無摩擦球閥設計【畢業(yè)論文答辯資料】

需要購買對應 紙 咨詢 14951605 買對應的 紙 14951605 或 1304139763 西南科技大學 畢業(yè)設計（論文） 題目名稱：無摩擦球閥設計 年 級： 2004 級 本科 專科 學生學號： 20045666 學生姓名：李紅忠 指導教師：張曉勇 學生單位：制造科學與工程學院 技術(shù)職稱：講師 學生專業(yè)：機械設計制造及其自動化 教師單位：后勤管理處 西 南 科 技 大 學 教 務 處 制 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） I 無摩擦球閥設計 摘要 ： 該設計是為了改善傳統(tǒng)球閥的缺點而做的，傳統(tǒng)球閥的缺點是摩擦大、使用壽命短、密封性能不好。此設計可以根據(jù)流體沖蝕磨損、腐蝕程度和工作壓力來調(diào)整密封比壓。軌道式無摩擦球閥是一種新型的球閥，它利用閥桿頭部的斜面凸輪與導軌套螺旋槽的配合來實現(xiàn)球閥的無摩擦開啟、關(guān)閉和金屬密封的新型閥門； 所以設計中的關(guān)鍵問題是要避免產(chǎn)生摩擦，密封要緊，最終達到高效率、高質(zhì)量、耐用性等要求。本論文研究對軌道式無摩擦球閥的運動和動力分析方法，完成了球閥啟閉運動軌跡、球體運動空間以及主要零部件的受力分析設計。該球閥具有啟閉無磨損，關(guān)閉時壓 力可調(diào)節(jié)和啟閉省力的優(yōu)點；克服了普通球閥因密封比壓大而使密封面容易磨損的缺點，延長了球閥的使用壽命。 關(guān)鍵詞： 無摩擦；球閥；軌道式；凸輪 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） is to of of is to s is a of of by s of of of a of as of it is is to of So it a 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 錄 第 1章 引言 . 1 . 1 . 1 . 2 . 2 第 2章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) . 4 式無摩擦球閥技術(shù)要求 . 4 . 4 . 4 . 4 . 4 . 4 . 5 q . 6 . 6 第 3章 運動軌跡設計 . 7 . 7 . 7 . 7 . 8 . 10 . 10 . 11 . 12 第 4章 結(jié)構(gòu)設計和計算 . 13 . 13 . 13 . 14 . 16 . 18 . 21 c . 21 選擇 . 22 . 22 . 22 . 23 . 24 第 5章 工作能力校核 . 31 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） . 31 . 31 . 31 . 33 連接法蘭承載能力 . 35 . 37 . 38 . 38 . 39 結(jié) 論 . 40 致 謝 . 41 參考文獻 . 42 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） V 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 引言 題來源 閥門是一種量大面廣的通用機械產(chǎn)品，國民經(jīng)濟各部門所需要的閥門數(shù)量很大，應用范圍也非常廣泛。輸送流體介質(zhì)離不開管路，而控制介質(zhì)流動則離不開閥門。凡是需要對流動介質(zhì)進行控制的地方，都必須安裝閥門，閥門可比喻為“管路的咽喉”。 球閥 是本世紀 50 年代問世的一種閥門，在半個世紀的時間里，球閥已發(fā)展成為一種主要的閥類 。球閥經(jīng)過半個世紀的發(fā)展已經(jīng)有了 很大的改進和發(fā)展，廣泛應用于 能源、石油、化工、冶金等領(lǐng)域，起著截流、控制等作用。 