球閥畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)樣本

摘要 IAbstract II1緒論 11.1球閥發(fā)展歷史 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3本文研究重要內(nèi)容、辦法和目的 22球閥構(gòu)造設(shè)計(jì)及校核 32.1球閥構(gòu)成、作用原理、特點(diǎn)和構(gòu)造分類 32.1.1球閥構(gòu)成 32.1.2球閥作用原理 32.1.3球閥特點(diǎn) 32.1.4球閥構(gòu)造類型 32.2球體直徑擬定 42.3球體與閥座之間密封比壓擬定 42.3.1必須比壓計(jì)算 42.3.2需用比壓選取 52.3.3設(shè)計(jì)比壓計(jì)算 52.4球閥密封力計(jì)算 72.5球閥轉(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)度和材料擬定 92.6.2閥體壁厚擬定 102.6.3閥體法蘭設(shè)計(jì) 102.6.4閥體法蘭校核 112.7閥桿設(shè)計(jì)和校核 142.7.1閥桿材料選取 142.7.2閥桿填料選取、填料摩擦力及摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算 152.7.3閥桿強(qiáng)度計(jì)算 162.8閥桿連接件強(qiáng)度計(jì)算 182.9球體設(shè)計(jì)和校核 202.10球閥閥座設(shè)計(jì) 212.11省力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核 222.11.1蝸輪蝸桿設(shè)計(jì) 232.11.2蝸輪蝸桿強(qiáng)度校核 233ANSYS軟件分析 243.1ANSYS軟件應(yīng)用和簡(jiǎn)介 243.2模型導(dǎo)入和分析 263.2.1模型簡(jiǎn)化、導(dǎo)入和分析準(zhǔn)備 263.2.2模型材料定義 273.2.3模型加載和邊界條件擬定 283.2.4模型加載后分析成果 293.2.5ANSYS成果分析 33結(jié)論 34參照文獻(xiàn) 35道謝 36摘要本文依照已知球閥設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)DN為250mm，設(shè)計(jì)壓力為2Mpa球閥進(jìn)行設(shè)計(jì)，重要涉及了材料選取、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)度前提下，盡量減少構(gòu)造復(fù)雜性，以更小消耗、更簡(jiǎn)樸構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)成品設(shè)計(jì)優(yōu)化，同步對(duì)球閥重要部件進(jìn)行應(yīng)力軟件分析。省力機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)任務(wù)一某些，咱們需要依照球閥特點(diǎn)來(lái)選取適當(dāng)機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)以已給設(shè)計(jì)條件為著眼點(diǎn)，同步依照國(guó)家閥門(mén)原則為中心，借助soliderworks三維軟件、AUTOCAD二維制圖軟件和ANSYS分析軟件依照球閥設(shè)計(jì)手冊(cè)原則框架構(gòu)造形式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了三維建模、二維制圖和應(yīng)力分析，最后擬定球閥構(gòu)造形式和省力啟動(dòng)方式，這對(duì)后來(lái)設(shè)計(jì)與研究同類球閥具備一定參照價(jià)值。核心詞：構(gòu)造設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、應(yīng)力分析、省力機(jī)構(gòu)AbstractThisarticleaccordingtotheknownballvalvedesignexperiencetoDNis250mm，thedesignpressureisthe2Mpaballvalvecarriesonthedesign，mainlyhasincludedthechoiceofmaterial，thestructuraldesignandtheintensityexaminationandsoon。Inthestructureandmaterialaspectinsatisfyingundertheintensitypremise，reducethestructureasfaraspossiblethecomplexity，byasmallerconsumption，asimplerstructurerealizestheendproductdesignoptimization，simultaneouslycarriesonthestresstoballvalve'smajorcomponentthesoftwareanalysis.Theprovincestrengthorganizationdoesforataskofdesignpart，weneedtochoosetheappropriateorganizationaccordingtoballvalve'scharacteristic.Thisdesigntakesthegivendesignconditionsastheobjectivepoint，simultaneouslyaccordingtothenationalvalvestandardisthecenter，withtheaidofthesoliderworksthreedimensionalsoftwareandAUTOCADtwo-dimensionalchartingsoftwareandANSYSanalysissoftwarehascarriedonthethreedimensionalmodelling，thetwo-dimensionalchartingandstressanalysisaccordingtotheballvalvedesignhandbook'sstandardframe'sstructuralstyletotheproduct，finallydeterminedthatballvalve'sstructuralstyleandprovincestrengthopeningway，thiswillhavecertainreferencevaluetothelaterdesignandresearchsimilarballvalve.Keywords：Structuraldesign，intensityexamination，stressanalysisandreducingeffortorganization1緒論1.1球閥發(fā)展歷史球閥是上世紀(jì)50年代問(wèn)世一種新型閥門(mén)。在短短30近年里，球閥已發(fā)展成為一種重要閥類，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應(yīng)用。早在19世紀(jì)80年代美國(guó)就開(kāi)始設(shè)計(jì)球閥，但是當(dāng)時(shí)缺少恰當(dāng)密封材料，限制了求法發(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浮現(xiàn)才使球閥產(chǎn)生和發(fā)展浮現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)；同步由于機(jī)床工業(yè)發(fā)展，使球體加工技術(shù)提高，可以實(shí)現(xiàn)球體所規(guī)定尺寸精度與表面粗糙度。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀球閥是上世紀(jì)50年代問(wèn)世一種新型閥門(mén)。在短短30近年里，球閥已發(fā)展成為一種重要閥類，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應(yīng)用。當(dāng)前球閥最大公稱通徑已達(dá)3050mm，這是美國(guó)EscherWyss公司為田納西州一種泵站所提供四臺(tái)球閥，用作透平機(jī)出口切斷閥，設(shè)計(jì)壓力為4.8Mpa。球閥最高工作壓力已達(dá)72Mpa，其相應(yīng)溫度高達(dá)1000℃。球閥不但在普通工業(yè)管道上得到了廣泛應(yīng)用，并且在核工業(yè)、宇航工業(yè)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(mén)公司已制造通徑為6“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)良耐溫與耐腐蝕性能，使用溫度為《250℃。同步隨著時(shí)代發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)后來(lái)，生產(chǎn)和制造技術(shù)有了明顯優(yōu)化提高，同步，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，在很大限度上提高了設(shè)計(jì)速度和更新周期。當(dāng)前，全球控制閻市場(chǎng)猶如大某些工業(yè)品同樣被三個(gè)經(jīng)濟(jì)體瓜分，分別是美國(guó)為代表北美經(jīng)濟(jì)體，以德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)為代表歐盟地區(qū)，和以日本為代表亞太地區(qū)。美國(guó)是全球最大閥門(mén)供應(yīng)商，其閥門(mén)協(xié)會(huì)有超過(guò)110家公司，年產(chǎn)值超過(guò)40億美元。1984年就在中華人民共和國(guó)開(kāi)展業(yè)務(wù)FIS}玎訊控制閥由于進(jìn)入中華人民共和國(guó)較早，其產(chǎn)品已經(jīng)成為中華人民共和國(guó)教科書(shū)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)良質(zhì)量迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。德國(guó)閥門(mén)公司普通都屬于專業(yè)性很強(qiáng)公司，在某一類產(chǎn)品研究、設(shè)計(jì)和制造方面均有自己特色。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)了中華人民共和國(guó)中低端市場(chǎng)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于球閥生產(chǎn)公司大多規(guī)模小、科研能力弱，大多通過(guò)參照外國(guó)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其重要因素是技術(shù)投入資金局限性，科研人員數(shù)量局限性，因此在國(guó)內(nèi)諸多大型工程招標(biāo)中大多被外國(guó)閥門(mén)公司所壟斷。