球閥論文說明書

-.z摘要IAbstractII1緒論11.1球閥開展歷史11.2國(guó)外研究現(xiàn)狀11.3本文研究的主要容、方法和目標(biāo)22球閥的構(gòu)造設(shè)計(jì)及校核32.1球閥的構(gòu)成、作用原理、特點(diǎn)和構(gòu)造分類32.1.1球閥的構(gòu)成32.1.2球閥的作用原理32.1.3球閥的特點(diǎn)32.1.4球閥的構(gòu)造類型32.2球體的直徑確定42.3球體與閥座之間密封比壓確實(shí)定42.3.1必需比壓的計(jì)算42.3.2需用比壓選擇52.3.3設(shè)計(jì)比壓的計(jì)算52.4球閥密封力的計(jì)算72.5球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算82.6閥體設(shè)計(jì)92.6.1閥體構(gòu)造形式、連接形式、構(gòu)造長(zhǎng)度和材料確實(shí)定92.6.2閥體壁厚確實(shí)定102.6.3閥體法蘭設(shè)計(jì)102.6.4閥體法蘭校核112.7閥桿的設(shè)計(jì)和校核142.7.1閥桿材料選擇142.7.2閥桿填料的選擇、填料摩擦力及摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算152.7.3閥桿強(qiáng)度的計(jì)算162.8閥桿連接件的強(qiáng)度計(jì)算182.9球體的設(shè)計(jì)和校核202.10球閥的閥座設(shè)計(jì)212.11省力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核222.11.1蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)232.11.2蝸輪蝸桿的強(qiáng)度校核233ANSYS軟件分析243.1ANSYS軟件的應(yīng)用和介紹243.2模型的導(dǎo)入和分析263.2.1模型的簡(jiǎn)化、導(dǎo)入和分析準(zhǔn)備263.2.2模型的材料定義273.2.3模型的加載和邊界條件確實(shí)定283.2.4模型的加載后分析結(jié)果293.2.5ANSYS結(jié)果分析33結(jié)論34參考文獻(xiàn)35致36-.z摘要本文根據(jù)的球閥設(shè)計(jì)經(jīng)歷對(duì)DN為250mm，設(shè)計(jì)壓力為2Mpa的球閥進(jìn)展設(shè)計(jì)，主要包括了材料選擇、構(gòu)造設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核等，在構(gòu)造和材料方面在滿足強(qiáng)度的前提下，盡量降低構(gòu)造的復(fù)雜性，以更小的消耗、更簡(jiǎn)單的構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)成品的設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)對(duì)球閥的主要部件進(jìn)展應(yīng)力的軟件分析。省力機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)任務(wù)的一局部，我們需要根據(jù)球閥的特點(diǎn)來(lái)選擇適宜的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)以已給的設(shè)計(jì)條件為著眼點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)國(guó)家閥門標(biāo)準(zhǔn)為中心，借助soliderworks三維軟件、AUTOCAD二維制圖軟件和ANSYS分析軟件根據(jù)球閥設(shè)計(jì)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)框架的構(gòu)造形式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)展了三維建模、二維制圖和應(yīng)力分析，最終確定球閥的構(gòu)造形式和省力開啟方式，這對(duì)以后設(shè)計(jì)與研究同類球閥具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：構(gòu)造設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、應(yīng)力分析、省力機(jī)構(gòu)AbstractThisarticleaccordingtotheknownballvalvedesigne*periencetoDNis250mm,thedesignpressureisthe2Mpaballvalvecarriesonthedesign,mainlyhasincludedthechoiceofmaterial,thestructuraldesignandtheintensitye*aminationandsoon。