电动球阀毕业设计

摘要本文根据已知的电动球阀设计经验对DN为100mm，设计压力为50公斤的球 阀进行设计，主要包括了材料选择、结构设计和强度校核等，在结构和材料方面 在满足强度的前提下，尽量降低结构的复杂性，以更小的消耗、更简单的结构来 实现成品的设计优化，我们需要根据球阀的特点来选择合适的机构。本设计以已给的设计条件为着眼点，同时根据国家阀门标准为中心，借助 soliderworks三维软件AUTOCAD二维制图软件根据球阀设计手册的标准框架的 结构形式对产品进行了三维建模、二维制图，最终确定球阀的结构形式。1绪论1.1电动球阀简介电动球阀（英文名：Electronic Ball Valve）由电动执行机构和球阀共同构成电动球阀。是工业自动化过程控制的一种管道压元件，通常用于管道介质的远程开、关（接通、切断介 质）控制。电动球阀标准GB/T21465-2008阀门术语中定义为：启闭件（球体）由阀杆 带动，并绕阀杆的轴线作旋转运动的阀门。主要用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流 体的调节与控制 其中硬密封V型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强 的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗料等介质。电动球阀分为电动法兰球阀，电动对 夹球阀，电动焊接球阀，电动丝扣球阀。根据密封形式还分为软密封电动球阀，硬密封电动 球阀。1.2 国外研究现状球阀是上世纪 50年代问世的一种新型阀门。在短短的 30 多年里，球阀已发 展成为一种主要的阀类，它在航空航天、石油化工、长输管线、轻工食品、建筑 等许多方面都得到了广泛的应用。目前球阀最大公称通径已达3050mm，这是美 国 EscherWyss 公司为田纳西州的一个泵站所提供的四台球阀，用作透平机出口 的切断阀，设计压力为4.8Mpa。球阀的最高工作压力已达72Mpa，其相应温度高 达 1000C。球阀不仅在一般工业管道上得到了广泛应用，而且在核工业、宇航工业的液 氧与液轻输送管线上普遍采用。全塑料球阀近年来发展较快。其特点是：耐腐蚀、重量轻、成本低。西德一 家阀门公司已制造通径为6 “的塑料球阀；美国Hill Maccanng公司制成一种含 氟材料球阀，商业名称为Kynar，据称有高强度、优良的耐温与耐腐蚀性能，使 用温度为 250C。同时随着时代的发展，进入21 世纪以后，生产和制造技术有了显著优化提 高，同时，技术人员大都通过计算机技术对产品进行研发设计和控制优化，在很 大程度上提高了设计速度和更新周期。目前，全球的控制阎市场如同大部分工业品一样被三个经济体瓜分，分别是 美 国为代表的北美经济体，以德国、英国、法国为代表的欧盟地区，和以日本为代 表的亚太地区。美国是全球最大的阀门供应商，其阀门协会有超过110家企业，年产值超过40亿美元。1984年就在中国开展业务的FISHT讯控制阀由于进入中国较早，其产 品已经成为中国教科书的样板。德国在二战之后迅速恢复经济，其产品通过优良的质量迅速占领市场。德国 阀门企业一般都属于专业性很强的公司，在某一类产品的研究、设计和制造方面 都有自己的特色。日本作为世界第二经济体，其阀类产品由于价格适中，质量较好，迅速占领 了中国中低端市场。目前我国关于球阀的生产企业大多规模小、科研能力弱，大多通过参考外国 产品进行设计生产，其主要原因是技术投入资金不足，科研人员数量不足，所以 在国很多的大型工程招标多被外国阀门企业所垄断。1.3 本文研究的主要容、方法和目标球阀作为新型的阀门品种之一，关于球阀的设计方案十分稀少，本文的主要 研究容包括对球阀结构设计。球阀的设计要求保证合适的强度与刚度，从而保证 球阀的寿命和稳定性。本课题主要以DN为100mm，P为50公斤的球阀，进行结 构设计，强度校核，以及关键零部件的分析，同时进行三维建模。课题的研究容 和方法主要包括：（1）设计球阀结构并进行强度校核 通过设计手册对球阀的结构进行设计，主要包括阀体、阀杆、阀芯以及省力机构的选用与设计，并对其受力分析，然后再确定材料后进行强度校核。（2）建立球阀的三维模型通过 soliderworks 三维软件对球阀零件进行实体建模，并进行装配。