球閥的設(shè)計與計算

1、球閥的設(shè)計與計算一、球閥的設(shè)計1.1 設(shè)計輸入 即設(shè)計任務(wù)書。應(yīng)明確閥門的具體參數(shù)（公稱通徑、公稱壓力、溫度、介質(zhì)、驅(qū)動方式等），使用的條件和要求（如室內(nèi)或室外安裝、啟閉頻率等）及相關(guān)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)（產(chǎn)品的設(shè)計與制造、結(jié)構(gòu)長度、連接型式、產(chǎn)品的檢驗與試驗等）1.2 確定閥門的主體材料和密封圈材料1.3 確定閥門承壓件的制造工藝方法1.4 確定閥門的總體結(jié)構(gòu)型式1. 對閥門結(jié)構(gòu)的確定:一般如果壓力不高,DN150時,可優(yōu)先采用浮動式結(jié)構(gòu),其優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單如果浮動球式結(jié)構(gòu)滿足不了需要時,應(yīng)采用固定式結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)型式(如半球、撐開式)2. 對密封的材料的確定由于球閥的使用受溫度的影響很大,因此,密封

2、的材料的選定很關(guān)鍵： 對使用溫度300時,密封面材料可選擇塑料類材料(如聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、尼龍、對位聚苯) 當(dāng)使用溫度超過300.或者介質(zhì)代顆粒狀時,密封面材料應(yīng)選金屬密封。3對球閥使用要求的確定 主要確定,球閥是否具有防火.防靜電要求4對閥體型式確定由于球閥公稱通徑適用的范圍很廣,其閥體型式也較為多樣,一般分為以下三種： 整體式閥體一般用于DN50的小通徑閥門,此時,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工而來,而對口徑較大時,多采用二體式、三體式或全焊接結(jié)構(gòu) 二體式結(jié)構(gòu)由左右不對稱的二個閥體組成，多采用鑄造工藝方法 三體式結(jié)構(gòu)由主閥體和左右對稱的二個閥體組成,可采用鑄造或鍛造工藝方法5閥

3、門通道數(shù)量(直通、三通、四通)6選擇彈性元件的形式1.5 確定閥門的結(jié)構(gòu)長度和連接尺寸1.6 確定球體通道直徑d 球體通道直徑應(yīng)根據(jù)閥門在管道系統(tǒng)中的用途和性質(zhì)決定，并要符合相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或用戶要求。 球體通道直徑分為不縮徑和縮徑二種： 不縮徑：d等于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥體通道直徑 縮徑：一般d=0.78相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥體通道直徑，此時，其過渡段最好設(shè)計為錐角過渡，以確保流阻不會增大。1.7 確定球體直徑球體半徑一般按R=（0.750.95）d計算對小口徑R取相對大值，反之取較小值為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按下式校核（mm），應(yīng)滿足式中：球體最小計算直徑（mm），：閥座接

4、觸面外徑(mm)，d：球徑通道孔直徑（mm）D：球體實際直徑（mm）二、球閥的計算2.1 壁厚的確定見閘閥相應(yīng)的計算2.2 球體與閥座之間比壓的計算應(yīng)滿足式中：qMF：密封面上的必須比壓（MPa） 可根據(jù)工作壓力來計算，qMF =1.2P（適用于中低壓通徑不大場合） 由試驗得出的經(jīng)驗公式計算：式中：m:與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)對常溫液體：m=1對常溫油品和空氣、蒸汽以及高于100的液體：m=1.4對氫、氮及密封要求高的介質(zhì)：m=1.8a，c：與密封面材料有關(guān)的系數(shù)，見表所示密封面材料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0.30.4P ：流體

5、的工作壓力（MPa），設(shè)計給定b :密封面在垂直于流體流動方向上的投影寬度b= （mm）t :密封面寬度（mm），設(shè)計給定 ：密封面法向與流道中心線的夾角：球閥密封比壓（MPa） 對浮動球閥：（見圖示）式中：DMW ：閥座密封面外徑（mm）設(shè)計給定 DMN ：閥座密封面內(nèi)徑（mm）設(shè)計給定 P ：介質(zhì)工作壓力（MPa） 對進口密封的固定球閥（見圖示）進口密封固定球球閥結(jié)構(gòu)式中：DJH：進口密封座導(dǎo)向外徑 （mm） 設(shè)計給定 R： 球體半徑 （mm） 設(shè)計給定 h： 密封面接觸的寬度在水平方向的投影 （mm） h = l2-l1式中l(wèi)2 ，l1：球體中心至密封面的距離（mm）見圖示 其它密封球閥