Inthestructureandmaterialaspectinsatisfyingundertheintensitypremise,reducethestructureasfaraspossibletheple*ity,byasmallerconsumption,asimplerstructurerealizestheendproductdesignoptimization,simultaneouslycarriesonthestresstoballvalve'smajorponentthesoftwareanalysis.Theprovincestrengthorganizationdoesforataskofdesignpart,weneedtochoosetheappropriateorganizationaccordingtoballvalve'scharacteristic.Thisdesigntakesthegivendesignconditionsastheobjectivepoint,simultaneouslyaccordingtothenationalvalvestandardisthecenter,withtheaidofthesoliderworksthreedimensionalsoftwareandAUTOCADtwo-dimensionalchartingsoftwareandANSYSanalysissoftwarehascarriedonthethreedimensionalmodelling,thetwo-dimensionalchartingandstressanalysisaccordingtotheballvalvedesignhandbook'sstandardframe'sstructuralstyletotheproduct,finallydeterminedthatballvalve'sstructuralstyleandprovincestrengthopeningway,thiswillhavecertainreferencevaluetothelaterdesignandresearchsimilarballvalve.Keywords：Structuraldesign,intensitye*amination,stressanalysisandreducingeffortorganization-.z1緒論1.1球閥開展歷史球閥是上世紀(jì)50年代問世的一種新型閥門。在短短的30多年里，球閥已開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。早在19世紀(jì)80年代美國(guó)就開場(chǎng)設(shè)計(jì)球閥，但是當(dāng)時(shí)缺乏適當(dāng)?shù)拿芊獠牧?，限制了求法的開展，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)生和開展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)；同時(shí)由于機(jī)床工業(yè)的開展，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外表粗糙度。1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀球閥是上世紀(jì)50年代問世的一種新型閥門。在短短的30多年里，球閥已開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4.8Mpa。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)開展較快。其特點(diǎn)是：耐腐蝕、重量輕、本錢低。西德一家閥門公司已制造通徑為6“的塑料球閥；美國(guó)HillMaccanng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)代的開展，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)人員大都通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)展研發(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)如同大局部工業(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110家企業(yè)，年產(chǎn)值超過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*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，大多通過參考外國(guó)產(chǎn)品進(jìn)展設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其主要原因是技術(shù)投入資金缺乏，科研人員數(shù)量缺乏，所以在國(guó)很多的大型工程招標(biāo)多被外國(guó)閥門企業(yè)所壟斷。1.3本文研究的主要容、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，本文的主要研究容包括對(duì)球閥構(gòu)造設(shè)計(jì)。球閥的設(shè)計(jì)要求保證適宜的強(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)展構(gòu)造設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核，以及關(guān)鍵零部件的分析，同時(shí)進(jìn)展三維建模。