【正文】 油化工、長輸管線、輕工食品、建筑等許多方面都得到了廣泛的應用。閥體結構的設計是否合理，將直接影響球閥的使用性能。 球閥閥體的結構分析和計算主要有兩種方法 :經典力學方法和有限元計算方法。有限元法是在近幾年代發(fā)展起來的強有力的數(shù)值分析方法，它通過計算機實體建模對閥體結構進行靜態(tài)或動態(tài)特性分析，找出其結構設計的關鍵部分，從而進行優(yōu)化設計。 目前，國內外在結構動態(tài)領域的研究十分活躍，特別是美國、西歐等一些工業(yè)發(fā)達國家，十分重視關于結構動態(tài)涉及問題的研究，并將 其列為結構設計領域的重點發(fā)展方向之一。結構動態(tài)設計的 內容十分豐富，涉及現(xiàn)代動態(tài)分析方法、計算機技術、產品結構力學理論、設計方法學等眾多學科范圍，目前還沒有形成一套完整的結構動態(tài)設計理論方法和體系 [2]。其過程是：對滿足工作性能要求的產品初步設計圖樣或需要改進的產品實物進行力學建模，并作動態(tài)特性分析，然后根據實際情況，給出其動態(tài)特性的要求或預定的動態(tài)射擊目標再按結構動 力學的“正”、“逆”問題求解其結構設計參數(shù)或進行結構修改 [4]。有限元分析方法在國內已開始普遍應用于球閥閥體的結構分析，研究方向也由單純靜力分析向參數(shù)化建模、結構優(yōu)化和動態(tài)特性等擴展，而且將有限元分析計算與試驗研究相結合，呈現(xiàn)多樣化的局面。可以看出，目前，國內己經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，球閥各部分結構的有限元分析模型更趨復雜、完善，計算結果精度愈來愈好，成為球閥結構分析和設計的主流工具。球閥的截止作用是靠金屬球體在介質的作用下，于塑料閥座之間相互壓緊來完成的（浮動球球閥）。這一變形可以補償球體的制造精度和表面粗糙度，保證球閥 的密封性能。 通常，在雙位調節(jié)、密封性能嚴格、泥漿、磨損、縮口通道、啟閉動作迅速（ 1/4 轉啟閉）、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。在低溫（深冷）裝置和管路系統(tǒng)中也可選用 球閥。在輸油管線和輸氣管線中的主管線需埋設在地下時，需使用全通徑焊接式球閥。在石油、石油化工、化工、電力、城市建設中，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。球閥開關輕便，體積小，可以做成很大口徑，密封可靠，結構 簡單，維修方便，密封面與球面常在閉合狀態(tài)，不易被介質沖蝕，在各行業(yè)得到廣泛的應用 。通孔的直徑略小于管道的內經，稱縮經球閥。 設計固定球閥應考慮殼體剛度強度、閥桿強度、中法蘭強度、填料高度等力學性能。 球閥它具有旋轉 90 度的動作，旋塞體為球體，有圓形通孔或通道通 過其軸線。球閥最適宜做開關、切斷閥使用，但近來的發(fā)展已將球閥設計成使它具有節(jié)流和控制流量之用，如 V 型球閥。此時液體通路被球心阻 塞，呈關閉斷流狀態(tài)。當板手旋轉至 90176。轉動扳手 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。 球面常在閉合狀態(tài)，不易被介質沖蝕，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，而且還適用于工作條件惡劣的介質 ，如氧氣、過氧化氫、甲烷和乙烯等，在各行業(yè)得到廣泛的應用。 優(yōu)點： 1．流體阻力小。無論哪種結構，球閥的流阻系數(shù)都是很小的。 2． 結構簡單、體積小、重量輕。在真空系統(tǒng)中也已廣泛使用。就可完成了全開或全關動作，所 以很容易實現(xiàn)啟閉，啟閉時間少 ，便于遠距離的控制。 6． 