【文章內(nèi)容簡介】 計算與試驗(yàn)研究相結(jié)合，呈現(xiàn)多樣化的局面。如江蘇工業(yè)學(xué)院的張鎖龍采用有限元法對球閥閥體進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)的分析 [57]，肖俊建利用有限元法建立球閥的動態(tài)模 型并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析 [8]，趙磊生、劉克銘、張力鈞、劉琳琳等都利用有限元法對不同類型的控制閥進(jìn)行了仿真設(shè)計及動態(tài)或靜態(tài)的分析 [917] ?？梢钥闯觯壳?，國內(nèi)己經(jīng)把有限元法作為控制閥的靜態(tài)分析和動態(tài)分析的重要手段，球閥各部分結(jié)構(gòu)的有限元分析模型更趨復(fù)雜、完善，計算結(jié)果精度愈來愈好，成為球閥結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的主流工具。 課題研究的領(lǐng)域 ． 1 控制閥在各生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用 球閥在個生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用如圖 1－ 1 所示： 氣動調(diào)節(jié)閥應(yīng)用水處理現(xiàn)場 應(yīng)用于水廠處理現(xiàn)場 應(yīng)用于武漢石油加氫裝置 應(yīng)用于北京燕山化工一廠加藥系統(tǒng) 圖 11 球閥的應(yīng)用 第二章球閥的簡單分析 球閥的功用和用途 由于球閥通常用橡膠、尼龍和聚四氟乙烯作為閥座密封圈材料，因此它的使用溫度受到閥座密封圈材料的限制。球閥的截止作用是靠金屬球體在介質(zhì)的作用下，于塑料閥座之間相互壓緊來完成的（浮動球球閥）。閥座密封圈在一定的接觸壓力作用下，局部地區(qū)發(fā)生彈塑變形。這一變形可以補(bǔ)償球體的制造精度和表面粗糙度，保證球閥 的密封性能。 又由于球閥的閥座密封圈通常采用塑料制成，故在選擇球閥的結(jié)構(gòu)和性能上，要考慮球閥的耐火和防火，特別是在石油、化工、冶金等部門，在易燃、易爆介質(zhì)的設(shè)備和管路系統(tǒng)中使用球閥，更應(yīng)注意耐火和防火。 通常，在雙位調(diào)節(jié)、密封性能嚴(yán)格、泥漿、磨損、縮口通道、啟閉動作迅速（ 1/4 轉(zhuǎn)啟閉）、高壓截止（壓差大）、低噪聲、有氣穴和氣化現(xiàn)象、向大氣少量滲漏，操作力矩小、流體阻力小的管路系統(tǒng)中，推薦使用球閥。 球閥也適用于輕型結(jié)構(gòu)、低壓截止（壓差?。⒏g性介質(zhì)的管路系統(tǒng)中。在低溫（深冷）裝置和管路系統(tǒng)中也可選用 球閥。在冶金行業(yè)的氧氣管路系統(tǒng)中，需使用經(jīng)過嚴(yán)格脫脂處理的球閥。在輸油管線和輸氣管線中的主管線需埋設(shè)在地下時，需使用全通徑焊接式球閥。在要求具有調(diào)節(jié)性能時，需選用帶 V 形開口的專用結(jié)構(gòu)的球閥。在石油、石油化工、化工、電力、城市建設(shè)中，工作溫度在200 度以上的管路系統(tǒng)可選用金屬對金屬密封的球閥。 球閥的工作原理 球閥的工作原理是靠旋轉(zhuǎn) 球體 來使 閥 門 暢通或閉塞。球閥開關(guān)輕便，體積小，可以做成很大口徑，密封可靠，結(jié)構(gòu) 簡單，維修方便，密封面與球面常在閉合狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖蝕，在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用 。 球閥有兩種口徑的結(jié)構(gòu)形式，球體通孔的直徑等于管道的內(nèi)經(jīng)，這種球閥稱全通經(jīng)球閥。通孔的直徑略小于管道的內(nèi)經(jīng)，稱縮經(jīng)球閥。此次設(shè)計的是全通徑軟密封球閥。 