畢業(yè)設(shè)計(jì)范例

1、浙江水利水電學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目： 電梯的高效運(yùn)行PLC控制的設(shè)計(jì) 系 （部）： 機(jī)械電子工程 專業(yè)班級： 機(jī)電14-2 姓 名： 周華鵬 學(xué) 號(hào)： 201431043 指導(dǎo)教師： 方貴盛 2014年6月2日摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行的是高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥的設(shè)計(jì)。球閥在管路中主要用來做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動(dòng)方向。本設(shè)計(jì)只需以旋轉(zhuǎn)90度閥桿操作和極微轉(zhuǎn)矩就能實(shí)現(xiàn)球閥啟閉。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過微妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)革命性地實(shí)現(xiàn)了高壓球閥的微轉(zhuǎn)矩啟閉，達(dá)成了高壓球閥密封性和操作性的良好結(jié)合。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)通過解決球閥密封性和啟閉轉(zhuǎn)矩之間的矛盾沖突，對高壓球閥在各種惡劣的無源環(huán)境下的使用提出了

2、全新的概念和現(xiàn)實(shí)的解決方案。在這些環(huán)境之下，甚至在曾經(jīng)球閥不能觸及的應(yīng)用領(lǐng)域，本高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥都將體現(xiàn)它無比的優(yōu)越性能。 關(guān)鍵詞：球閥；高壓；密封；微轉(zhuǎn)矩ABSTRACTThis graduation project is The Design of A Micro-Torque Ball Valve at High-Pressure. Pipeline ball valves are mainly used to cut off the flow, distribute and change the flow direction of medium. This design require

3、s only a 90-degree rotation of the operating stem and tiny torque to open or close. The innovation of this design is to open and close high-pressure ball valves with a tiny torque through ingenious mechanical structures revolutionarily. This design gives a great conflict resolution between the tight

4、ness and torque of ball valves; it also gives new and realistic solutions of using high-pressure ball valves in bad or non-energy environment. The Micro-Torque Ball Valve at High-Pressure will reflect its unmatched and superior performance in these environments, even in the areas which current ball

5、valves have never reached. Key Words：Ball Valve；High-Pressure；Hermetic；Micro-Torque； 目 錄摘要與關(guān)鍵詞. ABSTRACT. 1. 引言11.1課題背景及意義11.2課題的現(xiàn)狀21.2.1國外研究和發(fā)展情況21.2.2國內(nèi)研究和發(fā)展情況31.3課題主要研究內(nèi)容32. 高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥的總體設(shè)計(jì)52.1總體方案52.1.1主要技術(shù)要求52.1.2基本方案介紹52.1.3成本與性能分析62.2基本結(jié)構(gòu)的確定72.2.1選型72.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)82.2.3球閥基本參數(shù)的確定93. 球閥力的計(jì)算113.1必需比壓

6、的計(jì)算及球徑的確定113.1.1必需比壓計(jì)算113.1.2球體直徑的確定113.2密封力的計(jì)算123.2.1密封力基本參數(shù)確定123.2.2密封力的詳細(xì)計(jì)算144. 球閥主要零件的設(shè)計(jì)194.1球體設(shè)計(jì)與計(jì)算194.1.1 球體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)194.1.2 球體的力學(xué)計(jì)算194.2球閥閥體和連接體的設(shè)計(jì)計(jì)算214.2.1 閥體壁厚的設(shè)計(jì)計(jì)算214.2.2 法蘭連接的設(shè)計(jì)計(jì)算234.2.3 其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)計(jì)算264.3球閥的耐火、防異常升壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)264.3.1 球閥的耐火結(jié)構(gòu)264.3.2 球閥的防異常升壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)274.3.3 球閥的防靜電結(jié)構(gòu)274.4球閥閥桿設(shè)計(jì)計(jì)算284.4.

7、1 閥桿的轉(zhuǎn)矩計(jì)算284.4.2 閥桿的強(qiáng)度計(jì)算304.4.3 閥桿連接鍵的強(qiáng)度計(jì)算325. 高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥特殊裝置的設(shè)計(jì)及說明346. 結(jié)論357. 經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告368. 致謝389. 參考資料3910. 附錄40371. 引言1.1課題背景及意義閥門，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中使用極其廣泛的一種機(jī)械產(chǎn)品。隨著我國改革開放、建立社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)和開展對外貿(mào)易的需要，在石油、天然氣、煤炭、冶金和礦石的開采、提煉加工和管道輸送系統(tǒng)中；在石油化工、化工產(chǎn)品，醫(yī)藥和食品生產(chǎn)系統(tǒng)中，在冶金生產(chǎn)系統(tǒng)中；在船舶、車輛、飛機(jī)、航天以及各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械的使用流體系統(tǒng)中；在國防生產(chǎn)以及新科技領(lǐng)域；在農(nóng)業(yè)排灌系統(tǒng)中都需要大量