6、，略q：密封面材料的許用比壓MPa 查下表密封面材料的許用比壓 q密封面材料材料硬度q MPa密封面間無滑動密封面間有滑動黃銅CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38HB 80958020CuZn16Si4HB 9511010025青銅CuAL10Fe3HB1108025CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2HB 12017010035奧氏體不繡鋼1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2TiHB氏體不繡鋼2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2HB 20030025045HR 3540氮化鋼35CrMoAlA、38CrMoAlA

7、Hv 800100030080堆焊合金TDCoCr1-xHR 404525080TDCr-Ni（含Ni）HB 28032025080中硬橡膠54F-4SFB-1，SFB-2，SFB-3SFBN-1，SFBN-2，SFBN-32015尼龍4030注：鋼和銅合金的牌號對于鑄態(tài)和堆焊均適用。2.3 球閥的轉(zhuǎn)矩計算2.3.1 浮動球閥總轉(zhuǎn)矩計算浮動球閥中，所有載荷由介質(zhì)出口的閥座密封圈承受，總轉(zhuǎn)矩由下式計算MF = MQz + MFT + MMJ式中：MQZ：球體在閥座中的摩擦力矩MQZ= （Nmm）式中：f :球體與閥座的摩擦系數(shù) 對聚四氟乙烯：f=0.05 對增強聚四氟乙烯：f=0.080.15對

8、尼龍：f=0.10.15其它符號：同前MFT：填料與閥桿的摩擦力矩 對聚四氟乙烯成型填料 ： （Nmm） 式中：f :閥桿與填料的摩擦系數(shù)。f =0.05 h:單圈填料與閥桿的接觸高度 （mm）設(shè)計給定 Z：填料圈數(shù) 設(shè)計給定 dF：閥桿直徑 （mm） 設(shè)計給定 P：計算壓力（MPa） 設(shè)計給定 對橡膠O型圖：MFT= （Nmm） 式中：Z：O型圈個數(shù)， 設(shè)計給定 fo:橡膠對閥桿的摩擦系數(shù)。 fo =0.30.4 do：O型圈的橫截面直徑（mm） 設(shè)計給定MMJ:閥桿臺肩與止推墊間的摩擦力矩式中:f :摩擦系數(shù) 按材料同前面規(guī)定選取 DT:臺肩外徑或止推墊外徑. 選二者中小者 （mm） 設(shè)計

9、給定2.3.2 固定球閥總轉(zhuǎn)矩計算在固定球閥中,球體受到的作用力完全傳遞到支撐軸承上,對進口密封的固定球閥,其總轉(zhuǎn)矩計算:式中:MQZ:球體在閥座中的摩擦力矩 式中: MQZ1:由閥座對球體的予緊力產(chǎn)生的摩擦力矩 （Nmm）式中: qM :最小予緊比壓 (MPa)取: 但不應(yīng)小于2 MPa其它符號的選取見前面規(guī)定MQZ2 : 由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩 （Nmm）MFT : 填料與閥桿的摩擦力矩 （Nmm） 見浮動球閥計算MZC : 軸承中的摩擦力矩 （Nmm）式中:fz:軸承的摩擦系數(shù)對塑料制的滑動軸承 fz按f選取對滾動軸承 fz =0.002dQJ ：球體軸頸直徑（mm）設(shè)計給定,對滾

10、動軸承, dQJ=軸承中徑QZJ : 介質(zhì)作用球體軸頸上的總作用力 (N)MMJ : 閥桿臺肩膀與止推墊間的摩擦力矩(此項僅用上閥桿與球體分開時的結(jié)構(gòu)，對整體MMJ =0) （Nmm）2.4 閥桿強度計算2.4.1 浮動球閥桿的強度計算1、閥桿與球體連接部分的計算：閥桿與球體接觸按擠壓計算，見圖示ZY=ZY式中：a：見圖示（mm）設(shè)計給定； h：閥桿頭部插入球體的深度，（mm），一般取h=（1.82.2）a，正方形時，a改為b。注意：h不要取的過大，否則球體活動性減小。 ZY：球體材料的許用擠壓應(yīng)力（MPa） 對奧氏體不銹鋼：當(dāng)b600 MPa時，取ZY=122 MPa 或按下式計算：ZY=（