設(shè)計固定球閥應(yīng)考慮殼體剛度強(qiáng)度、閥桿強(qiáng)度、中法蘭強(qiáng)度、填料高度等力學(xué)性能。還應(yīng)考慮使用年限、防火、防靜電、外觀及便于制造、安裝使用、維修等特點(diǎn)。 球閥它具有旋轉(zhuǎn) 90 度的動作，旋塞體為球體，有圓形通孔或通道通 過其軸線。球閥在管路中主要用來做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動方向，它只需要用旋轉(zhuǎn) 90 度的操作和很小的轉(zhuǎn)動力矩就能關(guān)閉嚴(yán)密。球閥最適宜做開關(guān)、切斷閥使用，但近來的發(fā)展已將球閥設(shè)計成使它具有節(jié)流和控制流量之用，如 V 型球閥。 3AA45 6 7 8 9 11AA 104M1225GB898764M12GB61708611585254　　　　1414261455612856A螺紋壓環(huán)1110987654321序號閥體接頭墊 片球 心法 蘭密封圈墊密封圈閥 體扳 手閥 桿數(shù)量25A32511122111111備 注12件1 : 2（校名）球心閥零件名稱 材 料聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯C r 1 8 N i 1 2 M o 2 T iC r 1 8 N i 1 2 M o 2 T iC r 1 8 N i 1 2 M o 2 T iC r 1 8 N i 1 2 M o 2 T i 圖號1 8 . 0 2 . 0 0成績件數(shù)材料比例（學(xué)號）（日期）（日期）班級制圖審核 2. 法蘭 7. 密封圈 球心內(nèi)孔的軸線與閥體及閥體接頭內(nèi)孔的軸線呈垂直相交狀態(tài)。此時液體通路被球心阻 塞，呈關(guān)閉斷流狀態(tài)。轉(zhuǎn)動扳手 9，扳手左端的方孔帶動閥桿旋轉(zhuǎn)，閥桿帶動球心旋轉(zhuǎn)，球心內(nèi)孔與閥體內(nèi)孔、閥體接頭內(nèi)孔逐漸接通。當(dāng)板手旋轉(zhuǎn)至 90176。時，球心內(nèi)孔軸線與閥體內(nèi)孔、閥體接頭內(nèi)孔軸線重合，此時液體的阻力最小，流過閥的流量為最大。轉(zhuǎn)動扳手 9 處于不同位置時，流過閥的液體流量不同，從而起到控制液體流量的作用。 球閥的主要特點(diǎn) 球閥的主要特點(diǎn)是本身結(jié)構(gòu)緊湊，密封可靠， 流體阻力小，維修方便。 球面常在閉合狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖蝕，易于操作和維修，適用于水、溶劑、酸和天然氣等一般工作介質(zhì)，而且還適用于工作條件惡劣的介質(zhì) ，如氧氣、過氧化氫、甲烷和乙烯等，在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。球閥閥體可以是整體的，也可以是組合式的。 優(yōu)點(diǎn)： 1．流體阻力小。一般有縮經(jīng)和全通徑兩種結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，球閥的流阻系數(shù)都是很小的。特別是全通經(jīng)球閥，由于其通道直徑等于管道內(nèi)經(jīng)，故在所有閥門中，這種閥門的流阻是最小的。 2． 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。 3．緊密可靠， 兩個密封面，而且目前球閥的密封面材料廣泛使用各種塑料，密封性好，能實(shí)現(xiàn)完全密封。在真空系統(tǒng)中也已廣泛使用。 4．啟閉迅速球閥在一般情況下只需要轉(zhuǎn)動 90176。就可完成了全開或全關(guān)動作，所 以很容易實(shí)現(xiàn)啟閉，啟閉時間少 ，便于遠(yuǎn)距離的控制。 5． 維修方便，球閥結(jié)構(gòu)簡單，密封圈一般都是活動的，拆卸更換都比較方便。 6． 在全開或全閉時，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，介質(zhì)通過時，不會引起閥門密封面的侵蝕。 