課題的研究容和方法主要包括：〔1〕設(shè)計(jì)球閥構(gòu)造并進(jìn)展強(qiáng)度校核通過設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)球閥的構(gòu)造進(jìn)展設(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)展強(qiáng)度校核?！?〕建立球閥的三維模型通過soliderworks三維軟件對(duì)球閥零件進(jìn)展實(shí)體建模，并進(jìn)展裝配。〔3〕ANSYS軟件分析對(duì)球閥的三維模型進(jìn)展適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略不受力的小零件，通過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。2球閥的構(gòu)造設(shè)計(jì)及校核2.1球閥的構(gòu)成、作用原理、特點(diǎn)和構(gòu)造分類球閥的構(gòu)成圖2-1手動(dòng)浮動(dòng)球球閥構(gòu)造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)等幾局部主要零件構(gòu)成。下面對(duì)上述幾個(gè)重要零件的設(shè)計(jì)進(jìn)展設(shè)計(jì)計(jì)算。圖2-1為球閥構(gòu)造圖。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)90°，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)、可靠性高，而且閥體通道平整光滑適于輸送粘性流體，漿液，以及固體顆粒。球閥的構(gòu)造類型按球體和閥體的不同構(gòu)造形式，球閥可以分幾大類。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，主要有構(gòu)造簡(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。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。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、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)說明。2.2球體的直徑確定球體的直徑大小影響球閥構(gòu)造的緊湊性，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)為保證球體外表能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后須按下式進(jìn)展校核：〔2-1〕必須滿足D＞，式中為最小球體直徑〔mm〕；—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，mm。2.3球體與閥座之間密封比壓確實(shí)定必需比壓的計(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)中最根本的參數(shù)之一，它直接影響球閥的性能及構(gòu)造尺寸。下面是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的計(jì)算公式：〔2-2〕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2-1可得m=1，a=1.8，b=0.9，P=2Mpa。b將在下面中計(jì)算得出。表2-1密封材料ac鋼硬質(zhì)合金3.51鋁、鋁合金、聚四氟乙烯、尼龍、硬聚氟乙烯1.80.9青銅、黃銅、鑄鐵3.01中硬橡膠0.40.6軟橡膠0.30.4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，以表示。本此設(shè)計(jì)球閥通過查詢?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=30Mpa。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)和構(gòu)造緊湊。必須保證：＜q＜〔2-3〕設(shè)計(jì)比壓按圖2-2中的力的平衡關(guān)系進(jìn)展計(jì)算：〔2-4〕式中N——球體對(duì)閥座密封面的法向力(N)；〔2-5〕S—閥座與球體出色的球星環(huán)帶面積，S=2Πr〔〕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。；圖2-2比壓計(jì)算圖—球體中心線執(zhí)法作兩段面的距離〔mm〕，;；—閥座徑；—發(fā)作外徑；—閥座平均直徑〔mm〕，；R—球體半徑〔mm〕。整理可得:〔2-6〕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。2.4球閥密封力的計(jì)算為簡(jiǎn)化計(jì)算，往往忽略預(yù)緊力,閥座滑動(dòng)摩擦力及流體靜壓力在密封面余隙中的作用力,這樣密封力僅等于流體靜壓力在閥座密封面上的作用力(N)，即=110.25KN〔2-7〕將上式代入式2-5可得＜〔2-8〕可得q=8.8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)，q=代入上式可得〔mm〕〔2-9〕由需用比壓=30Mpa，DN=250mm，P=2Mpa代入得：b=2.54mm，代入式2-2可得顯然滿足＜q＜球閥密封力的準(zhǔn)確計(jì)算還要計(jì)算預(yù)緊力,故可知；Q=+〔2-10〕預(yù)緊力計(jì)算公式如下：〔N〕〔2-11〕式中—預(yù)緊所需的最小比壓，(Mpa)；、—閥座徑和外徑〔mm〕?？