【正文】 乏適當(dāng)?shù)拿芊獠牧?，限制了求法的發(fā)展， 使它未能成為一種正式工業(yè)產(chǎn)品。直到上世紀(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)生和發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)；同時(shí)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與表面粗糙度。 球閥是上世紀(jì) 50年代問(wèn)世的一種新型閥門。在短短的 30 多年里，球閥已發(fā)展成為一種主要的閥類，它在航空航天、石油化工、長(zhǎng)輸管線、輕工食品、建筑等許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用。目前球閥最大公稱通徑已達(dá) 3050mm，這是美國(guó) EscherWyss 公司為田納西州的一個(gè)泵站所提供的四臺(tái)球閥，用作透平機(jī)出口的切斷閥，設(shè)計(jì)壓力為 。球閥的最高工作壓力已達(dá) 72Mpa，其相應(yīng)溫度高達(dá) 1000℃。 球閥不僅在一般工業(yè)管道上得到了廣泛應(yīng)用，而且在核工業(yè)、宇航工業(yè)的液氧與液輕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、重量輕、成本低。西德一家閥門公司已制造通徑為 6“的塑料球閥；美國(guó) Hill Maccanng 公司制成一種含氟材料球閥，商業(yè)名稱為 Kynar，據(jù)稱有高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐溫與耐腐蝕性能，使用溫度為《 250℃。 同時(shí)隨著時(shí)代的發(fā)展，進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，生產(chǎn)和制造技術(shù)有了顯著優(yōu)化提高，同時(shí)， 技術(shù)人員大都通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)和控制優(yōu)化，在很大程度上提高了設(shè)計(jì)速度和更新周期。 目前，全球的控制閻市場(chǎng)如同大部分工業(yè)品一樣被三個(gè)經(jīng)濟(jì)體瓜分，分別是美 國(guó)為代表的北美經(jīng)濟(jì)體，以德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)為代表的歐盟地區(qū)，和以日本為代表 的亞太地區(qū)。 美國(guó)是全球最大的閥門供應(yīng)商，其閥門協(xié)會(huì)有超過(guò) 110家企業(yè)，年產(chǎn)值超過(guò)武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 40億美元。 1984年就在中國(guó)開展業(yè)務(wù)的 FIS}玎訊控制閥由于進(jìn)入中國(guó)較早，其產(chǎn)品已經(jīng)成為中國(guó)教科書的樣板。 德國(guó)在二戰(zhàn)之后迅速恢復(fù)經(jīng)濟(jì)，其產(chǎn)品通過(guò)優(yōu)良的質(zhì)量迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。德國(guó)閥門企業(yè)一般都 屬于專業(yè)性很強(qiáng)的公司，在某一類產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)和制造方面都有自己的特色。 日本作為世界第二經(jīng)濟(jì)體，其閥類產(chǎn)品由于價(jià)格適中，質(zhì)量較好，迅速占領(lǐng)了中國(guó)中低端市場(chǎng)。 目前我國(guó)關(guān)于球閥的生產(chǎn)企業(yè)大多規(guī)模小、科研能力弱，大多通過(guò)參考外國(guó)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其主要原因是技術(shù)投入資金不足，科研人員數(shù)量不足，所以在國(guó)內(nèi)很多的大型工程招標(biāo)中大多被外國(guó)閥門企業(yè)所壟斷。 、方法和目標(biāo) 球閥作為新型的閥門品種之一，關(guān)于球閥的設(shè)計(jì)方案十分稀少，本文的主要研究?jī)?nèi)容包括對(duì)球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。球閥的設(shè)計(jì)要求保證合適的強(qiáng)度與 剛度，從而保證球閥的壽命和穩(wěn)定性。本課題主要以 DN 為 250mm， P 為 2Mpa的球閥，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核，以及關(guān)鍵零部件的分析，同時(shí)進(jìn)行三維建模。