在全開或全閉時，球體和閥座的密封面與介質隔離，介質通過時，不會引起閥門密封面的侵蝕。 8．可靠性高。 閥桿設計成在工作環(huán)境中拆去填料壓蓋閥桿不會飛出的結構，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。 缺點： ，造價昂貴，高溫中不易使用 。 2．法蘭連接閥門的結構長度應符合 ASME 長型或短型的規(guī)定。 ． 2 球體 球體的通道應是圓形的，球閥全開時應保證球體通道與閥 體通道在同一軸線上。 ． 3 閥桿 閥桿應設計成當填料或填料壓蓋拆除后能防止內壓使閥桿沖出的防閥桿沖 出裝置。 第三章球閥的類型、結構及其材料 球閥類型 球閥的結構形式和品種規(guī)格非常之多，根據其用途和特點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。 浮動球 球閥：其主要特點是球體無支撐軸球體以閥門進出口兩端的閥座為支撐。 2．定球球閥：其特點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動，但不能沿通道軸線移動。 3．按球體的安裝方式可分為頂裝式，底裝式，側裝式及斜裝式四種。其中截球體球閥又分為弓形和扇形截球體球閥。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。其中二通球閥又分為直通式二通球閥和直角式二通球閥。 7．按驅動方式可分為手動，氣動，液動和電動球閥。氣動球閥又分為活塞氣缸式和旋轉葉片式兩種。 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。 球閥的材料 球閥的基體材料通常包括不銹鋼系、硬質合金系和特種合金系，因為這幾種材料有較好的高溫穩(wěn)定性。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度和韌性，能耐介質、大氣及填料的腐蝕性，耐擦傷，工藝性好。本文所設計的閥體采用鑄鐵 230— ，如耐熱、耐磨、耐腐蝕等；有良好的焊接性能，有利于鑄件的修補和組合，各部件結構可設計勻稱，能抵抗變形。 m3/s (無氣泡逸出 )；在 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3min，外泄漏率應不大于 1 105Pa ． 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)。有關資料推薦，球體密封面的粗糙度 Ra值最大允許值為 0 8μ m。 第四章球閥的維護、保養(yǎng)、安裝和使用等注意事項 操作 1． 操作前須確認管路和閥已被沖洗過。 ）時，閥關斷。 ）時，閥開啟。 維護、保養(yǎng)、安裝和使用注意事項 維護保養(yǎng)注意要點： 一） 閥門應 放在干燥通風的室內 , 通徑兩端須密封防塵。 三） 閥門安裝前應仔細核對標志是否與使用要求相符。 五） 閥門應按照允許的工作位置安裝 , 但須注意檢修和操作的方便。 七）在開啟或關閉時旋轉手輪 , 不宜借助其它輔助杠桿。 九）安裝后應定時檢修 , 清楚內腔的污垢 , 檢查密封面 , 閥桿螺母磨損情況。 閥門安裝的注意事項： 閥門安裝之前，要確認閥門符合設計要求和有關標準。另外，安裝時的閥門應是關閉狀態(tài)。 在搬運和安裝閥門時，要謹防磕碰劃傷的事故。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行起吊或牽引。 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力對法蘭進行連接。 法蘭的緊固要避免用力不勻，應按照對稱、交義的方向順序旋緊。 