傻?2.5KN，故Q=112.75KN。2.5球閥的轉(zhuǎn)矩計(jì)算由于本球閥為浮動(dòng)球閥故其轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下：(2-12)式中—球體與閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩；—閥桿與填料之間摩擦轉(zhuǎn)矩；—閥桿臺(tái)肩與止推墊間的摩擦轉(zhuǎn)矩。M和的計(jì)算見。(2-13)式中F—球體與閥座之間的密封力，,〔N〕；r—摩擦半徑，，球體摩擦半徑計(jì)算圖如圖2-3所示；R—球體半徑〔mm〕；—密封面對(duì)中心的斜角；—球體與密封圈之間的摩擦系數(shù)，查表得。圖2-3球體摩擦半徑計(jì)算則=〔N*mm〕2.6閥體設(shè)計(jì)閥體構(gòu)造形式、連接形式、構(gòu)造長(zhǎng)度和材料確實(shí)定1.首先確定閥體的構(gòu)造形式、連接形式和構(gòu)造長(zhǎng)度，根據(jù)適用場(chǎng)合不同和通徑大小，常見閥體構(gòu)造有以下幾種：〔1〕整體式閥體：DN<50mm〔2〕二分體式：閥體有左右兩局部組成，通過螺栓將這兩局部連接成一體。〔3〕三分體式：閥體有三局部組成，這三局部是在閥座處沿著與通道向垂直的界面而分隔開的，螺栓將這三局部連接成一體。通過教師給的設(shè)計(jì)條件，閥體的構(gòu)造形式應(yīng)中選二分體式。2.閥體與管道的連接形式主要有螺紋連接；法蘭連接；焊接連接等三種。由構(gòu)造形式確實(shí)定中可知，閥體連接選擇法蘭連接。3.根據(jù)所給的公稱壓力和公稱通徑來(lái)確定其構(gòu)造長(zhǎng)度。構(gòu)造長(zhǎng)度是指閥體通道終端垂直于閥門軸線的兩個(gè)平行平面之間的距離。由此根據(jù)已給條件可知構(gòu)造長(zhǎng)度為730mm，公差為±2mm。4.閥體材料的選用根據(jù)球閥的常用工況和材料本錢總和考慮選用HT200作為閥體材料。閥體壁厚確實(shí)定球閥閥體常用整體鑄、鍛或者棒材加工而成。由于所給條件的工作壓力屬于中低壓，所以采用薄壁計(jì)算公式進(jìn)展計(jì)算。計(jì)算公式如下：〔mm〕(2-14)(mm)(2-15)式中D—球閥墻的最大直徑〔mm〕Sb—考慮附加余量的壁厚〔mm〕—按強(qiáng)度計(jì)算的壁厚〔mm〕P—設(shè)計(jì)壓力〔Mpa〕—材料許用拉應(yīng)力〔Mpa〕C—附加余量〔mm〕將D=430mm，P=2Mpa，=28Mpa故可得=21mm，由=21mm，可知C=1mm。故閥體壁厚為22mm。閥體法蘭設(shè)計(jì)1.法蘭螺栓設(shè)計(jì)按以下兩種情況進(jìn)展：〔1〕操作情況由于流體靜壓力所產(chǎn)生的軸向力促使法蘭分開，而法蘭螺栓必須抑制此種端面載荷，并且在墊片或接觸面上必須維持足夠的密緊力，以保證密封。此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間的密封力作同。在操作情況下，螺栓承受的載荷為：〔2-16〕式中—在操作情況下所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩〔N〕；F—總的流體靜壓力〔N〕,；—連接接觸面上總的壓緊載荷〔N〕，;—載荷作用位置出墊片的直徑〔mm〕；由閥體部尺寸可知450mm；m—墊片有效密封寬度，差表可知m=0.；P—設(shè)計(jì)壓力〔Mpa〕；Q—球體與閥座密封圈之間的密封力〔N〕，見2.4，。則將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入可得KN.(2)預(yù)緊螺栓情況在安裝是須將螺栓擰緊而產(chǎn)生初始載荷，使法蘭面壓緊墊片，此外，螺栓還承受球體與密封圈之間的預(yù)緊力。在預(yù)緊螺栓時(shí)螺栓承受的載荷為：〔2-17〕式中—在預(yù)緊螺栓時(shí)所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩〔N〕；Y—墊片或法蘭接觸面上的單位壓緊載荷〔Mpa〕，查表得Y=0；—球體與密封圈之間的預(yù)緊力；由2.4可知112.75KN。則112.75KN。2.法蘭螺栓拉應(yīng)力的計(jì)算〔2-18〕式中—法蘭螺栓拉應(yīng)力〔Mpa〕；W—和兩者中的大者〔N〕；A—螺栓承受應(yīng)力下實(shí)際最小總截面積；—螺栓材料在常溫下的許用拉應(yīng)力〔Mpa〕；查表得=108Mpa。則A=12*3.14*=5425.92=79.3＜=108Mpa。閥體法蘭校核1.法蘭力矩計(jì)算在計(jì)算法蘭應(yīng)力時(shí)，作用在法蘭上的力矩是載荷和他力臂的乘積，力臂決定與螺栓孔中心圓和產(chǎn)生力矩的載荷的相對(duì)位置。見以下圖所示：圖2-4整體法蘭作用于法蘭的總力矩為：〔2-19〕式中—作用在法蘭直徑面積上的流體靜壓軸向力〔N〕，;—總的流體靜壓軸向力與作用在法蘭直徑面積上的流體靜壓軸向力之差〔N〕，；—用于窄面法蘭的墊片載荷：;—從螺栓孔中心圓至力作用位置處的徑向距離〔mm〕，;S—從螺栓孔中心圓至法蘭頸部與法蘭反面交點(diǎn)的徑向距離，;〔2-20〕—法蘭頸部大端有效厚度〔mm〕；—從螺栓孔中心至力作用位置處的徑向距離〔mm〕,;—從螺栓孔中心至力作用位置處的徑向距離〔mm〕，;—法蘭的直徑〔mm〕。