11、b：材料的抗拉強度）2、閥桿頭部強度校核 -斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： N =N 式中： MQZ ：球體與閥座密封面間的摩擦轉(zhuǎn)矩（Nmm）見前面 W ：-斷面的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù) 見圖示 對正方形斷面：W=（mm3） 對近似矩形斷面：W=0.9ba2（mm3） 式中：值根據(jù)b/a按表選取b/a與的關(guān)系表b/a1.01.21.52.02.53.04.06.08.00.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307N:材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa），查資料1表3-7 -斷面處的剪切應(yīng)力=式中：DT ：閥桿頭凸肩的直徑（mm） 設(shè)計給定 dF ：閥桿直徑（mm） 設(shè)計給定

12、H ：閥桿頭凸肩高度（mm） 設(shè)計給定 P ：計算壓力（MPa） ：材料的許用剪切應(yīng)力（MPa），查資料1表3-7 -斷面處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力N =N式中：MF ：浮動球閥總轉(zhuǎn)矩（Nmm），見7-3-1節(jié)。 W ：-斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)（mm3） W=dF3N：材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa），查資料1表3-7 -斷面處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力N = N式中：MF ：浮動球閥總轉(zhuǎn)矩（Nmm），見7-3-1節(jié)。 W ：-斷面處的抗扭斷面系數(shù)（mm3） 對正方形和矩形斷面，按-斷面的原則計算。N ：材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa），查資料1表3-72.4.2 固定球閥閥桿強度計算結(jié)構(gòu)為上閥桿代O型圈密封的強度計算 見圖示1. -

13、斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：N式中：MQZ：球體與閥座密封面之間的摩擦轉(zhuǎn)矩（Nmm）見7.3.1節(jié)W：-斷面處的抗扭系數(shù)式中：n：鍵的數(shù)量 設(shè)計給定b，d1，t：見圖示（mm） 設(shè)計給定N：材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa） 查資料1表3-72. -斷面處剪切應(yīng)力：按浮動球-斷面公式計算3. -斷面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力N式中：MF ：固定球閥的總轉(zhuǎn)矩（Nmm）見7.3.2MFT ：閥桿與填料之間的摩擦轉(zhuǎn)矩（Nmm）見7.3.2W ：-斷面處的抗扭斷面系數(shù)（mm3）計算方法，同上述N：材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa） 查表同上述4. -斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力N式中： MF ，N同上述W ：-斷面處抗扭斷面系數(shù)（mm3）對正方形、矩

14、形，鍵連接的W按上述方法計算。對花鍵連接：式中：Z：花鍵齒數(shù) 設(shè)計給定其余符號：見圖示2.5 閥桿連接件（平鍵或花鍵）的強度計算2.5.1 平鍵的強度計算1. 平鍵的比壓計算式中：T: 轉(zhuǎn)矩（Nmm） 對于閥桿手柄或驅(qū)動裝置連接部分：T = MF 對于閥桿與球體連接部分： T = MQZ n: 鍵數(shù) 設(shè)計給定 K、d1：如圖所示（mm） 設(shè)計給定 L: 鍵的工作長度（mm） 設(shè)計給定P：許用比壓（MPa） 查下表 平鍵連接的P與值 （MPa）許用值連接工作方式輪轂材料載 荷 情 況平穩(wěn)輕微沖擊沖擊P固定連接鋼1251501001206090鑄鐵708050603045導(dǎo)向連接鋼50403012

15、09060注：對于被連接件表面經(jīng)過淬火的導(dǎo)向連接，P值可提高23倍。2. 平鍵剪應(yīng)力計算式中：T,d1,L,n：與前相同 b: 如圖所示（mm） 設(shè)計給定 ：許用剪切應(yīng)力（MPa）,按上表查取2.5.2 花鍵連接的強度計算式中：T：轉(zhuǎn)距，同前計算（Nmm） ：載荷分布不均勻系數(shù)，一般取=0.70.8 Z: 花鍵齒數(shù) h: 花鍵齒的工作高度（mm） 對矩形花鍵：h:= 式中：C：倒角寬度（mm） 設(shè)計給定 dm：花鍵的平均直徑(mm) 對矩形花鍵：dm= L :花鍵的工作長度（mm） 設(shè)計給定P：許用比壓（MPa） 查下表 花鍵聯(lián)接的許用比壓 （MPa）聯(lián)接工作方式使用和制造情況P齒面未經(jīng)熱處理

16、齒面經(jīng)熱處理固定聯(lián)接不良35504070中等60100100140良好80120120200不在載荷作用下移動的滑動聯(lián)接不良15202035中等20303060良好25404070在載荷作用下移動的滑動聯(lián)接不良310中等515良好1020注：1.使用和制造情況不良系指受變載、有雙向沖擊、振動頻率高和振幅大、潤滑不好 （對滑動聯(lián)接）、材料硬度不高和精度不高等。2.P的較小值用于工作時間較長、載荷變化較頻繁或較重要的場合。2.6 法蘭的計算2.6.1 法蘭螺栓載荷的計算 對球閥法蘭螺栓計算，當(dāng)采用塑料密封圈時，由于閥門的使用溫度300。此時，只計算常溫下的螺栓載荷。球閥法蘭的受力不同于閘閥法蘭，因