傳統(tǒng)的球閥具有以下特點： 1） 流體 阻力小 。 2） 密封性能 較 好 。 3） 球閥通道平整光滑，不易沉積介質(zhì) 。 4）結(jié)構(gòu)簡單。 傳統(tǒng)球閥明顯的缺點： 1）閥的開啟和關(guān)閉摩擦很大。 2）摩擦大引起密封材料的磨損，使球閥的密封性能下降。 3）閥的使用壽命不長。 4）大型的球閥開啟和關(guān)閉比較費力 因此設計一種無摩擦的球閥即可以改變傳統(tǒng)球閥摩擦大的缺點，使球閥更耐用和可靠。該畢業(yè)設計旨在減小傳統(tǒng)球閥的摩擦，適當補償磨損，提高球閥的使用壽命和密封性能。 在 石 油化工領(lǐng)域、大型煤液化工程關(guān)鍵設備、冶金部門、 “ 南水北調(diào) ” 工程、 西氣東輸工程、 環(huán)保工程等 球 閥市場需 求很大。 通過對閥門市場的調(diào)查分析，在 “ 十一 五 ” 中，閥門需求量的總體趨勢為上升趨勢，閥門這個量大面廣的產(chǎn)品，其需求量在穩(wěn)定中增長。其中球 閥的市場需求占閥門試產(chǎn)需求的 是各類閥門中需求最多的。由此可見，球閥在我國有著巨大的市場潛力。 題目的和意義 1）通過本設計掌握機械新型設計的方法，以及更深入掌握機械原理，機構(gòu)綜合的知識 。 2）過本設計掌握機械結(jié)構(gòu)設計的方法，更深入掌握機械設計，材料選擇等知 識。 3）會查閱和收集資料，學會使用手冊及圖表資料。 4）培養(yǎng)創(chuàng)新設計的思維，為今后工作打下堅實的基礎(chǔ)。 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 2 5） 通過調(diào)查研究國內(nèi)外在這方面的發(fā)展情況 ,明確我國制造業(yè)現(xiàn)狀，學習國內(nèi)外的先進制造技術(shù)。 閥的發(fā)展趨勢 球閥，是一種以球體作為關(guān)閉件的閥門，它起源于本世紀 50年代。早在 19世紀80 年代美國就開始設計球閥，但是由于當時缺乏合適的材料，限制了球閥的發(fā)展，使它未成為一種正式工業(yè)產(chǎn)品。直到本世紀 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)生與發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機；同時，也由于機床工業(yè)的發(fā)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和表面粗糙度。 目前，球體最大公稱直徑已達到 3050是美國 司為田納西州的一個泵站所提供的 4 臺球閥，用作透平機出口的切斷閥，設計壓力為 閥的最高工作壓力已達到 72相應溫度高達 1000 C。 球閥不僅在一般工業(yè)管道得到了廣泛應用，而且在核工業(yè)、宇航工業(yè)的液氧和液氫輸送管線上普遍采用。 全塑料球閥近年來發(fā)展較快。其特點是：耐腐蝕、總量輕、成本底。在水道、化學管道上應用越來越廣。德國一家閥門公司已制造出通徑為 6的塑料球閥 ；美國一家閥門公司制成一種含氟塑料球閥，它具有高強度、優(yōu)良的耐溫與耐腐蝕性能，適應溫度為 250 C。 大口徑輸油（或天然氣）管線是球閥應用的一個重要方面。公稱通徑范圍： 6001400作壓力通常為： 了確保安全，一些制造廠商按管線球閥的使用特點和他所受外界自然條件的影響，進行抗地震的彎曲實驗、防止火災蔓延的實驗、耐氣候條件的綜合實驗、緊急切斷實驗等。 為了適應高溫工況的需求，近年來還發(fā)展了高溫球閥，它的閥座材料不再是聚四氟乙烯，而是金屬、石墨或碳素纖維等。 一些特殊用途的特殊結(jié)構(gòu)球閥 在不斷涌現(xiàn)。，降低了切換閥的流阻并減小了如在我國一國防科研的實驗系統(tǒng)上采用了自行研制的三通半球閥扭矩。 