由所設(shè)計(jì)的球閥閥體可知，=430mm，，，，，，，,,，。則法蘭的總力矩為：〔N*mm〕。2.法蘭應(yīng)力計(jì)算〔1〕法蘭的軸向應(yīng)力〔Mpa〕〔2-21〕式中—作用于法蘭的總力矩〔N*mm〕；f—整體式法蘭頸部校正系數(shù)，f=1；—系數(shù)，查表得=2.5。則〔2〕法蘭盤的徑向應(yīng)力(Mpa)〔e=0.0125〕(2-22)==17.49〔Mpa〕〔3〕法蘭盤切向應(yīng)力(Mpa)(2-23)式中Y、Z系數(shù)查表可知Y=4.64，Z=6.03則〔Mpa〕3.法蘭的許用應(yīng)力和強(qiáng)度校核上述三個(gè)應(yīng)力應(yīng)滿足：(2-24)(2-25)(2-26)由閥體法蘭材料為HT200，可查得〔Mpa〕,經(jīng)校核說明應(yīng)力方面符合要求。2.7閥桿的設(shè)計(jì)和校核閥桿是球閥的主要受力零件之一，按照我國(guó)球閥標(biāo)準(zhǔn)，閥桿應(yīng)設(shè)計(jì)成：在流體壓力的作用下拆開閥桿密封擋圈時(shí)，閥桿不致于脫出。閥桿材料選擇閥桿作為球閥的重要受力零件，其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，耐擦傷，工藝性好。材料選用主要通過工況和設(shè)計(jì)壓力來(lái)選擇，由表2-2可選擇A5作為閥桿材料。表2-2材料工作壓力〔〕T〔℃〕適用閥類CuAL9Mn2≤1.6≤200低壓閥A5≤2.5≤350中低壓閥40Cr≤32.0≤450高中壓閥38CrMoALA540電站用閥20Cr1Mo1VIA570電站用閥2Cr13≤32.0≤450高中壓閥1Cr18Ni2≤6.3-100不銹鋼閥、低溫閥1Cr18Ni9Ti≤6.3≤600高溫閥閥桿填料的選擇、填料摩擦力及摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算1.填料選擇閥桿常用填料主要有V型填料、圓形片狀填料及O型密封圈等三種。由于圓形片狀填料往往容易發(fā)生松弛而使密封比壓減小，以致密封遭到破壞，同時(shí)V型填料具有密封性能好、摩擦系數(shù)低且具有自封性能，因此我選用V型填料。2.填料摩擦力計(jì)算填料與閥桿之間的摩擦力可按下式計(jì)算(N)〔2-27〕式中—填料與閥桿之間的摩擦系數(shù)，=0.05；Z—填料圈數(shù)，Z=3；h—單圈填料高度，h=1.5mm。取則3.閥桿臺(tái)肩與之退點(diǎn)之間的摩擦力的計(jì)算摩擦力計(jì)算公式如下：(N)〔2-28〕式中—臺(tái)肩外徑或止推外徑〔mm〕；—閥桿直徑〔mm〕，=60mm；—摩擦系數(shù)，=0.05。則4填料及止推墊的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算填料轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下〔Nmm)(2-29〕則*60=3030Nmm止推墊片的摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下(Nmm)(2-30)則由此可知球閥的轉(zhuǎn)矩=3030+15257+1290000=Nmm閥桿強(qiáng)度的計(jì)算閥桿上的轉(zhuǎn)矩分布圖見以下圖所示，主要受力面是I—I~IV—IV。其中Ⅲ—Ⅲ面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算可做為設(shè)計(jì)時(shí)初定閥桿直徑用。1.I—I斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為≤(2-31)式中—閥座密封面與球體間的摩擦轉(zhuǎn)矩〔Nmm〕；—材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，〔Mpa〕，=1050Mpa；W——I—I斷面的抗扭轉(zhuǎn)系數(shù)。。圖2-5浮動(dòng)球閥閥桿轉(zhuǎn)矩分布圖a和可由下表查得表2-3b/a與的關(guān)系b/a1.01.21.52.02.53.04.06.08.00.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307圖2-6閥桿與球體連接局部的斷面故則≤=10502.Ⅱ—Ⅱ斷面處剪切應(yīng)力的計(jì)算〔2-32〕式中D—閥桿頭部凸肩的直徑〔mm〕；d—閥桿直徑〔mm〕；H—閥桿頭部凸肩的高度〔mm〕;P—流體的工作壓力〔；—材料的許用剪切應(yīng)力〔，查表得=990。則≤=990。3.Ⅲ—Ⅲ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力〔〔2-33〕式中M—總摩擦轉(zhuǎn)矩〔N〕；W—Ⅲ—Ⅲ斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)〔，則≤=10504.Ⅳ—Ⅳ斷面處的抗扭轉(zhuǎn)面系數(shù)由于閥桿和渦輪采用鍵連接故Ⅳ—Ⅳ與Ⅲ—Ⅲ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力一樣無(wú)需再進(jìn)展校核。綜上閥桿的應(yīng)力均符合要求。2.8閥桿連接件的強(qiáng)度計(jì)算閥桿連接件采用平鍵連接，因?yàn)槠芥I構(gòu)造簡(jiǎn)單、本錢低及替換方便。