7． 適用范圍廣，通徑從小到幾毫米，大到幾米，從高真空至高壓力都可應(yīng)用。 8．可靠性高。閥的可靠性高主要的原因是： 球體與閥座是硬密封所以密封圈不會因高溫而融化，可以在高溫的工作條件下適用。 閥桿設(shè)計成在工作環(huán)境中拆去填料壓蓋閥桿不會飛出的結(jié)構(gòu)，消除了填料壓蓋松開而飛出的事故隱患； 采用防 靜電裝置，適用于輸送石油、天然氣、煤氣的管線。 9． 由于球閥在啟閉過程中有擦拭性，所以可用于帶懸浮固體顆粒的介質(zhì)中。 缺點(diǎn)： ，造價昂貴，高溫中不易使用 。 設(shè)計需達(dá)到技術(shù)要求 ． 1 閥體 1．閥體壁厚應(yīng)符合 ASME 的要求。 2．法蘭連接閥門的結(jié)構(gòu)長度應(yīng)符合 ASME 長型或短型的規(guī)定。 3．端法蘭尺寸和法蘭端面的粗糙度按 ASME 的規(guī)定 4．閥門零件材料的抗腐蝕性應(yīng)不低于閥體材料。 ． 2 球體 球體的通道應(yīng)是圓形的，球閥全開時應(yīng)保證球體通道與閥 體通道在同一軸線上。球體材料的抗腐蝕性應(yīng)不低于閥體材料。 ． 3 閥桿 閥桿應(yīng)設(shè)計成當(dāng)填料或填料壓蓋拆除后能防止內(nèi)壓使閥桿沖出的防閥桿沖 出裝置。閥桿材料的抗腐蝕性應(yīng)不低于閥體材料。 第三章球閥的類型、結(jié)構(gòu)及其材料 球閥類型 球閥的結(jié)構(gòu)形式和品種規(guī)格非常之多，根據(jù)其用途和特點(diǎn)大致可分為以下幾種： 浮動球球閥、固定球球閥、軌道球閥、 V 型球閥、 三通球閥 、不銹鋼球閥、鍛鋼球閥、卸灰球閥、抗硫球閥、三通球閥、氣動球閥、電動球閥、卡套球閥、焊接球閥。 1．按球體的支撐方式分為浮動球球閥和固定球球閥兩類。 浮動球 球閥：其主要特點(diǎn)是球體無支撐軸球體以閥門進(jìn)出口兩端的閥座為支撐。閥桿與球體為活動鏈接，因此這種球閥的球體被兩閥座夾持其中而呈“浮動”狀態(tài)。 2．定球球閥：其特點(diǎn)是球體與上下閥桿連成一體，球體可沿與閥門通道相垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動，但不能沿通道軸線移動。因而，固定球球閥的轉(zhuǎn)矩小，閥座變形小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長，適用于高壓，大通徑的場合。 3．按球體的安裝方式可分為頂裝式，底裝式，側(cè)裝式及斜裝式四種。 4．按球體結(jié)構(gòu)可分為整體球球閥，半球體球閥，截球體球閥三種。其中截球體球閥又分為弓形和扇形截球體球閥。 5． 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和焊接連接球閥四三種。其中法蘭連接球閥又分為整體法蘭連接球閥，螺紋法蘭連接球閥，對夾式法蘭連接球閥和焊接法蘭連接球閥。 6．按閥體通道數(shù)量和球體通道形式可分為二通球閥，三通球閥，四通球閥及多通球閥。其中二通球閥又分為直通式二通球閥和直角式二通球閥。三通球閥又分為 L 型 ,T 型 ,Y 型及空間交叉角式三通球閥。 7．按驅(qū)動方式可分為手動，氣動，液動和電動球閥。其中手動球閥又分為帶與不帶驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩種。氣動球閥又分為活塞氣缸式和旋轉(zhuǎn)葉片式兩種。此外還有組合式 球閥，如電液聯(lián)動和氣液聯(lián)動球閥。 8．按用途可分為真空球閥，低溫及超低溫球閥，高溫球閥，保溫球閥，耐腐蝕球閥，收發(fā)球球閥以及多功能球閥。 球閥的結(jié)構(gòu) 球閥是由閥體、閥蓋、閥桿、球體、手柄等結(jié)構(gòu)組成。 球閥的材料 球閥的基體材料通常包括不銹鋼系、硬質(zhì)合金系和特種合金系，因?yàn)檫@幾種材料有較好的高溫穩(wěn)定性。球體和閥座應(yīng)采用抗腐蝕性能不低于閥體抗腐蝕性能的材料。閥桿是閥門中重要的受力零件，閥桿的材料必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能耐介質(zhì)、大氣及填料的腐蝕性，耐擦傷，工藝性好。