課題的研究?jī)?nèi)容和方法主要包括： （ 1）設(shè)計(jì)球閥結(jié)構(gòu)并進(jìn)行強(qiáng)度校核 通過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)球閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括閥體、閥桿、閥芯以及省力機(jī)構(gòu)的選用與設(shè)計(jì)，并對(duì)其受力分析，然后再確定材料后進(jìn)行強(qiáng)度校核。 （ 2）建立球閥的三維模型 通過(guò) soliderworks 三維軟件對(duì)球閥零件進(jìn)行實(shí)體建模，并進(jìn)行裝配。 （ 3） ANSYS 軟件分析 對(duì)球閥的三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略不受力 的小零件，通過(guò) soliderworks和 ANSYS 的接口程序?qū)?shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 中，生成實(shí)體模型，然后選擇單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并根據(jù)工作條件對(duì)球閥施加約束，從而建立球閥的有限元模 型。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核 、作用原理、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)分類 球閥的構(gòu)成 圖 21 手動(dòng)浮動(dòng)球球閥結(jié)構(gòu) 1— 閥體 2— 閥座 3— 球體 4— 閥桿 5— 手柄 球閥主要由閥體、球體、閥桿、閥芯、閥座和省力機(jī)構(gòu)等幾部分主要零件構(gòu)成。下面對(duì)上述幾個(gè)重要零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。圖 21 為球閥結(jié)構(gòu)圖 。 球閥 的作用原理 球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體管道，即球閥通常為閉路閥。因此，球閥的作用原理很簡(jiǎn)單：借助驅(qū)動(dòng)裝置的在閥桿端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn) 90176。，球體的通孔則與閥體通道中心線重合或者垂直，球閥便完成了全開或全關(guān)的動(dòng)作。 球閥 的特點(diǎn) 球閥的主要特點(diǎn)如下：流體阻力小、開關(guān)迅速、方便、密封性好、壽命長(zhǎng)、武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 可靠性高，而且閥體內(nèi)通道平整光滑適于輸送粘性流體，漿液，以及固體顆粒。 球閥 的結(jié)構(gòu)類型 按球體和閥體的不同結(jié)構(gòu)形式，球閥可以分幾大類。 1. 按球體的支撐方式 分類 按球體的支撐方式，球閥可分為浮動(dòng)球球閥和固定球球閥兩大類。其中浮動(dòng)球閥的特點(diǎn)十分突出，主要有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、工作可靠。而固定球閥的轉(zhuǎn)矩小，閥座形變小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，適用于高壓、大通徑場(chǎng)合。 2. 按球體的安裝方式分類 按球體的安裝方式可分為頂裝式、底裝式、側(cè)裝式和斜裝式。本次球閥設(shè)計(jì)選用了側(cè)裝法蘭連接二分體式球閥，其特點(diǎn)是將閥體沿與閥門通道軸線相垂直的截面分為不對(duì)稱的左右兩半，球體從截分面孔道裝入，左、右兩半閥體用法蘭連接的球閥。 3. 按球閥與管道的連接形式分類 按球閥與管道的連接形式可分為法蘭 連接球閥、內(nèi)螺紋和外螺紋連接球閥以及焊接連接球閥。其選用在閥體設(shè)計(jì)中有詳細(xì)說(shuō)明。 球體的直徑大小影響球閥結(jié)構(gòu)的緊湊性，應(yīng)此應(yīng)盡量縮小球體直徑。球體半徑一般按 R=? ?~ d計(jì)算。同時(shí)為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進(jìn)行校核： )(222m in mmdDD ?? （ 21） 必須滿足 D＞ minD ， 式中 minD 為最小球體直徑（ mm）； 2D — 閥座外徑（ mm）； d— 球體通道孔直徑（ mm）； D— 球體實(shí)際直徑（ mm）。 由上面可知可取球體直徑 D=380mm， 2802 ?D mm。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 必需比壓的計(jì)算 必需比壓是為保證密封，密封面單位面積上所必需的最小壓力，以 qb 表示。 由于流體壓力或附加外力的作用，在球體與 閥座之間產(chǎn)生壓緊力，于是 必需比壓式球閥設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù)之一，它直接影響球閥的性能及結(jié)構(gòu)尺寸。