根據(jù)閥桿直徑為60mm，可知平鍵的尺寸，選用b*h為18*11的普通平鍵。下面是平鍵的強(qiáng)度計(jì)算：1.平鍵的強(qiáng)度計(jì)算平鍵的畢壓按下式計(jì)算≤〔2-34〕式中T—轉(zhuǎn)矩〔Nmm〕，對(duì)于閥桿驅(qū)動(dòng)裝置連接局部：T=M;對(duì)于法干預(yù)球體連接局部T=；n—鍵數(shù)：L—鍵的工作長(zhǎng)度〔mm〕；L=0.3a=30mm；K、—如以下圖所示；K=4mm；；—許用壓力〔〕，查表得=100-120。則＜，故校核滿足。圖2-7平鍵受力圖2.平鍵剪切力計(jì)算剪切力〔〕按下式進(jìn)展計(jì)算：≤〔2-35〕式中—許用剪切應(yīng)力，查表取=90；T、、L、n—與前一樣；b—如上圖所示。則＜=90。2.9球體的設(shè)計(jì)和校核由2.2可知球體的半徑是190mm。球體作為球閥控制的直接動(dòng)作零件，必須對(duì)其進(jìn)展設(shè)計(jì)與校核。球體的主要構(gòu)造特征是球體與閥桿的連接構(gòu)造，其必須滿足所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩同時(shí)保證有足夠的靈活性，后者是保證工作性能的必要條件。由于閥桿與球體的接觸局部是間隙配合，因此，在接觸面上的比壓分布是不均勻的，如以下圖所示。有分析可知，計(jì)算時(shí)可近似地采用擠壓長(zhǎng)度，而作用力矩的臂長(zhǎng)K=0.8a〔mm〕，則擠壓力按下式計(jì)算：〔2-36〕圖2-8閥桿頭部的比壓分布式中—球體與閥座密封面之間的摩擦力矩；h—閥桿頭部插入球體的深度〔mm〕，h=40mm；a—閥桿頭部的邊長(zhǎng)〔mm〕a=100mm；—球體許用擠壓應(yīng)力；。則≤。故球體強(qiáng)度要求滿足。這里需要注意的是，按強(qiáng)度要求考慮，即擠壓應(yīng)力等于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而一般取h=〔1.8~2.2〕amm。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)受到球體尺寸的限制，h不能過大，為了減小擠壓應(yīng)力，往往加大接觸面的尺寸，即加大a的尺寸。故a與h的關(guān)系不能為h=〔1.8~2.2〕amm。2.10球閥的閥座設(shè)計(jì)根據(jù)閥門泄漏的部位和性質(zhì)，尚有漏和外漏之分。對(duì)球閥而言，漏發(fā)生與閥座與球體和閥座與閥體之間的接觸面上；外漏則發(fā)生于填料函上，也有可能在連接法蘭與墊片之間。閥門漏的流體雖然未流到外界，不會(huì)污染環(huán)境，也沒有流體損失，但其危害性十分嚴(yán)重，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則由于滲漏串通將釀成惡性事故。球閥閥座主要有普通閥座和彈性閥座兩種，普通閥座的特點(diǎn)是：在預(yù)緊力或者流體壓力的作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生塑性變形而到達(dá)密封。彈性閥座除了與普通閥座和彈性閥座一樣，在預(yù)緊力或流體壓力〔或者兩者兼有之〕作用下，閥座材料產(chǎn)生塑性變形而到達(dá)密封外，還由于閥座本身的特殊構(gòu)造或者借助于彈性元件，如金屬?gòu)椥怨羌堋椈傻确椒?，在預(yù)緊力或流體壓力下產(chǎn)生彈性變形，以補(bǔ)償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對(duì)球閥密封性能的影響。普通球閥的密封效果取決于閥座在流體壓力或者預(yù)緊力的作用下，能夠補(bǔ)償球體的不圓度和外表微觀不平度的程度。因此，閥座與球體之間必須具有足夠大的密封比壓，并應(yīng)滿足以下條件：式中—保證閥門的密封的必需比壓〔〕；q—閥門工作時(shí)的實(shí)際比壓〔〕；—閥座材料的許用比壓。普通閥座的構(gòu)造如以下圖所示，構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工制造最方便，應(yīng)用比較普遍。但這種閥座在裝配時(shí)，調(diào)試比較困難，因?yàn)橐竭_(dá)密封所必需的比壓，需要拆卸閥體中的法蘭、調(diào)配左、右閥體之間的密封墊片的厚度。圖2-9普通閥座彈性閥座是本世紀(jì)七十年代初才出現(xiàn)的新型閥座構(gòu)造，其開展正方興未艾。它們都是針對(duì)特定工況條件研究設(shè)計(jì)的，其構(gòu)造和種類繁多。斜面彈性閥座有單斜面和雙斜面之分，單斜面彈性閥座如以下圖所示，這種發(fā)作構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工制作方便，彈性補(bǔ)償能力差是其缺點(diǎn)，圖中虛線位置為閥座在預(yù)緊前的自由狀態(tài)。這種彈性閥座適用于DN≤250mm的浮動(dòng)球球閥。所以我選取彈性閥座，從球閥類型為浮動(dòng)球閥考慮，我選取斜面彈性閥座，其主要特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工制造方便，替換性好。