連接螺栓和螺母可用經(jīng)調(diào)制處 理的高強(qiáng)度合金鋼制作（最低抗拉強(qiáng)度大于 690MPa）。本文所設(shè)計的閥體采用鑄鐵 230— ，如耐熱、耐磨、耐腐蝕等；有良好的焊接性能，有利于鑄件的修補(bǔ)和組合，各部件結(jié)構(gòu)可設(shè)計勻稱，能抵抗變形。 球閥的密封性 球閥的密封性指標(biāo)由內(nèi)泄漏和外泄漏要求確定，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非金屬密封球閥的密封性按 GB/T13927《通用閥門壓力試驗(yàn)》的 A 級執(zhí)行，要求“在試驗(yàn)持續(xù)時間內(nèi)無可見泄漏”；航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地面氣體管路系統(tǒng)用球閥“在 和 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3min， 內(nèi)泄漏率應(yīng)不大于 3 105Pa m3/s (無氣泡逸出 )；在 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3min，外泄漏率應(yīng)不大于 1 105Pa m3/s。 ． 1 影響球閥密封性的主要因素 影響球閥密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球體圓度參數(shù)。眾所周知，無論采用如何先進(jìn)的加工技術(shù)，都不可能完全消除球體的圓度誤差及密封面的微觀缺陷，因此，為了達(dá)到良好的密封效果并保證加工過程可以實(shí)現(xiàn)，必須確定合適的密封面粗糙度和球體圓度參數(shù)值。有關(guān)資料推薦，球體密封面的粗糙度 Ra值最大允許值為 0 4μ m；密封座粗糙度 Ra 值在以 聚四氟乙烯為密封材料時最大允許值為 0 8μ m。球面的圓度公差，按 GB/T1184 附表 2 的 6 級精度較為合適。 第四章球閥的維護(hù)、保養(yǎng)、安裝和使用等注意事項(xiàng) 操作 1． 操作前須確認(rèn)管路和閥已被沖洗過。 2． 閥的操作按執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號大小帶動閥桿旋轉(zhuǎn)完成：正向旋轉(zhuǎn) 1/4 圈（ 90176。 ）時，閥關(guān)斷。反向旋轉(zhuǎn) 1/4 圈（ 90176。 ）時，閥開啟。 3． 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方向指示箭頭與管線平行時，閥門為開啟狀態(tài)；指示箭頭與管線垂直時，閥門為關(guān)閉狀態(tài)。 維護(hù)、保養(yǎng)、安裝和使用注意事項(xiàng) 維護(hù)保養(yǎng)注意要點(diǎn)： 一） 閥門應(yīng) 放在干燥通風(fēng)的室內(nèi) , 通徑兩端須密封防塵。 二） 長期存放應(yīng)定期檢查 , 并在加工表面上涂油 , 防止銹蝕 。 三） 閥門安裝前應(yīng)仔細(xì)核對標(biāo)志是否與使用要求相符。 四）安裝時應(yīng)清潔內(nèi)腔和密封面 , 檢查填料是否壓緊 , 連接螺栓是否均勻擰緊。 五） 閥門應(yīng)按照允許的工作位置安裝 , 但須注意檢修和操作的方便。 六）使用中 , 不可將閘閥部分開啟調(diào)節(jié)流量 , 以免在介質(zhì)流速較高時使密封面損壞 , 宜全開或全閉。 七）在開啟或關(guān)閉時旋轉(zhuǎn)手輪 , 不宜借助其它輔助杠桿。 八）傳動件應(yīng)定期加油潤滑。 九）安裝后應(yīng)定時檢修 , 清楚內(nèi)腔的污垢 , 檢查密封面 , 閥桿螺母磨損情況。 十）應(yīng)有一套科學(xué)正確的安裝作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，檢修應(yīng)進(jìn)行密封性能實(shí)驗(yàn) , 并做好詳細(xì)的記錄以備考察。 