Dmn :阀座密封面内径（mm设计给定Dmw :阀座密封面外径（mm 设计给定E :阀座材料的弹性模数（MPa ,对聚四氟乙烯：E=470-800 MPa对尼龙：E=1500MPa&:阀座安装间隙（mm & = Dmn +Dmw MJ 4E式中：mj:在弹性范围内的密封圈横截面的许用应力对4 F： （mj=8.0 MPa,对尼龙wj=20MPaFmj :阀座的横截面积（mrm）,由阀座的结构特点确定 U :见前面f :摩

21、擦系数，按 7.3.1选取 对进口密封固定球阀：Qmf =" P （Djh2 0.4 Dmw2 0.6 Dmn'）42. 预紧条件下螺栓的载荷计算预紧螺栓承受的载荷 QLZ2Qlz2 =，wBnDnpY QMy （N）式中：Bn：垫片的有效密封宽度（mm 查资料1表3-23DDp :载荷作用处垫片的平均直径（ mm设计给定qYj：垫片或法兰接触面上的预紧比压（ MPa 查资料1表3-24 QMy：球体与密封圈之间的预紧力（N）22QMy = 4（DMW DMN 阕 M式中：qM：最小预紧比压 按7.3.2选取3. 法兰螺栓的强度计算L 二室土 1Fl式中：Qlz取QLZ1和Q

22、lz2的较大值Fl：螺栓承受应力下的最小总截面积（mrli）ol:螺栓在常温下的许用拉应力（ MPa 查资料1表3-92.6.2 法兰的强度计算1. 法兰力矩的计算作用法兰上的总力矩MzM z = QNJ 音 1 +（ D DJ D NJ 籽2 +Q D 曾 3 （N , mm）式中：Dnj：法兰内径面积上的介质静压力（N）式中:二.2Q NJ = -D N P 4Dn:法兰内径 （mm 设计给定式中：p：计算压力（MPa设计给定Qdj：垫片处介质作用力（N）冗Qdj = D dp P4Ddp :垫片的平均直径（mm 见图示，设计给定Qd :垫片载荷(NNQd =Dlz -Qdj式中：Qlz

23、:法兰螺栓的计算载荷，见 7.6.1节11, 12, 13：分别为 Qdj ,(Qdj Qnj W Qd 的力臂(mm1.llD1 -D2-S2D】-Dn -Ddp42 2. 法兰强度计算1) 法兰颈的轴向弯曲应力(W1f M zW1=2- - W J -Sm 以2) 法兰盘的径向弯曲应力(W2、一 二1.33" 1 ,W22W P x:h %3. 法兰盘的环向弯曲应力(W3W3*-W2以上公式各符号定义和数值，见闸阀 7.6.4常温法兰的强度计算。2.7 填料压盖的强度计算见闸阀7.10内容2.8 弹性元件的计算2.8.1 弹性元件的作用为了增加预紧比压或提高低压使用时的密封性。2.8.2 弹性元件的类型1. 圆柱螺旋弹簧2. 碟形弹簧3. 平板弹簧2.8.3 弹性元件的强度计算1. 圆柱螺旋弹簧其计算方法按GB 1239-89圆柱螺旋弹簧技术条件的规定2. 碟形弹簧其计算方法按 GB 1972-80碟形弹簧标准中的附录规定3. 平板弹簧下面介绍的计算方法是根据平板力学理论推导的公式，其边界条件与实际结构有些差异。因此,对于大口径球阀