17、為球閥法蘭不僅要承受流體靜壓力產(chǎn)生的軸向力從而使，法蘭分開的載荷以及確保法蘭間足夠的密封壓緊力，同時還要承受球體與閥座密封圈之間的密封力作用。1. 正常使用條件下螺栓的載荷計算 （N）式中：QDJ：墊片處介質(zhì)作用力 （N）式中：符號按閘閥相應(yīng)規(guī)定QDF:墊片上的密封力 （N）式中：符號按閘閥相應(yīng)規(guī)定 QDT=式中: :系數(shù) 對固定法蘭取 = 0.2 QMF：球體與密封圈之間的密封力 （N） 對浮動球閥和固定球閥分別按下面公式計算： 對浮動球閥： 式中：DMN ：閥座密封面內(nèi)徑（mm） 設(shè)計給定 DMW ：閥座密封面外徑（mm） 設(shè)計給定 E ：閥座材料的彈性模數(shù)（MPa）,對聚四氟乙烯：E=4

18、70-800 MPa,對尼龍：E=1500 MPa 1 ：閥座安裝間隙（mm） 式中：MJ：在彈性范圍內(nèi)的密封圈橫截面的許用應(yīng)力對4F：MJ=8.0 MPa,對尼龍MJ=20MPa FMJ ：閥座的橫截面積（mm2），由閥座的結(jié)構(gòu)特點確定 ：見前面 f ：摩擦系數(shù)，按7.3.1選取 對進口密封固定球閥：2預(yù)緊條件下螺栓的載荷計算預(yù)緊螺栓承受的載荷QLZ2 (N)式中：BN：墊片的有效密封寬度（mm） 查資料1表3-23 DDP：載荷作用處墊片的平均直徑（mm） 設(shè)計給定 qYJ: 墊片或法蘭接觸面上的預(yù)緊比壓（MPa） 查資料1表3-24 QMy: 球體與密封圈之間的預(yù)緊力 (N)式中：qM：

19、最小預(yù)緊比壓 按7.3.2選取3. 法蘭螺栓的強度計算 式中：QLZ取QLZ1和QLZ2的較大值 FL：螺栓承受應(yīng)力下的最小總截面積（mm2） L:螺栓在常溫下的許用拉應(yīng)力（MPa） 查資料1表3-92.6.2 法蘭的強度計算1. 法蘭力矩的計算作用法蘭上的總力矩Mz (Nmm)式中：DNJ:法蘭內(nèi)徑面積上的介質(zhì)靜壓力 （N）式中：DN: 法蘭內(nèi)徑 （mm） 設(shè)計給定 P: 計算壓力 （MPa） 設(shè)計給定QDJ: 墊片處介質(zhì)作用力（N）式中：DDP :墊片的平均直徑（mm） 見圖示，設(shè)計給定QD : 墊片載荷（N）式中：QLZ ：法蘭螺栓的計算載荷，見7.6.1節(jié)l1，l2，l3：分別為和QD

20、的力臂（mm）2. 法蘭強度計算1) 法蘭頸的軸向彎曲應(yīng)力 w12) 法蘭盤的徑向彎曲應(yīng)力w23. 法蘭盤的環(huán)向彎曲應(yīng)力w3以上公式各符號定義和數(shù)值，見閘閥7.6.4常溫法蘭的強度計算。2.7 填料壓蓋的強度計算見閘閥7.10內(nèi)容2.8 彈性元件的計算2.8.1 彈性元件的作用 為了增加預(yù)緊比壓或提高低壓使用時的密封性。2.8.2 彈性元件的類型1. 圓柱螺旋彈簧2. 碟形彈簧3. 平板彈簧2.8.3 彈性元件的強度計算1. 圓柱螺旋彈簧其計算方法按GB 1239-89圓柱螺旋彈簧技術(shù)條件的規(guī)定2. 碟形彈簧 其計算方法按GB 1972-80碟形彈簧標(biāo)準(zhǔn)中的附錄規(guī)定3. 平板彈簧下面介紹的計算方法是根據(jù)平板力學(xué)理論推導(dǎo)的公式，其邊界條件與實際結(jié)構(gòu)有些差異。因此，對于大口徑球閥所用平板彈簧，需要進行驗證。根據(jù)球閥使用條件，圓板形平