1.3本文研究重要內(nèi)容、辦法和目的球閥作為新型閥門(mén)品種之一，關(guān)于球閥設(shè)計(jì)方案十分稀少，本文重要研究?jī)?nèi)容涉及對(duì)球閥構(gòu)造設(shè)計(jì)。球閥設(shè)計(jì)規(guī)定保證適當(dāng)強(qiáng)度與剛度，從而保證球閥壽命和穩(wěn)定性。本課題重要以DN為250mm，P為2Mpa球閥，進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核，以及核心零部件分析，同步進(jìn)行三維建模。課題研究?jī)?nèi)容和辦法重要涉及：（1）設(shè)計(jì)球閥構(gòu)造并進(jìn)行強(qiáng)度校核通過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)球閥構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，重要涉及閥體、閥桿、閥芯以及省力機(jī)構(gòu)選用與設(shè)計(jì)，并對(duì)其受力分析，然后再擬定材料后進(jìn)行強(qiáng)度校核。（2）建立球閥三維模型通過(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)球閥三維模型進(jìn)行恰當(dāng)簡(jiǎn)化，忽視不受力小零件，通過(guò)soliderworks和ANSYS接口程序?qū)?shí)體模型導(dǎo)入ANSYS中，生成實(shí)體模型，然后選取單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并依照工作條件對(duì)球閥施加約束，從而建立球閥有限元模型。2球閥構(gòu)造設(shè)計(jì)及校核2.1球閥構(gòu)成、作用原理、特點(diǎn)和構(gòu)造分類2.1.1球閥構(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—手柄球閥重要由閥體、球體、閥桿、閥芯、閥座和省力機(jī)構(gòu)等幾某些重要零件構(gòu)成。下面對(duì)上述幾種重要零件設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。圖2-1為球閥構(gòu)造圖。2.1.2球閥作用原理球閥重要功能是切斷或接通管道中流體管道，即球閥普通為閉路閥。因而，球閥作用原理很簡(jiǎn)樸：借助驅(qū)動(dòng)裝置在閥桿端施加一定轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn)90°，球體通孔則與閥體通道中心線重疊或者垂直，球閥便完畢了全開(kāi)或全關(guān)動(dòng)作。2.1.3球閥特點(diǎn)球閥重要特點(diǎn)如下：流體阻力小、開(kāi)關(guān)迅速、以便、密封性好、壽命長(zhǎng)、可靠性高，并且閥體內(nèi)通道平整光滑適于輸送粘性流體，漿液，以及固體顆粒。2.1.4球閥構(gòu)造類型按球體和閥體不同構(gòu)造形式，球閥可以分幾大類。按球體支撐方式分類按球體支撐方式，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)球閥特點(diǎn)十分突出，重要有構(gòu)造簡(jiǎn)樸、制造以便、工作可靠。而固定球閥轉(zhuǎn)矩小，閥座形變小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，合用于高壓、大通徑場(chǎng)合。按球體安裝方式分類按球體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(mén)通道軸線相垂直截面分為不對(duì)稱左右兩半，球體從截分面孔道裝入，左、右兩半閥體用法蘭連接球閥。按球閥與管道連接形式分類按球閥與管道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)闡明。2.2球體直徑擬定球體直徑大小影響球閥構(gòu)造緊湊性，應(yīng)此應(yīng)盡量縮小球體直徑。球體半徑普通按R=d計(jì)算。同步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：（2-1）必要滿足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擬定2.3.1必須比壓計(jì)算必須比壓是為保證密封，密封面單位面積上所必須最小壓力，以表達(dá)。由于流體壓力或附加外力作用，在球體與閥座之間產(chǎn)生壓緊力，于是必須比壓式球閥設(shè)計(jì)中最基本參數(shù)之一，它直接影響球閥性能及構(gòu)造尺寸。下面是由實(shí)驗(yàn)成果得出計(jì)算公式：（2-2）式中m—與流體性質(zhì)關(guān)于系數(shù)； a，c—與密封面材料關(guān)于系數(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0.30.42.3.2需用比壓選取密封面單位面積上容許最大壓力稱為需用比壓，以表達(dá)。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，選用尼龍=30Mpa。2.3.3設(shè)計(jì)比壓計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)擬定在密封面單位面積上壓力，稱為設(shè)計(jì)比壓，以q表達(dá)。選取比壓比應(yīng)是密封可靠、壽命長(zhǎng)和構(gòu)造緊湊。