8、的閥門新品種?？梢哉f，只要有管道的地方就需要閥門，它是國民經(jīng)濟(jì)各部門不可缺少的流體控制沒備。而球閥因其與管道相當(dāng)?shù)牧黧w阻力系數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，緊密可靠等等諸多優(yōu)勢，已成為閥門目前市場上用戶使用最多、應(yīng)用最為普遍的閥門。尤其在油氣運(yùn)輸管線上，其運(yùn)用幾乎是覆蓋性的。球閥是由旋塞閥演變而來。它具有與之相同的旋轉(zhuǎn)90度動(dòng)作，不同的是旋塞體是球體，有圓形通孔或通道通過其軸線。當(dāng)球旋轉(zhuǎn)90度時(shí)，在進(jìn)、出口處應(yīng)全部呈現(xiàn)球面，從而截?cái)嗔黧w流動(dòng)。現(xiàn)有球閥結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是其缺點(diǎn)亦相當(dāng)明顯。球閥的彈性密封墊國內(nèi)外基本上都用聚氟乙烯材料壓制、燒結(jié)而成，該材料雖然摩擦系數(shù)小，但加于球閥承受一定的工作壓力，

9、且要達(dá)到密封作用，在設(shè)計(jì)和裝配時(shí)需要確保密封墊厚度的一定過盈量，使密封墊和球體在閥體內(nèi)腔形成預(yù)緊力。此預(yù)緊力大小與球閥的密封狀況呈正相關(guān)，同時(shí)，預(yù)緊力越大，球體轉(zhuǎn)動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩也越大。大型中高壓球閥為了在高壓大轉(zhuǎn)矩存在情況下順利啟閉，還需額外配備昂貴的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置?，F(xiàn)行使用廣泛的啟閉驅(qū)動(dòng)裝置分電動(dòng)、電/液動(dòng)、電磁動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)、氣/液動(dòng)等等。無一例外，上述裝置在順利完成高壓管道球閥啟閉的同時(shí)也給球閥的生產(chǎn)制造增添了一大筆不小的開支。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，普通的高壓球閥啟閉驅(qū)動(dòng)裝置占球閥成本的30%以上，采用特種驅(qū)動(dòng)裝置，這個(gè)比重還要高。而每年消耗在高壓球閥驅(qū)動(dòng)裝置上的成本又給企業(yè)運(yùn)營制造了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)

10、。原材料的消耗和因此所產(chǎn)生的能源、環(huán)境等等問題又與當(dāng)今全球社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展大環(huán)境相悖。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在深入分析國內(nèi)外市場環(huán)境，全方位考察現(xiàn)有產(chǎn)品特點(diǎn)，充分考慮客戶需求的情況下產(chǎn)生。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)通過球閥結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對功能和性能沖突實(shí)現(xiàn)了革命性的改造，打破了球閥密封性能和啟閉性能的對立，有效地提升了球閥的設(shè)計(jì)水平。1.2課題的現(xiàn)狀一般情況下，球閥是作為整機(jī)的某個(gè)部件而存在的，其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、加工工藝性、產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性，直接影響著整機(jī)的效率、能耗、污染、壽命和安全等各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。因而，球閥技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展態(tài)勢，將引起新一輪的技術(shù)創(chuàng)新。1.2.1國外研究和發(fā)展情況球閥的使用已經(jīng)數(shù)世紀(jì)，國內(nèi)外的研究發(fā)展由于

11、市場競爭激烈大部分以降低成本為目標(biāo)。品質(zhì)則以加工精密，增強(qiáng)材料，選對材料為導(dǎo)向，這些措施對現(xiàn)有產(chǎn)品性能改進(jìn)甚微。國外同類產(chǎn)品對閥門行業(yè)的最大影響是對新材料的應(yīng)用和對同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整及性能的延伸。國外閥門新開發(fā)產(chǎn)品重點(diǎn)放在閥門新材料的應(yīng)用上，由于現(xiàn)有的耐腐蝕閥門材料還不能完全滿足其技術(shù)發(fā)展的需要，超低碳不銹鋼的閥門產(chǎn)量很少，因此國外閥業(yè)正在加速開發(fā)超低碳雙相不銹鋼閥門。超低碳雙向不銹鋼具有耐氯離子、硫化氫、二氧化碳、無機(jī)酸、有機(jī)酸等環(huán)境下的點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕等能力。其次，國外閥業(yè)越來越重視其納米材料在閥門上的應(yīng)用。納米技術(shù)是世界科技發(fā)展的前沿技術(shù)，納米塑料閥門的研究，在裝備制造業(yè)中納米