閥門安裝的注意事項(xiàng)： 閥門安裝之前，要確認(rèn)閥門符合設(shè)計要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 安裝前，管道內(nèi)部要清洗，除去鐵屑等雜質(zhì)，防止閥門密封座夾雜異物。另外，安裝時的閥門應(yīng)是關(guān)閉狀態(tài)。 在安裝閥門時，要確認(rèn)介質(zhì)流向、安裝形式及手輪位置是否符合規(guī)定。 在搬運(yùn)和安裝閥門時，要謹(jǐn)防磕碰劃傷的事故。 起吊閥門作業(yè)時。閥門要在指定的起吊位置上正確起吊 ，不得使閥門僅在局部受力的情況下進(jìn)行起吊或牽引。 法蘭連接閥門的安裝。 連接兩個法蘭時，首先要使法蘭密封面與墊片均勻壓緊，由此保證靠同等的螺栓應(yīng)力對法蘭進(jìn)行連接。 在緊固螺栓時，要使用與螺母相匹配的扳手，當(dāng)使用油壓、風(fēng)動工具進(jìn)行緊固時，注意不要超過規(guī)定的力矩。 法蘭的緊固要避免用力不勻，應(yīng)按照對稱、交義的方向順序旋緊。 法蘭的安裝后，要確認(rèn)所有的螺栓螺母的堅固均勻。 密封面泄漏 1 球體、閥座夾有雜物 2 球體、閥座關(guān)閉位置不吻合 3 彈簧失效 4 閥座磨損 1 清除雜質(zhì)，清洗閥門內(nèi)腔 2 調(diào)節(jié)球體與閥座至吻合位置正確 3 更換彈簧 4 更換閥座 可能發(fā)生的故障及消除辦法 球閥的部分參數(shù)等級 1． 公稱壓力或壓力級： 、 ANSI CLASS 150900、 JIS1020K； 2． 公稱通徑或口徑： DN6～ 900、 NPS 1/4 ～ 36； 3． 連接方式：法蘭、對焊、螺紋、承插焊等； 4． 適用溫度： 196℃ ～ 540℃ ； 5． 驅(qū)動方式：手動、蝸輪蝸桿傳動、氣動、電動、液動、氣 液聯(lián)動、電液聯(lián)動； 6． 閥體材料： WCB、 ZG1Cr18Ni9Ti、 ZG1Cr18Ni12Mo2Ti、 CF8(304)、 CF3(304L)、CF8M(316)、 CF3M (316L)、 Ti。選用不同的材質(zhì)，可分別適用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氧化性介質(zhì)、尿素等多種介質(zhì)。 主要零部件材料和設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn) 閥體─ WCB 閥座─ 25 球體─ 2Cr13 閥桿─ 2Cr13 制造標(biāo)準(zhǔn) —— API 608 尺寸公差 —— GB/T 18042021m 的規(guī)定 材料標(biāo)準(zhǔn) —— ASME B14352 的規(guī)定 法蘭尺寸標(biāo)準(zhǔn) —— ASME 的規(guī)定 壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) —— API 598 的規(guī)定 第五章 固定球閥實(shí)體模型的建立 Pro/Engineer 是美國 PTC 公司的產(chǎn)品，于 1988 年問世。 10 多年來，經(jīng)歷20 余次的改版，已成為全世界及中國地區(qū)最普及的 3D CAD/CAM 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，閥門兩中面泄漏 1 兩側(cè)密封圈或墊片失效 2 法蘭壓緊力不均或未壓緊 1 更換密封圈或墊片 2 壓緊法蘭螺栓 廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計、汽車、航天、家電、玩具等行業(yè)。Pro/ENGINEER 是一個基于特征的（ FeatureBased）實(shí)體模型建模工具，利用每次個別建構(gòu)區(qū)塊的方式構(gòu)建模型。設(shè)計者根據(jù)每個加工 過程，在模型上構(gòu)建一個單獨(dú)特征。特征是最小的建構(gòu)區(qū)塊，若以簡單的特征建構(gòu)模型