我們可以預料今后幾年球閥將在以下幾個方面得到更大的發(fā)展： a) 密封面材料 聚四氟乙烯作為球閥密封面材料已有 30 年歷史，但它必定還會在生產(chǎn)工藝、物理性能（主要是克服冷流性、提高耐壓性）、耐溫性能方面進一步改善，以提高球閥的性能和適用范圍。耐高溫、耐磨、耐腐蝕的低摩擦的金屬或非金屬材料將會不斷研制出來。 b) 新型球閥結(jié)構(gòu)將會不斷涌現(xiàn) 其目的主要在于提高壽命、密封可靠性和改善加工工藝性。比如本設計的軌道式。 c) 全塑料 球閥將會有很大發(fā)展 在新型塑料的應用、結(jié)構(gòu)與注塑工藝性等方面的發(fā)展將會使塑料球閥的通徑、適用工作溫度與壓力范圍進一步擴大。 d) 長輸管線球閥會在遙控、自控、工作可靠性、壽命等諸方面得到提高，它們的需求量也會增加。 文研究的主要內(nèi)容 無摩擦球閥在國外研究較早，現(xiàn)在技術(shù)基本成熟；國內(nèi)雖也有單位進行過研究并投入了生產(chǎn)，但明顯落后于國外，國內(nèi)需求還依賴于進口，技術(shù)還不夠成熟，有西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 3 待于進一步完善其技術(shù)，更廣泛的投入生產(chǎn)。無摩擦球閥有很廣的國內(nèi)外市場，特別是我國西氣東輸工程中應用甚廣。 本文詳細闡述了“無摩擦球閥 的原理研究及結(jié)構(gòu)設計”，討論了實現(xiàn)軌道（即軌道式球閥運動功能）的設計實現(xiàn)，以及 件的應用過程，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： 1) 詳細分析了運動原理。該設計是通過閥桿頭部的斜面凸輪和和螺旋導軌槽的配合來實現(xiàn)球閥的啟閉運動。 2) 詳細討論了運動軌跡的設計。通過數(shù)學方法和數(shù)據(jù)計算詳細說明了球閥啟閉的運動軌跡，如圖 2示。 3) 在認識了運動原理和運動軌跡設計后，利用 件繪制工程圖 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 第 2 章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 術(shù)參數(shù) 公稱通徑 25稱壓力 用溫度 121 C 適用介質(zhì) 石油及制品、天然氣、氧氣、其他氣體 術(shù)要求 閥門的開啟關(guān)閉動作： （ 1） 操作機構(gòu)帶動閥桿上升，使球體沿通道軸線位移 （ 2） 閥桿繼續(xù)上升并同時旋轉(zhuǎn)，帶動球體繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn) 90角度，閥門開啟； （ 3） 運行過程中球體只是沿通道軸線位移和繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn)； （ 4） 關(guān)閉與開啟動作相反。 閥門作用：（ 1）切斷介質(zhì)；（ 2）調(diào)節(jié)流量。 閥門操縱、手動（仿 門操縱原理） 號及其含義 125 Q 4 I Y 40 要結(jié)構(gòu)尺寸 體直徑 球體半徑 R=( d 公稱直徑 法蘭連接 浮動直通式 閥座密封材料，硬制合金類 球閥公稱壓力 2類型、球閥 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 式中 d 球體通道孔徑；根據(jù) 25 鋼制球閥閥體的最小流道直徑，當 縮徑）直徑 123，因此選擇確定 d=125 R=( d= 據(jù) 25,球徑 D=2R= ,即 R=100 圖 2 1球體通道孔徑 封面寬度及壓緊比壓 密封寬度 R 根據(jù)圖 1 1所示，球面接觸外點半徑 R R= 22 即 R= 22 78100 =封面在垂直于流體流動方向上投影寬度 b b=R緊比壓bq， p 壓力 m 常數(shù)，常溫液體， m=1；常溫汽油、煤油、空氣、蒸氣及高于 100 m=、氮及其它密封要求高的 m=a、 c 與密封面有關(guān)系數(shù)，詳見表 1。 