必要保證：＜q＜（2-3）設(shè)計(jì)比壓按圖2-2中力平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算：（2-4）式中N——球體對(duì)閥座密封面法向力(N)；（2-5）S—閥座與球體杰出球星環(huán)帶面積，S=2Πr（）Q—作用于閥座密封面上沿流體方向合力；—密封面法向與流道中心線夾角。；圖2-2比壓計(jì)算圖—球體中心線執(zhí)法作兩段面距離（mm），;；—閥座內(nèi)徑；—發(fā)作外徑；—閥座平均直徑（mm），；R—球體半徑（mm）。整頓可得:（2-6）由于球閥密封力尚未計(jì)算故需計(jì)算完，故在下節(jié)給出設(shè)計(jì)比壓計(jì)算成果。2.4球閥密封力計(jì)算為簡(jiǎn)化計(jì)算，往往忽視預(yù)緊力,閥座滑動(dòng)摩擦力及流體靜壓力在密封面余隙中作用力,這樣密封力僅等于流體靜壓力在閥座密封面上作用力(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)，為了便于擬定b，DN及P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＜球閥密封力精準(zhǔn)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)緊所需最小比壓，(Mpa)；、—閥座內(nèi)徑和外徑（mm）?？傻?2.5KN，故Q=112.75KN。2.5球閥轉(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)肩與止推墊間摩擦轉(zhuǎn)矩。M和計(jì)算見(jiàn)2.7.2。(2-13)式中F—球體與閥座之間密封力，,（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)中心斜角；—球體與密封圈之間摩擦系數(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)2.6.1閥體構(gòu)造形式、連接形式、構(gòu)造長(zhǎng)度和材料擬定1.一方面擬定閥體構(gòu)造形式、連接形式和構(gòu)造長(zhǎng)度，依照合用場(chǎng)合不同和通徑大小，常用閥體構(gòu)造有如下幾種：（1）整體式閥體：DN<50mm（2）二分體式：閥體有左右兩某些構(gòu)成，通過(guò)螺栓將這兩某些連接成一體。（3）三分體式：閥體有三某些構(gòu)成，這三某些是在閥座處沿著與通道向垂直界面而分隔開(kāi)，螺栓將這三某些連接成一體。通過(guò)教師給設(shè)計(jì)條件，閥體構(gòu)造形式應(yīng)當(dāng)選二分體式。2.閥體與管道連接形式重要有螺紋連接；法蘭連接；焊接連接等三種。由構(gòu)造形式擬定中可知，閥體連接選取法蘭連接。3.依照所給公稱壓力和公稱通徑來(lái)擬定其構(gòu)造長(zhǎng)度。構(gòu)造長(zhǎng)度是指閥體通道終端垂直于閥門(mén)軸線兩個(gè)平行平面之間距離。由此依照已給條件可知構(gòu)造長(zhǎng)度為730mm，公差為±2mm。4.閥體材料選用依照球閥慣用工況和材料成本總和考慮選用HT200作為閥體材料。2.6.2閥體壁厚擬定球閥閥體慣用整體鑄、鍛或者棒材加工而成。由于所給條件工作壓力屬于中低壓，因此采用薄壁計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：（mm）(2-14)(mm)(2-15)式中D—球閥內(nèi)墻最大直徑（mm）Sb—考慮附加余量壁厚（mm）—按強(qiáng)度計(jì)算壁厚（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。2.6.3閥體法蘭設(shè)計(jì)1.法蘭螺栓設(shè)計(jì)按如下兩種狀況進(jìn)行：（1）操作狀況由于流體靜壓力所產(chǎn)生軸向力促使法蘭分開(kāi)，而法蘭螺栓必要克服此種端面載荷，并且在墊片或接觸面上必要維持足夠密緊力，以保證密封。此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間密封力作同。在操作狀況下，螺栓承受載荷為：（2-16）式中—在操作狀況下所需最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N）；F—總流體靜壓力（N）,；—連接接觸面上總壓緊載荷（N），;—載荷作用位置出墊片直徑（mm）；由閥體內(nèi)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密封力（N），見(jiàn)2.4，。則將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入可得KN.(2)預(yù)緊螺栓狀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預(yù)緊力。在預(yù)緊螺栓時(shí)螺栓承受載荷為：（2-17）式中—在預(yù)緊螺栓時(shí)所需最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N）；Y—墊片或法蘭接觸面上單位壓緊載荷（Mpa），查表得Y=0；—球體與密封圈之間預(yù)緊力；由2.4可知112.75KN。則112.75KN。2.法蘭螺栓拉應(yīng)力計(jì)算（2-18）式中—法蘭螺栓拉應(yīng)力（Mpa）；W—和兩者中大者（N）；A—螺栓承受應(yīng)力下實(shí)際最小總截面積；—螺栓材料在常溫下許用拉應(yīng)力（Mpa）；查表得=108Mpa。則A=12X3.14X=5425.92=79.3＜=108Mpa。