如以下圖所示：圖2-10單斜面彈性閥座2.11省力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核用于球閥的省力機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有傳動(dòng)速比大，外形尺寸小，球體能固定在開關(guān)中間的任意位置，以及防止灰塵和污物進(jìn)入裝置部等特點(diǎn)。其中以渦輪蝸桿的特點(diǎn)最為明顯，構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比大，具有自鎖性能。蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)有模數(shù)m、壓力角、蝸桿頭數(shù)、蝸桿直徑系數(shù)q和蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角等。由于要現(xiàn)大傳動(dòng)比和反行程要求自鎖的蝸桿傳動(dòng)取。根據(jù)蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)的薦用值可知，取傳動(dòng)比i=30，?？紤]到渦輪蝸桿中心距不能過小，取m=5，查GB/T10085-1988可知選m=5，，q=10，蝸桿分度圓直徑為50mm。根據(jù)阿基米德蝸桿傳動(dòng)主要幾何尺寸的計(jì)算公式可知，中心距〔2-37〕蝸桿齒頂圓直徑〔2-38〕蝸桿齒根圓直徑〔2-39〕蝸桿分度圓直徑〔2-40〕蝸輪分度圓直徑〔2-41〕蝸輪喉圓直徑〔2-42〕蝸桿齒根圓直徑mm〔2-43〕蝸輪外徑≤，取=160.4mm〔2-44〕蝸桿螺紋長(zhǎng)度≥，取L=50mm〔2-45〕蝸輪齒根圓弧面半徑〔2-46〕渦輪齒頂圓弧面半徑〔2-47〕由于球閥球體工作只需旋轉(zhuǎn)90°，故可用120°的扇形蝸輪代替全蝸輪，這樣既簡(jiǎn)化了構(gòu)造，縮小了體積，又節(jié)省了原材料。蝸輪蝸桿的強(qiáng)度校核因?yàn)槲仐U傳動(dòng)的失效一般發(fā)生在蝸輪上，所以只需要進(jìn)展蝸輪輪齒的輕度計(jì)算。齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核和計(jì)算公式如下：≤〔2-48〕式中—彈性系數(shù)，查表得=75；—載荷系數(shù)。取=1；—蝸輪轉(zhuǎn)矩；;m—模數(shù)，m=5；—蝸桿分度圓直徑，=50mm；—蝸輪齒數(shù)，=30?！佪喌脑S用接觸應(yīng)力，=250。則≤=2503ANSYS軟件分析3.1ANSYS軟件的應(yīng)用和介紹在球閥的早期設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過物理構(gòu)造的設(shè)計(jì)，同時(shí)包括一定的零件強(qiáng)度。剛度和變形分析。在以前的受到計(jì)算方式的限制，主要依靠材料力學(xué)和理論力學(xué)中的力學(xué)分析原理來(lái)進(jìn)展構(gòu)造設(shè)計(jì)，而很多計(jì)算公式中都忽略了現(xiàn)實(shí)狀況的影響，而且這些設(shè)計(jì)計(jì)算無(wú)法為研究人員提供合理的參考以及薄弱環(huán)節(jié)的位置問題。傳統(tǒng)模式主要依靠的是將整體簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)零件，再對(duì)其每個(gè)零件進(jìn)展簡(jiǎn)化的力學(xué)分析，這其中簡(jiǎn)化忽略了相互零件之間的作用力，在實(shí)際使用時(shí)，可能會(huì)與理論設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生很大不同。隨著時(shí)代的開展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和力學(xué)理論的開展，ANSYS軟件也開場(chǎng)為廣闊的設(shè)計(jì)師們使用對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的三維模型進(jìn)展分析，其主要采用有限元分析方法進(jìn)展三維力學(xué)分析。本章采用ANSYS工程軟件對(duì)球閥的閥體進(jìn)展了有限元靜力構(gòu)造分析，并探討了球閥閥體構(gòu)造建模方法以及網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，其結(jié)果可作為構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于在ANSYS建模是十分重要的，但是直接在ANSYS中建模是十分困難的，所以我現(xiàn)在soliderworks中進(jìn)展三維建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)展有限元分析。ANSYS是集構(gòu)造、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANsYs能與大多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如PRO，E、NAsTRAN、Alogor、I．