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 表 1 a、 表面材料 鋼、硬質(zhì)合金 硬聚氯乙烯，鋁及鋁合金，尼龍，聚四氧乙烯 黃銅青銅鑄鐵 中硬橡膠 軟橡膠 a .3 c 1 值與通用機械研究所推薦值相近，查有關(guān)表格 0（或 ,表面粗糙度 （ 封比壓 q (4 )( 式中： D =2R,P= p ) 閥座 1 140 170 q=15040此 閥結(jié)構(gòu)長度及連接法蘭尺寸 球閥的結(jié)構(gòu)長度 根據(jù) 89， 25M p 400381 ，長短,選取 L=400連接法蘭尺寸 根據(jù) N=125,選擇凸面整體鋼制法蘭，外徑 270，密封面直徑 184，厚度 26，螺紋 8個，孔 26。 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 第 3 章 運動軌跡設計 閥啟閉運動軌跡 動啟閉 圖 2 1所示運動軌跡簡圖，表明球閥繞自身形心 且沿水平方向以 1O 點作瞬心，沿滾動支承面作移動0h，實現(xiàn)球閥向閥口關(guān)閉，反之，則開啟，因此： 000 1 803 60 （ 3 1） 式中： D 球閥外徑， D=2R， 球閥半徑， 球閥自轉(zhuǎn)角度，度 0h 球閥形心 本項設計中，0h=R=100式（ 3 1）知 h/0= 度 /00180 由于0h=此實際轉(zhuǎn)角0為： 0= 0h/ 閥擺動 具有傾角的平面凸輪（斜面）沿 Y 軸向下移動 s 距離，而兩圓柱中心 以 1O 為瞬心，沿 兩中心沿 X 軸向位移量 h=s 0（ R+180（ 3 2） 式中： 222 2/在本項設計中： 287 2/l =24 因此， 2 由式（ 2 2）可得： h=s=0h+=3 3） 當0h=0=時： h= s= 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 輪的輪廓 該平面的凸輪機構(gòu)是以雙斜面與圓柱面接觸原理工作，當凸輪機構(gòu)的一邊（例如右側(cè)）是直線型斜面，則在另一側(cè)就不一定是一個平行于右側(cè)的斜面（指左側(cè)工作面），因此要計算出在 是 A）和 是 D 點）的坐標位置，以右側(cè)為直線，求左側(cè)輪廓位置。 當 s=0，如圖所示狀況，即 2y =0，當圓柱半徑 r=9， = c o （ 3 4） 在圖示狀況下（本項目中 l=48 232232 )()( （ 3 5） 當 s= | 2y 值時 （ 3 6） co 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 圖 2 1球閥啟閉運動軌跡計算簡圖 O 球心形心 1O 滾動瞬心 1(球閥半徑 ) 0 球閥滾動角 斜導軌斜角 滾柱與導軌接觸點 A、 導軌位移而變化 S 導軌沿 Y 軸方向移動量（向下為正） S=h 球閥形心水平移動量 h 導軌在 212r 滾動半徑 11, 22, 33, 44, L A 與 D 之間垂距（沿斜面） A 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 s s c o sc o o （ 3 7） )c o s (2c o s （ 3 8） 在本項設計中，平面凸輪最高升高 4式（ 3 3）和（ 3 8）得： m a x 4 38t a n 6s m m m a o s (48m a x h=2 s= 9mm h=1 s= h=0 s=0 00 L= 面凸輪下窄上寬，角度變化范圍約在： m a x 0m a x 02 9 . 8 3 1 6 2 9 . 7 3 7 0 . 0 0 2 4 8 938 ， =0 2 6 8 6 （斜度在左側(cè)變小） 當凸輪右側(cè)面是斜平面時，左側(cè)應為一曲面，由于曲面曲率變化小，在結(jié)構(gòu)設計中可用一個近似斜平面，角度略小于右側(cè)面角來實現(xiàn)。 