2.6.4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)，作用在法蘭上力矩是載荷和她力臂乘積，力臂決定與螺栓孔中心圓和產(chǎn)生力矩載荷相對(duì)位置。見(jiàn)下圖所示：圖2-4整體法蘭作用于法蘭總力矩為：（2-19）式中—作用在法蘭內(nèi)直徑面積上流體靜壓軸向力（N），;—總流體靜壓軸向力與作用在法蘭內(nèi)直徑面積上流體靜壓軸向力之差（N），；—用于窄面法蘭墊片載荷：;—從螺栓孔中心圓至力作用位置處徑向距離（mm），;S—從螺栓孔中心圓至法蘭頸部與法蘭背面交點(diǎn)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徑向距離（mm）,;—從螺栓孔中心至力作用位置處徑向距離（mm），;—法蘭內(nèi)直徑（mm）。由所設(shè)計(jì)球閥閥體可知，=430mm，，，，，，，,,，。則法蘭總力矩為：（N*mm）。2.法蘭應(yīng)力計(jì)算（1）法蘭軸向應(yīng)力（Mpa）（2-21）式中—作用于法蘭總力矩（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(pán)徑向應(yīng)力(Mpa)（e=0.0125）(2-22)==17.49（Mpa）（3）法蘭盤(pán)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)校核闡明應(yīng)力方面符合規(guī)定。2.7閥桿設(shè)計(jì)和校核閥桿是球閥重要受力零件之一，按照國(guó)內(nèi)球閥原則，閥桿應(yīng)設(shè)計(jì)成：在流體壓力作用下拆開(kāi)閥桿密封擋圈時(shí)，閥桿不致于脫出。2.7.1閥桿材料選取閥桿作為球閥重要受力零件，其材料必要具備足夠強(qiáng)度和韌性，能耐介質(zhì)、大氣及填料腐蝕，耐擦傷，工藝性好。材料選用重要通過(guò)工況和設(shè)計(jì)壓力來(lái)選取，由表2-2可選取A5作為閥桿材料。表2-2材料工作壓力（）T（℃）合用閥類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2.7.2閥桿填料選取、填料摩擦力及摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算1.填料選取閥桿慣用填料重要有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，同步V型填料具備密封性能好、摩擦系數(shù)低且具備自封性能，因而我選用V型填料。2.填料摩擦力計(jì)算填料與閥桿之間摩擦力可按下式計(jì)算(N)（2-27）式中—填料與閥桿之間摩擦系數(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)之間摩擦力計(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填料及止推墊摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算填料轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下（Nmm)(2-29）則x60=3030Nmm止推墊片摩擦轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下(Nmm)(2-30)則由此可知球閥轉(zhuǎn)矩=3030+15257+1290000=Nmm2.7.3閥桿強(qiáng)度計(jì)算閥桿上轉(zhuǎn)矩分布圖見(jiàn)下圖所示，重要受力面是I—I~IV—IV。其中Ⅲ—Ⅲ面扭轉(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斷面處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為≤(2-31)式中—閥座密封面與球體間摩擦轉(zhuǎn)矩（Nmm）；—材料許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，（Mpa），=1050Mpa；W——I—I斷面抗扭轉(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閥桿與球體連接某些斷面故則≤=10502.Ⅱ—Ⅱ斷面處剪切應(yīng)力計(jì)算（2-32）式中D—閥桿頭部凸肩直徑（mm）；d—閥桿直徑（mm）；H—閥桿頭部凸肩高度（mm）;P—流體工作壓力（；—材料許用剪切應(yīng)力（，查表得=990。則≤=990。3.Ⅲ—Ⅲ斷面處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（（2-33）式中M—總摩擦轉(zhuǎn)矩（N）；W—Ⅲ—Ⅲ斷面處抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)（，則≤=10504.Ⅳ—Ⅳ斷面處抗扭轉(zhuǎn)面系數(shù)由于閥桿和渦輪采用鍵連接故Ⅳ—Ⅳ與Ⅲ—Ⅲ斷面處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力相似無(wú)需再進(jìn)行校核。綜上閥桿應(yīng)力均符合規(guī)定。2.8閥桿連接件強(qiáng)度計(jì)算閥桿連接件采用平鍵連接，由于平鍵構(gòu)造簡(jiǎn)樸、成本低及替代以便。依照閥桿直徑為60mm，可知平鍵尺寸，選用bxh為18x11普通平鍵。下面是平鍵強(qiáng)度計(jì)算：1.