密封面泄漏 1 球體、閥座夾有雜物 2 球體、閥座關閉位置不吻合 3 彈簧失效 4 閥座磨損 1 清除雜質，清洗閥門內腔 2 調節(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。 主要零部件材料和設計采用標準 閥體─ WCB 閥座─ 25 球體─ 2Cr13 閥桿─ 2Cr13 制造標準 —— API 608 尺寸公差 —— GB/T 18042021m 的規(guī)定 材料標準 —— ASME B14352 的規(guī)定 法蘭尺寸標準 —— ASME 的規(guī)定 壓力試驗標準 —— API 598 的規(guī)定 第五章 固定球閥實體模型的建立 Pro/Engineer 是美國 PTC 公司的產品，于 1988 年問世。Pro/ENGINEER 是一個基于特征的（ FeatureBased）實體模型建模工具，利用每次個別建構區(qū)塊的方式構建模型。特征是最小的建構區(qū)塊，若以簡單的特征建構模型，在修改模型時，更有彈性。由于各功能模塊之間是相互關聯(lián)的，如果改變裝配中的某一零件，系統(tǒng)將會自動地在該裝配中的其他零件與繪圖上反映該變化。如果 某一特征參考到其他特征時，特征之間即產生父 /子（ parent/child）關系。這樣建立的模型便于裝配，在系統(tǒng)默認（ default）狀態(tài)下，完成裝配。 Pro/E 參數(shù)化草圖繪制需要經過草圖圖元的繪制，草圖編輯與修改，草圖的幾何約束、草圖的尺寸約束這四個步驟。首先要構建出球閥各零部件的三維實體模型，然后按照設計要求進行各個零件的裝配，最后得到球閥 的實體模型，使本課題的畢業(yè)設計能夠較具體直觀地展示出來。閥體的建模也是球閥中最為復雜的，特別是二維草繪截面的繪制要涉及很多的幾何和位置尺寸。閥體的模型建立過程如下： ①繪制出閥體的旋轉草繪截面，如圖 43： 圖 43 閥體的旋轉草繪截面 ②完成旋轉命令，得到旋轉實體，利用旋轉、拉伸、陣列、 圓角、倒角命令，完成閥體上螺栓孔、圓角、彈簧孔等特征的建立，做出閥體三維實體模型，如圖44： 圖 44 閥體三維實體模型 閥蓋是一個回轉體，它的建立是先激活旋轉工具進入草繪平面，再按設計尺寸畫出草繪截面，最后進行旋轉即可得到閥蓋的三維實體。模型建立過程如下： 建立出密封圈的三維實體模型，如圖 410： 圖 410 密封圈的三維實體模型 閥座在球閥中的作用是支持密封圈用的，同樣也是一個旋轉體 ，可通過旋轉工具按照其草繪截面旋轉得到。閥桿可通過草繪旋轉得到，也可以通過多次拉伸得到。彈簧實體通過軟件中的軌跡掃描得到，螺旋掃描軌跡如圖 414： 圖 414 彈簧螺旋掃描軌跡 生成實體如圖 415： 圖 415 彈簧三維實體模型 閥體零件的部分裝配 完成固定球球閥各個零件的三維實體模型建立之后，就要利用 Pro/E 的裝配功能進行零件的裝配，為了裝配的方便，先將幾個聯(lián)系緊密的零件裝配起來，進行部分裝配。部分裝配的工程如下： 將建立好的閥體和閥座 .密封圈 .彈簧 .球體等零件進行組裝，得到如圖組件。如圖417： 圖 4 17 閥桿和閥芯進行組裝 閥體零件、組件的總裝配 將前面的組件通過彼此的約束進行最后的裝配，得到球閥完整的三維實體如圖 418 所示，圖 419 為球閥的爆炸分解圖： 圖 418 球閥總裝配圖 圖 419 球閥爆炸圖 結論 我的課題為不帶驅動裝置的球閥設計和三維建模 ,球閥的設計因為要涉及到復雜的尺寸計算，三維模型的建立，確實有一定難度。 首先我根據老師發(fā)的任務確定閥體的各個配合尺寸，確定閥體結構形式、連接形式和結構長 度，計算球閥相關畫圖零件尺寸數(shù)據。 在此次的畢業(yè)設計中，我們遇到了許多以前從未遇到過的問題，但通過老師的指導和我們的努力，這些問題都得到了很好的解決。 致 謝 本論文的完成，得益于大學老師傳授的知識，使我有了完成論文所要求的知識積累，更得益于導師從選題的確定、 論文資料的收集、論文框架的確定、開題報告準備及論文初稿與定稿中對字句的斟酌傾注的大量