閥下支承外形 動柱面與倒角半徑 根據(jù)球閥啟閉采用滾動啟閉原理，下支承結(jié)構(gòu)外形要適應這一要求，實現(xiàn)無滑動滾動。圖 3 2所示下支承結(jié)構(gòu)外形簡圖，圖中表示支承外圓 R（即與球閥外徑同），它與倒角圓角 柱面區(qū)。 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 圖 3 2 球閥下支撐點外形 當?shù)菇前霃綖?1r ，軸承內(nèi)孔直徑為 經(jīng)倒角半徑為 1r 起點 b 與球閥形心連線與 m a )2/(s R （ 3 9） 在本設計中： 401r =9R=100而： 6 1 5 920(s in m a 角中心點位置 點 aa ) （ 3 10） 倒角中心點 12 a (3 11) 在本項設計中： 9 9 o 00 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 19240 o 動空間 要求以 O 點為瞬心， 半徑能作無滑動的滾動，此時 長度和 22 )2/( 1ta n /2 （ 3 12） 當球閥轉(zhuǎn)動0角后， 軸上投影 ) （ 3 13） 根據(jù)d 配合間隙。 在本項設計中： 2 ， 1 9 . 5 4 5 5t a n 2 5 . 5 1 420 ， 2 2 . 1 6 1 c o s ( 2 5 . 5 1 4 1 . 2 0 5 ) 2 0 . 1 9 2 在滾動中要求右邊增大半徑 左邊滾動中出現(xiàn)空 隙，此時) = 2 2 . 1 6 1 c o s ( 2 5 . 5 1 4 1 . 2 0 5 ) 1 9 . 7 9 4 隙為 慮左、右狀況，理論上還有空隙 此選擇優(yōu)先配合 )40支承軸承孔)40 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 13 第 4 章 結(jié)構(gòu)設計和計算 桿機構(gòu)受力狀況 閥受力狀況 球閥受力狀況可以簡化為圖 4 1所示狀態(tài)，圖中： 4 （ 4 1） 式中： D=25= A B (4 2) 式中： a、 見圖 4 1中尺寸。 圖 4 1 球閥受力狀況簡圖 因此 ： 4 94 06 2 1 1 0 6 2 球閥密封壓力考式（ 4 2）可得： 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 )(4 22 （ 4 3） （ 4 4） 本設計中： ,d=125F S 22 A 6 2 6 9177901 2 3 2 9 B 6 0 60177871 2 32 9 合力于因此 （ 4 5） 當流體反向流動時（密封時），要保持密封面此球閥上受倒閥桿作用力引起支反合力： 4 6） 在本設計中：4947+6269=31216N 060=后面分析中應用 在強度計算時將考慮 桿支承反力與支承結(jié)構(gòu)型式選擇 方案 1：前支承導向型（即無后支承）圖 4 2是方案 1的力系平衡圖，由圖可得： 0M 2()23A O F l ， 而 12 2 4，因而 26 ()2 c 0F R 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 15 圖 4 2前支承導向受力圖 因此： 116 4cq q Rl l l 216 2cq q Rl l l 1q 區(qū)間 6 4622646461 2q 區(qū)間 （ 4 7） 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 16 6 )46(4121 2111 6 )26(4121 2222 （ 4 8）因此： 6 5 7 33 1 2 1 61173406)1174406(1174 1 21 01751173406)1174406(1174 1 22 方案 2：前后支承導向型 圖 4 3是方案 2受力狀況圖，由圖可知： 圖 4 3 前后支承導向受力圖 2AO rR d F e 21 （ 4 9） 因此，當 2 98 3 1 2 1 6 1 7 4 8 0 . 