下面是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的計(jì)算公式： )( bcPamqb ?? MPa （ 22） 式中 m— 與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)； a， c— 與密封面材料有關(guān)的系數(shù)； P— 流體工作壓力； b— 密封面在垂直于流體流動(dòng)方向上的投影寬度； t— 密封面 寬度； 其中查表 21 可得 m=1， a=， b=， P=2Mpa。 b 將在下面中計(jì)算得出。 表 21 密封材料 a c 鋼硬質(zhì)合金 1 鋁、鋁合金、聚四氟乙烯 、尼龍、硬聚氟乙烯 青銅、黃銅、鑄鐵 1 中硬橡膠 軟橡膠 需用比壓選擇 密封面單位面積上允許的最大壓力稱為需用比壓，以 ??q 表示。本此設(shè)計(jì)球閥通過(guò)查詢《球閥設(shè)計(jì)與選用》密封面材料許用比壓表可知，選取尼龍 ??q =30Mpa。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算 設(shè) 計(jì)時(shí)確定的在密封面單位面積上的壓力，稱為設(shè)計(jì)比壓，以 q表示。選擇比壓比應(yīng)是密封可靠、壽命長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)緊湊。必須保證： bq ＜ q＜ ??q （ 23）設(shè)計(jì)比壓按圖 22 中的力的平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算： SNq? （ 24） 式中 N—— 球體對(duì)閥座密封面的法向力 (N)； ?cosQN? （ 25） S— 閥座與球體杰出的球星環(huán)帶面積， S=2Π r（ 21 LL? ） Q— 作用于閥座密封面上的沿流體方向的合力 ； ? — 密封面法向與流道中心線的夾角。 RLLRK 2 21 c o s ???? ； 圖 22 比壓計(jì)算圖 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 21,LL — 球體中心線執(zhí)法作兩段面的距離（ mm） ， 442121 DRL ??。442222 DRL ??； 1D — 閥座內(nèi)徑； 2D — 發(fā)作外徑； mD — 閥座平均直徑（ mm）， 2 21 DDD m ?? ； R— 球體半徑（ mm）。 整理可得 : ）π （ 2122 4 DD Qq ? （ 26） 由于球閥的密封力還未計(jì)算故需計(jì)算完，故在下節(jié)給出設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算結(jié)果。 為簡(jiǎn)化計(jì)算，往往忽略預(yù)緊力 1Q ,閥座滑動(dòng)摩擦力及流體靜壓力 2Q 在密封面余隙中的作用力 JQ ,這樣密封力僅等于流體靜壓力在閥座密封面上的作用力MJQ (N)，即 P)DD16PD4 2212m ???? （ππMJ= （ 27） 將上式代入式 25 可得 PDD DD )(4 )(q 12 12 ??? ＜ ??q （ 28） 可得 q= 在球閥初步設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于確定 b， DN 及 P 的關(guān)系，設(shè) DND?1 ， q=??q 代 入上式可得 ? ? PPqDNb ?? 4 （ mm） （ 29） 由需用比壓 ??q =30Mpa， DN=250mm， P=2Mpa代入得： 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 b=，代入式 22 可得 ?bq 顯然滿足 bq ＜ q＜ ??q 球閥密封力的精確計(jì)算還要計(jì)算預(yù)緊力 1Q ,故可知； Q= 1Q + MJQ （ 210） 預(yù)緊力計(jì)算公式如下： )(q4 2122m in1 DDQ ?? π （ N） （ 211） 式中 minq — 預(yù)緊所需的最小比壓， Pq ? (Mpa)； 1D 、 2D — 閥座內(nèi)徑和外徑（ mm）。 可得 1Q =，故 Q=。 由于本球閥為浮動(dòng)球閥故其轉(zhuǎn)矩 0M 計(jì)算公式如下： utm MMMM ??? (212) 式中 mM — 球體與閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩； mM — 閥桿與填料之間摩擦轉(zhuǎn)矩； uM — 閥桿臺(tái)肩與止推墊間的摩擦轉(zhuǎn)矩。 Mm 和 uM 的計(jì)算見 。 FrMm? (213) 式中 F— 球體與閥座之間的密封力， TNF ?? ,?cosQN?（ N）； r— 摩擦 半徑， 2 )cos1( ??? Rr ， 球體摩擦半徑計(jì)算圖如 圖 23所示； R— 球體半徑（ mm）； ? — 密封面對(duì)中心的斜角； T? — 球體與密封圈之間的摩擦系數(shù)，查表得 ?T? 。武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 23 球體摩擦半徑計(jì)算 則Tm QRM ?? ?c os2 )c os1( ??= 63 )( xxx