DEAs、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件主要包括三個(gè)局部：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括構(gòu)造分析〔可進(jìn)展線性分析、非線性分析和高度非線性分析〕、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示〔可看到構(gòu)造部〕等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS提供的分析類型主要包括：1.構(gòu)造靜力分析用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)構(gòu)造的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)展線性分析，而且也可以進(jìn)展非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。2.構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)構(gòu)造或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)展的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。3.構(gòu)造非線性分析構(gòu)造非線性導(dǎo)致構(gòu)造或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。4.動(dòng)力學(xué)分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜構(gòu)造在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定構(gòu)造中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。5.熱分析程序可處理熱傳遞的三種根本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)展穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與構(gòu)造應(yīng)力之間的熱－構(gòu)造耦合分析能力。6.電磁場(chǎng)分析主要用于電磁場(chǎng)問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。7.流體動(dòng)力學(xué)分析ANSYS流體單元能進(jìn)展流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維外表效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬構(gòu)造的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。8.聲場(chǎng)分析程序的聲學(xué)功能用來(lái)研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體構(gòu)造的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。9.壓電分析用于分析二維或三維構(gòu)造對(duì)AC〔交流〕、DC〔直流〕或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的構(gòu)造動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)展四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析本章主要對(duì)閥體的構(gòu)造靜力進(jìn)展分析和優(yōu)化。3.2模型的導(dǎo)入和分析模型的簡(jiǎn)化、導(dǎo)入和分析準(zhǔn)備為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性以及縮小不必要的計(jì)算圍，我們可以將模型進(jìn)展簡(jiǎn)化后再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)展，在盡可能保證能反映閥體本身構(gòu)造特性的情況下，以便減少分析的復(fù)雜程度。在建立有限元計(jì)算模型時(shí)應(yīng)采用以下幾種簡(jiǎn)化原則：總體坐標(biāo)系的建立應(yīng)盡可能與球閥閥體構(gòu)造設(shè)計(jì)坐標(biāo)系一致；構(gòu)件外表光、順、滑，忽略球閥閥體各處過渡圓角和倒角；〔3〕載荷分配。載荷的分配直接影響計(jì)算結(jié)果，所以我們要對(duì)重力進(jìn)展合理分配計(jì)算。根據(jù)第二章中的閥體設(shè)計(jì)結(jié)果，在soliderworks中進(jìn)展三維建模，同時(shí)考慮到有限元計(jì)算模型的簡(jiǎn)化原則，將閥體中的對(duì)結(jié)果影響效果圓角和倒角去除后再導(dǎo)入ANSYS。將模型導(dǎo)入ANSYS后的第一步將球閥前后閥體的三維模型構(gòu)造模型化，即將其化為有限元計(jì)算模型，以下圖在ANSYSWORKBENCH中轉(zhuǎn)化的球閥閥體模型將模型導(dǎo)入ANSYS后，我們需要比較前后模型，確保其模型不應(yīng)發(fā)生扭曲、變形、丟面和多面的現(xiàn)象，為接下來(lái)的分析做準(zhǔn)備。對(duì)球閥閥體進(jìn)展有限元