9 6175 N 1 3 1 2 1 6 1 7 4 8 0 . 9 6 4 8 6 9 6 . 9 6N 比較兩個結(jié)構(gòu)方案，方案 2受力狀況較好，在結(jié)構(gòu)設計上又允許設計后支承，因此選用方案 2（只考慮 ，） 1 ， 2 擦阻力扭矩 閥桿支承摩擦阻力扭矩文） 17 0012c o s ( ) c o f r F f (4 10) 式中： 12 導軌槽螺旋角， = f 摩擦系數(shù)， f= 滑不良），取 f=d 閥桿直徑，0d=40此：（ = 密封摩阻扭矩 c 00 dZ 4 11） 式中：mF=Z 山形密封件數(shù)， h 密封件長度，在具體結(jié)構(gòu)中： 6+10 6一層件數(shù) 中間層件數(shù) 摩擦系數(shù)，對于尼龍 因此：40 46 4 40 球閥下支承點摩阻扭矩（ 4 12） 式中： 下支承點軸徑， 40 摩阻系數(shù)， 此： 導軌槽產(chǎn)生扭矩 （ 4 13） 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 18 因此： 桿承受的軸向力 導軌槽承受軸向力作用閥桿上） 在螺旋槽部分 (2 （ 4 14a） 式中： )(21 ，導槽平均直徑， 導槽外徑，0 導槽內(nèi)徑，1md 170(21 導槽螺旋升角， =左旋） 導槽與導輪摩擦角，當 f ， 在式（ 3 14）中，當開啟時取“ -”，關(guān)閉時取“ +” 在直槽部分 1 （ 4 14b） 式中： 除導槽以外的軸向合力，詳見式（ 4 19）。 mR= 閥桿梯形螺紋摩擦半徑，(2 ，關(guān)閉用“ +”，開啟時用“ -”，當選用 6L 7H 梯形螺紋，螺紋螺旋角 334 ，當螺紋摩擦系數(shù) f 時， 142 ，梯形螺紋平均直徑 P 。 由式（ 4 14b）可得在本設計中： 開啟時 4 14）計算結(jié)果列于表 4 1中。 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 19 表 4導軌槽承受軸向力 工作狀況 md區(qū)域 開啟 斜槽 直槽 0 閉 斜槽 直槽 0 4軌槽承受力圖 液壓推力 PF 204 （ 4 15） 式中： p=此： 5 0 2 44404 2 閥桿前后支承摩擦阻力 由式（ 4 9）和（ 4 10）知，支承摩擦阻力為： 直線移動中 關(guān)閉時 ( 21 開啟時 ( 21 （ 4 16） 螺旋移動中 s 21 4 16）計算結(jié)果列于表 4 2中。 西南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 表 4 2 閥桿前后支承軸向摩擦阻力（ N） 工作狀況 前支承 后支承 摩擦系數(shù) f 螺旋角 摩擦阻力 1121關(guān)閉 開啟 螺旋運動 8462 閥桿密封摩擦力4 11）知 直線運動時 mF 螺旋運動時 4 17） 因此： 40 46 4 4 48 0 5 9s N 關(guān)閉 他狀況 / c o （ 4 18） 式中： 斜面傾角， =6 摩擦系數(shù)，此再閥門關(guān)閉時：31216 0 . 1 5 4 7 0 8 . 3c o s 6 N其他狀況： 24974 0 . 1 5 3 7 2 1 . 5c o s 6 閥桿軸向合力文） 21 開啟 1旋開 2旋關(guān) 3（ 4 19） 關(guān)閉 4式中：開啟 關(guān)閉 由式（ 4 19）計算并考慮（ 4 14）結(jié)果列于 表 4 3 工 作狀況 導軌槽 閥桿前后支承 閥桿密封 桿頭斜面 液壓力 軸向合力 開啟 5024 開 8462 5024 關(guān) 8462 024 閉 5024 8023 作扭矩和手輪選擇 縱扭矩 據(jù)結(jié)構(gòu)設計，閥