平鍵強(qiáng)度計(jì)算平鍵畢壓按下式計(jì)算≤（2-34）式中T—轉(zhuǎn)矩（Nmm），對(duì)于閥桿驅(qū)動(dòng)裝置連接某些：T=M;對(duì)于法干預(yù)球體連接某些T=；n—鍵數(shù)：L—鍵工作長(zhǎng)度（mm）；L=0.3a=30mm；K、—如下圖所示；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)行計(jì)算：≤（2-35）式中—許用剪切應(yīng)力，查表取=90；T、、L、n—與前相似；b—如上圖所示。則＜=90。2.9球體設(shè)計(jì)和校核由2.2可知球體半徑是190mm。球體作為球閥控制直接動(dòng)作零件，必要對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。球體重要構(gòu)造特性是球體與閥桿連接構(gòu)造，其必要滿足所傳遞最大轉(zhuǎn)矩同步保證有足夠靈活性，后者是保證工作性能必要條件。由于閥桿與球體接觸某些是間隙配合，因而，在接觸面上比壓分布是不均勻，如下圖所示。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閥桿頭部比壓分布式中—球體與閥座密封面之間摩擦力矩；h—閥桿頭部插入球體深度（mm），h=40mm；a—閥桿頭部邊長(zhǎng)（mm）a=100mm；—球體許用擠壓應(yīng)力；。則≤。故球體強(qiáng)度規(guī)定滿足。這里需要注意是，按強(qiáng)度規(guī)定考慮，即擠壓應(yīng)力等于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因而普通取h=（1.8~2.2）amm。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)受到球體尺寸限制，h不能過(guò)大，為了減小擠壓應(yīng)力，往往加大接觸面尺寸，即加大a尺寸。故a與h關(guān)系不能為h=（1.8~2.2）amm。2.10球閥閥座設(shè)計(jì)依照閥門(mén)泄漏部位和性質(zhì)，尚有內(nèi)漏和外漏之分。對(duì)球閥而言，內(nèi)漏發(fā)生與閥座與球體和閥座與閥體之間接觸面上；外漏則發(fā)生于填料函上，也有也許在連接法蘭與墊片之間。閥門(mén)內(nèi)漏流體雖然未流到外界，不會(huì)污染環(huán)境，也沒(méi)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。球閥閥座重要有普通閥座和彈性閥座兩種，普通閥座特點(diǎn)是：在預(yù)緊力或者流體壓力作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生塑性變形而達(dá)到密封。彈性閥座除了與普通閥座和彈性閥座同樣，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)生塑性變形而達(dá)到密封外，還由于閥座自身特殊構(gòu)造或者借助于彈性元件，如金屬?gòu)椥怨羌?、彈簧等辦法，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)球閥密封性能影響。普通球閥密封效果取決于閥座在流體壓力或者預(yù)緊力作用下，可以補(bǔ)償球體不圓度和表面微觀不平度限度。因而，閥座與球體之間必要具備足夠大密封比壓，并應(yīng)滿足如下條件：式中—保證閥門(mén)密封必須比壓（）；q—閥門(mén)工作時(shí)實(shí)際比壓（）；—閥座材料許用比壓。普通閥座構(gòu)造如下圖所示，構(gòu)造簡(jiǎn)樸，加工制造最以便，應(yīng)用比較普遍。但這種閥座在裝配時(shí)，調(diào)試比較困難，由于要達(dá)到密封所必須比壓，需要拆卸閥體中法蘭、調(diào)配左、右閥體之間密封墊片厚度。圖2-9普通閥座彈性閥座是本世紀(jì)七十年代初才浮現(xiàn)新型閥座構(gòu)造，其發(fā)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)，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，單斜面彈性閥座如下圖所示，這種發(fā)作構(gòu)造簡(jiǎn)樸，加工制作以便，彈性補(bǔ)償能力差是其缺陷，圖中虛線位置為閥座在預(yù)緊前自由狀態(tài)。這種彈性閥座合用于DN≤250mm浮動(dòng)球球閥。因此我選用彈性閥座，從球閥類型為浮動(dòng)球閥考慮，我選用斜面彈性閥座，其重要特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)樸，加工制造以便，替代性好。如下圖所示：圖2-10單斜面彈性閥座2.11省力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核用于球閥省力機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備傳動(dòng)速比大，外形尺寸小，球體能固定在開(kāi)關(guān)中間任意位置，以及防止灰塵和污物進(jìn)入裝置內(nèi)部等特點(diǎn)。其中以渦輪蝸桿特點(diǎn)最為明顯，構(gòu)造簡(jiǎn)樸、傳動(dòng)比大，具備自鎖性能。2.11.1蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)重要參數(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。由于規(guī)定實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比和反行程規(guī)定自鎖蝸桿傳動(dòng)取。