電動(dòng)球閥畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

摘要本文根據(jù)的電動(dòng)球閥設(shè)計(jì)經(jīng)歷對(duì)DN為100mm，設(shè)計(jì)壓力為50公斤的球閥進(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)造來實(shí)現(xiàn)成品的設(shè)計(jì)優(yōu)化，我們需要根據(jù)球閥的特點(diǎn)來選擇適宜的機(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，最終確定球閥的構(gòu)造形式。1緒論1.1電動(dòng)球閥簡(jiǎn)介電動(dòng)球閥〔英文名：ElectronicBallValve〕由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和球閥共同構(gòu)成電動(dòng)球閥。是工業(yè)自動(dòng)化過程控制的一種管道壓元件，通常用于管道介質(zhì)的遠(yuǎn)程開、關(guān)〔接通、切斷介質(zhì)〕控制。電動(dòng)球閥標(biāo)準(zhǔn)GB/T21465-2008"閥門術(shù)語"中定義為：?jiǎn)㈤]件〔球體〕由閥桿帶動(dòng)，并繞閥桿的軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的閥門。主要用于截?cái)嗷蚪油ü苈分械慕橘|(zhì)，亦可用于流體的調(diào)節(jié)與控制，其中硬密封V型球閥其V型球芯與堆焊硬質(zhì)合金的金屬閥座之間具有很強(qiáng)的剪切力，特別適用于含纖維、微小固體顆料等介質(zhì)。電動(dòng)球閥分為電動(dòng)法蘭球閥，電動(dòng)對(duì)夾球閥，電動(dòng)焊接球閥，電動(dòng)絲扣球閥。根據(jù)密封形式還分為軟密封電動(dòng)球閥，硬密封電動(dòng)球閥。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給商，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100mm，P為50公斤的球閥，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。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，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2.1.1球閥的構(gòu)成圖2-1電動(dòng)浮動(dòng)球球閥構(gòu)造球閥主要由閥體、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。2.1.2電動(dòng)球閥的作用原理電動(dòng)球閥它具有旋轉(zhuǎn)90度的動(dòng)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電動(dòng)球閥切斷、分配和改變介質(zhì)的流動(dòng)方向，它只需要用旋轉(zhuǎn)90度的操作和很小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩就能關(guān)閉嚴(yán)密。球閥最適宜做開關(guān)、切斷閥使用，開展已將球閥設(shè)計(jì)成使它具有節(jié)流和控制流量之用，如V型球閥。電動(dòng)球閥的主要特點(diǎn)是本身構(gòu)造緊湊，密封可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)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，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。2.1.3電動(dòng)球閥的特點(diǎn)1、在閥門全開、全關(guān)位置設(shè)有鎖定孔，防止非工作人員誤操作。2、在閥桿下部設(shè)置臺(tái)階，不至于閥門壓異常升高脫出閥桿。3、在球體與閥座間設(shè)置耐火密封環(huán)，閥座燒損后，仍具有密封作用。4、開關(guān)迅速、啟閉靈活，壽命長(zhǎng)，平安可靠。5、氣動(dòng)、電動(dòng)球閥可遠(yuǎn)距離集中控制，且能滿足計(jì)算機(jī)程控之需要。2.1.4電動(dòng)球閥的構(gòu)造類型電動(dòng)球閥種類有：浮動(dòng)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(dòng)球閥、電動(dòng)球閥、卡套球閥、焊接球閥、法蘭球閥，絲口球閥。浮動(dòng)球：球閥的球體是浮動(dòng)的，在介質(zhì)壓力作用下，球體能產(chǎn)生一定的位移并緊壓在出口端的密封面上，保證出口端密封。浮動(dòng)球球閥的構(gòu)造簡(jiǎn)單，密封性好，但球體承受工作介質(zhì)的載荷全部傳給了出口密封圈，因此要考慮密封圈材料能否經(jīng)受得住球體介質(zhì)的工作載荷，在受到較高壓力沖擊時(shí)，球體可能會(huì)發(fā)生偏移。這種構(gòu)造，一般用于中低壓球閥。固定球：球閥的球體是固定的，受壓后不產(chǎn)生移動(dòng)。固定球球閥都帶有浮動(dòng)閥座，受介質(zhì)壓力后，閥座產(chǎn)生移動(dòng)，使密封圈緊壓在球體上，以保證密封。通常在與球體的上、下軸上裝有軸承，操作扭距小，適用于高壓和大口徑的閥門。為了減少球閥的操作扭矩和增加密封的可靠程度，潤(rùn)滑油，以形成一層油膜，即增強(qiáng)了密封性，又減少了操作扭矩，更適用高壓大口徑的球閥。彈性球：球閥的球體是彈性的。

電動(dòng)球閥球體和閥座密封圈都采用金屬材料制造，密封比壓很大，依靠介質(zhì)本身的壓力已達(dá)不到密封的要求，必須施加外力。這種閥門適用于高溫高壓介質(zhì)。彈性球體是在球體壁的下端開一條彈性槽，而獲得彈性。當(dāng)關(guān)閉通道時(shí)，用閥桿的楔形頭使球體漲開與閥座壓緊到達(dá)密封。在轉(zhuǎn)動(dòng)球體之前先松開楔形頭，球體隨之恢復(fù)原原形，使球體與閥座之間出現(xiàn)很小的間隙，可以減少密封面的摩擦和操作扭矩。2.2設(shè)計(jì)輸入電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥設(shè)計(jì)〔壓力為50公斤，溫度為150度，直徑DN100介質(zhì)為燒堿〕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〔124mm〕；—閥座外徑〔120mm〕；d—球體通道孔直徑〔100mm〕；D—球體實(shí)際直徑〔160mm〕。由上面可知可取球體直徑D=160mm，D2=122mm2.3球體與閥座之間密封比壓確實(shí)定2.3.1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=4.216〔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b===4.375mmt—密封面寬度7mm；其中查表2-1可得m=1.4，a=1.8，b=0.9，P=5Mpa。b將在下面中計(jì)算得出。表2-1密封面材料ac鋼、硬質(zhì)合金3.51聚四氟乙烯、尼龍1.80.9銅、鑄鐵3.01中硬橡膠0.40.6軟橡膠0.30.42.3.2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，選取聚四氟乙烯=17.5Mpa。2.3.3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：〔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。=0.625；—球體中心線執(zhí)法作兩段面的距離〔mm〕，=;=；=106—閥座徑；=122—閥座外徑；—閥座平均直徑〔mm〕，=114；R=80—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。圖2-2比壓計(jì)算圖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=171.81KN〔2-7〕將上式代入式2-5可得＜〔2-8〕可得q=10.8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=17.5Mpa，DN=100mm，P=5Mpa代入得：b=7.69mm，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：〔2-11〕式中—預(yù)緊所需的最小比壓，；、—閥座徑和外徑〔mm〕?？傻?1.431KN，故Q=173.241KN。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