对球阀的三维模型进行适当简化，忽略不受力的小零件，2球阀的结构设计及校核2.1球阀的构成、作用原理、特点和结构分类2.1.1球阀的构成frffiSEiriTn土 medium Hdv 如Pne- ighictonc soringLSMl砌亡曲IFi型喇place Mtwm tjybfrri. com1 it密封座感厦剤觑乙牌闵座F自由渝对孔径11蚌黄用詩性浪球型卄矗4隔主悖 也阀徉呂戌憾隕L 冊Q ; 2 匸眈巴 or ielsxi ”盘也 sr 2. Hfismooilt nue 3 Opmiar-g ontod 亡nEvacDansuc sViami na conEou D ，min式中D 为最小球体直径（124mm）；mind 2 阀座外径（120mm）；d球体通道孔直径（100mm）；D球体实际直径（160mm）。由上面可知可取球体直径D=160mm， D2=122mm2.3球体与阀座之间密封比压的确定2.3.1必需比压的计算必需比压是为保证密封，密封面单位面积上所必需的最小压力，以qb表示。 由于流体压力或附加外力的作用，在球体与阀座之间产生压紧力，于是 必需比压式球阀设计中最基本的参数之一，它直接影响球阀的性能及结构尺寸。下面是由实验结果得出的计算公式qMF= m（詈）=I6（2-2）式中m与流体性质有关的系数；a ，c与密封面材料有关的系数；P流体工作压力；b密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度b= t - cos 申=4.375mmt密封面宽度7mm ；其中查表2-1可得m=1.4，a=1.8，b=0.9，P=5Mpa。b将在下面中计算得出。表 2-1密封面材料ac钢、硬质合金3.51聚四氟乙烯、尼龙1.80.9铜、铸铁3.01中硬橡胶0.40.6软橡胶0.30.42.3.2需用比压选择密封面单位面积上允许的最大压力称为需用比压，以lq表示。本此设计球阀通过查询球阀设计与选用密封面材料许用比压表可知，选取聚四氟乙烯lq=17.5Mpa 2.3.3设计比压的计算设计时确定的在密封面单位面积上的压力，称为设计比压，以q表示。选择 比压比应是密封可靠、寿命长和结构紧凑必须保证：2-3）设计比压按图2-2中的力的平衡关系进行计算：2-4)Nq = S式中N球体对阀座密封面的法向力（N）；N = -Q cos（2-5）S阀 与球体杰出的球星环带面积，S=2 nr（ L L ）12座Q作用于阀座密封面上的沿流体方向的合力；,K L1 + L 2 密封面法向与流道中心线的夹角。cos = R二丐厂=0.625L , L 一球体中心线执法作两段面的距离（mm），12!4R2 D 2 L1=1=;LDMN=106一阀座径；DMW=122一阀座外径；d 阀座平均直径（mm）m二=114；2R=80球体半径（mm）。整理可得:(D+ D ) Pq = MWMN4(D D )MW MN2-6)由于球阀的密封力还未计算故需计算完，故在下节给出设计比压的计算结果。图2-2 比压计算图2.4球阀密封力的计算为简化计算 往往忽略预紧力Q，阀座滑动摩擦力及流体静压力Q在密封面1 2余隙中的作用力QJ,这样密封力仅等于流体静压力在阀座密封面上的作用力Q (N)，即MJ(D + D ) P/、q 二 MW MN =171.81KN(2-7)4(D - D )MW MN将上式代入式2-5可得q = 2(p + 0.4) q( 2-8 )可得q=10.8在球阀初步设计时，为了便于确定b，DN及P的关系，设 = DN，q= q代入 上式可得DNb=4q-7 P(mm)(2-9)由需用比压 q=17.5Mpa，DN=100mm，P=5Mpa 代入得：b=7.69mm，代入式2-2可得q = 4.216显然满足MFq q lqb球阀密封力的精确计算还要计算预紧力 Q ,故可知；1Q= Q1+ Q(2-10)1 MJ预紧力计算公式如下：nQ = q (D 2 D 2)4 min MWMN(2-11)式中 q 一预紧所需的最小比压，q . = 0.1P ；minminD 、D一阀座径和外径(mm)。MNMW可得Q=1.431KN，故 Q=173.241KN。2.5球阀的转矩计算由于本球阀为浮动球阀故其转矩M计算公式如下：0M 二 M + M + M(2-12)mtu式中 M 一球体与阀座密封面间的摩擦转矩；mM 一阀杆与填料之间摩擦转矩；mM 一阀杆台肩与止推垫间的摩擦转矩。uM 和 M 的计算见2.7.2。muM 二 Fr(2-13)m式中F球体与阀座之间的密封力，F = Nu , N =(N)；Tcos 申r摩擦半径，R(1 + cos 申)r =球体摩擦半径计算图如图2-3所示；R一球体半径(mm)；申一密封面对中心的斜角；一球体与密封圈之间的摩擦系数，查表得卩” =0.05 。图2-3球体摩擦半径计算2 x0.713=QR(1 + C0S申)11275x13x19(1 + .713)x0.05 = 1.29x106 (N*mm) 2cos申 t宀 cc