依照蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)薦用值可知，取傳動(dòng)比i=30，?？紤]到渦輪蝸桿中心距不能過(guò)小，取m=5，查GB/T10085-1988可知選m=5，，q=10，蝸桿分度圓直徑為50mm。依照阿基米德蝸桿傳動(dòng)重要幾何尺寸計(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°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)約了原材料。2.11.2蝸輪蝸桿強(qiáng)度校核由于蝸桿傳動(dòng)失效普通發(fā)生在蝸輪上，因此只需要進(jìn)行蝸輪輪齒輕度計(jì)算。齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核和計(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?！佪喸S用接觸應(yīng)力，=250。則≤=2503ANSYS軟件分析3.1ANSYS軟件應(yīng)用和簡(jiǎn)介在球閥初期設(shè)計(jì)時(shí)，重要通過(guò)物理構(gòu)造設(shè)計(jì)，同步涉及一定零件強(qiáng)度。剛度和變形分析。在此前受到計(jì)算方式限制，重要依托材料力學(xué)和理論力學(xué)中力學(xué)分析原理來(lái)進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)，而諸多計(jì)算公式中都忽視了現(xiàn)狀影響，并且這些設(shè)計(jì)計(jì)算無(wú)法為研究人員提供合理參照以及薄弱環(huán)節(jié)位置問(wèn)題。老式模式重要依托是將整體簡(jiǎn)化為一種個(gè)零件，再對(duì)其每個(gè)零件進(jìn)行簡(jiǎn)化力學(xué)分析，這其中簡(jiǎn)化忽視了互相零件之間作用力，在實(shí)際使用時(shí)，也許會(huì)與理論設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生很大不同。隨著時(shí)代發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和力學(xué)理論發(fā)展，ANSYS軟件也開(kāi)始為廣大設(shè)計(jì)師們使用對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢三維模型進(jìn)行分析，其重要采用有限元分析辦法進(jìn)行三維力學(xué)分析。本章采用ANSYS工程軟件對(duì)球閥閥體進(jìn)行了有限元靜力構(gòu)造分析，并探討了球閥閥體構(gòu)造建模辦法以及網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算成果影響，其成果可作為構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供根據(jù)。由于在ANSYS建模是十分重要，但是直接在ANSYS中建模是十分困難，因此我當(dāng)前soliderworks中進(jìn)行三維建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析。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)共享和互換，如PRO，E、NAsTRAN、Alogor、I．DEAs、AutoCAD等，是當(dāng)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高檔CAD工具之一。軟件重要涉及三個(gè)某些：前解決模塊，分析計(jì)算模塊和后解決模塊。前解決模塊提供了一種強(qiáng)大實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，顧客可以以便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊涉及構(gòu)造分析（可進(jìn)行線性分析、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)耦合分析，可模仿各種物理介質(zhì)互相作用，具備敏捷度分析及優(yōu)化分析能力；后解決模塊可將計(jì)算成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)造內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算成果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS提供分析類型重要涉及：1.構(gòu)造靜力分析用來(lái)求解外載荷引起位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)構(gòu)造影響并不明顯問(wèn)題。ANSYS程序中靜力分析不但可以進(jìn)行線性分析，并且也可以進(jìn)行非線性分析，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)間變化載荷對(duì)構(gòu)造或部件影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性影響。ANSYS可進(jìn)行構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析類型涉及：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(wèn)題，涉及材料非線性、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)積累影響起重要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜構(gòu)造在空間中運(yùn)動(dòng)特性，并擬定構(gòu)造中由此產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變和變形。5.熱分析程序可解決熱傳遞三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具備可以模仿材料固化和熔解過(guò)程相變分析能力以及模仿熱與構(gòu)造應(yīng)力之間熱－構(gòu)造耦合分析能力。6.電磁場(chǎng)分析重要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題分析，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)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可覺(jué)得瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析成果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力和通過(guò)每個(gè)單元流率。并且可以運(yùn)用后解決功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布圖形顯示。此外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模仿構(gòu)造流體繞流并涉及對(duì)流換熱效應(yīng)。8.聲場(chǎng)分析程序聲學(xué)功能用來(lái)研究在具有流體介質(zhì)中聲波傳播，或分析浸在流體中固體構(gòu)造動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)擬定音響話筒頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體阻尼效應(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)間變化電流或機(jī)械載荷響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其他電子設(shè)備構(gòu)造動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析本章重要對(duì)閥體構(gòu)造靜力進(jìn)行分析和優(yōu)化。3.2模型導(dǎo)入和分析3.2.1模型簡(jiǎn)化、導(dǎo)入和分析準(zhǔn)備為了保證計(jì)算精準(zhǔn)性以及縮小不必要計(jì)算范疇，咱們可以將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行，在盡量保證能反映閥體自身構(gòu)造特性狀況下，以便減少分析復(fù)雜限度。在建立有限元計(jì)算模型時(shí)應(yīng)采用如下幾種簡(jiǎn)化原則：總體坐標(biāo)系建立應(yīng)盡量與球閥閥體構(gòu)造設(shè)計(jì)坐標(biāo)系一致；構(gòu)件表面光、順、滑，忽視球閥閥體各處過(guò)渡圓角和倒角；（3）載荷分派。載荷分派直接影響計(jì)算成果，因此咱們要對(duì)重力進(jìn)行合理分派計(jì)算。依照第二章中閥體設(shè)計(jì)成果，在soliderworks中進(jìn)行三維建模，同步考慮到有限元計(jì)算模型簡(jiǎn)化原則，將閥體中對(duì)成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后第一步將球閥先后閥體三維模型構(gòu)造模型化，即將其化為有限元計(jì)算模型，下圖在ANSYSWORKBENCH中轉(zhuǎn)化球閥閥體模型將模型導(dǎo)入ANSYS后，咱們需要比較先后模型，保證其模型不應(yīng)發(fā)生扭曲、變形、丟面和多面現(xiàn)象，為接下來(lái)分析做準(zhǔn)備。對(duì)球閥閥體進(jìn)行有限元分析時(shí)，必要要建立一種精確物理數(shù)學(xué)模型，模型應(yīng)涉及所有節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件，以及其他體現(xiàn)這個(gè)物理系統(tǒng)特性。實(shí)體建模辦法可以直接和模型幾何特性打交道，無(wú)需關(guān)注有限元模型特定幾何特性，如節(jié)點(diǎn)、單元等。有限元模型是對(duì)實(shí)際構(gòu)造和物質(zhì)數(shù)學(xué)表達(dá)辦法。3.2.2模型材料定義將模型導(dǎo)入后，還需要對(duì)球閥閥體材料進(jìn)行定義，一方面，本次設(shè)計(jì)采用球閥閥體材料為HT200，本次選用是三維實(shí)體單位需要定義材料彈性模量“E”和材料泊松比“”。HT200泊松比為0.3而其彈性模量為130，密度為7000，將其輸入ANSYS中如下圖所示。圖3-1邊界條件設(shè)立3.2.3模型加載和邊界條件擬定在對(duì)模型材料定義后，接下來(lái)就是對(duì)載荷輸入和邊界條件擬定，這是有限元解決前重要準(zhǔn)備某些。在對(duì)球閥閥體進(jìn)行靜力構(gòu)造分析時(shí)，咱們需要考慮