12、材料只能達(dá)到亞納米級，對制造閥門的粉體進(jìn)行納米量級處理。原來的塑料顆粒比較大，經(jīng)過新工藝處理，可以得到排列整齊，細(xì)微的粉體顆粒，經(jīng)過燒結(jié)高溫壓鑄成形，得到閥門的整個(gè)腔體，此塑料閥門的具有很好的耐蝕性，很高的強(qiáng)度，可取代特殊的不銹鋼閥門應(yīng)用于石油、化工領(lǐng)域，尤其是火電廠的脫硫設(shè)備等強(qiáng)腐蝕的工況環(huán)境中。再者是用羰基法制成鎳基納米粉末，用激光涂覆技術(shù)或超音速涂覆技術(shù)，將鎳基納米粉末涂覆在密封面上，使密封面硬度可達(dá)HRC6270，提高閥門的密封面的耐磨、耐沖刷、耐腐蝕性能，從而提高閥門的使用壽命。第四，是陶瓷在閥門上的應(yīng)用，由于陶瓷可大大提高閥門的耐腐蝕性能，使用壽命及密封性能優(yōu)于硬質(zhì)合金，用陶瓷作密

13、封副，如電站上應(yīng)用的儀表閥門多為陶瓷球密封，有硬度高、耐高溫、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。第五，是開發(fā)用處不同的橡膠，如氫化丁腈橡膠（HNBR）就耐硫化氫的腐蝕，可以應(yīng)用在閥門密封面上。在API 6A閘閥的閥座上就能應(yīng)用氫化丁腈橡膠（HNBR），使該閘閥即壽命高又耐硫化氫腐蝕。 國外同類產(chǎn)品的超前更新對我國閥門行業(yè)的影響主要表現(xiàn)在：對我國重點(diǎn)工程配套閥門產(chǎn)品的替代；占領(lǐng)其廣闊的市場；使我國閥門行業(yè)之間的市場競爭加劇等等。 1.2.2國內(nèi)研究和發(fā)展情況我國閥門行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，閥門生產(chǎn)廠家迅速增加，閥門生產(chǎn)水平有了較大提高，閥門產(chǎn)量有了大幅度增加。閥門的主要產(chǎn)品基本上能滿足國內(nèi)市場的需要，閥門市場的成套

14、率、成套水平和成套能力都有較大提高。目前，我國已能生產(chǎn)3000多個(gè)型號(hào)、40000多個(gè)規(guī)格的閥門產(chǎn)品，品種包括閘閥、截止閥、節(jié)流閥、旋塞閥、球閥、蝶閥、隔膜閥、止回閥、安全閥、減壓閥、疏水閥和其它閥門類等，共計(jì)十二大類。隨著新的工藝流程和控制要求的出現(xiàn)，隨著現(xiàn)代閥門技術(shù)參數(shù)和技術(shù)性能的高水平發(fā)展需要，隨著生產(chǎn)過程日益自動(dòng)化發(fā)展的需要，對閥門新產(chǎn)品的發(fā)展需要也不斷提出。同時(shí)，根據(jù)“十一五”綱要，我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求要求國家重點(diǎn)支持閥門行業(yè)為火電、核電、水電、大型石油化工、石油天然氣集輸管線、煤液化及冶金等重大工程建設(shè)配套閥門新產(chǎn)品的開發(fā)。1.3課題主要研究內(nèi)容針對目前市場上的同類閥門打開時(shí)需用

15、蝸輪箱、電動(dòng)頭等驅(qū)動(dòng)裝置操作，既費(fèi)錢費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又易受損的現(xiàn)象，通過對現(xiàn)有球閥設(shè)計(jì)的技術(shù)改進(jìn)，尋求一種新型的既省力省錢，又有良好密封性能，操作簡單，維護(hù)方便的閥門。主要將針對以下內(nèi)容進(jìn)行：（1）球閥的密封性研究：本項(xiàng)目致力于控制加工精密度投入成本和運(yùn)行成本，并在此基礎(chǔ)上研究完善球閥密封效果的新技術(shù)。（2）球閥所受摩擦與球閥所受轉(zhuǎn)距之間關(guān)系的研究。（3）球閥結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)：使密封狀態(tài)下閥座產(chǎn)生很大推力達(dá)到較高密封性能同時(shí)又在啟閉操作時(shí)使轉(zhuǎn)矩降低，實(shí)現(xiàn)無需啟閉驅(qū)動(dòng)裝置的微轉(zhuǎn)矩啟閉。（4）導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)：管道內(nèi)高壓流體導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證。2. 高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥的總體設(shè)計(jì) 2.1總體方案2.1

16、.1主要技術(shù)要求承受溫度：-25180工作壓力：15002500 Lb啟閉轉(zhuǎn)矩：低于300N*M適用管徑：NPS 2 NPS 48適用介質(zhì)：石油、天然氣等2.1.2基本方案介紹管線球閥的設(shè)計(jì)理念最根本的是安全和可靠性。長輸管線的自然條件要求管線球閥的設(shè)計(jì)和制造必須保證其安全性和可靠性。而且這一理念應(yīng)貫徹在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件加工、工藝規(guī)范、型式試驗(yàn)、質(zhì)量控制和售后服務(wù)的全過程。本設(shè)計(jì)主要完成球閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。球閥主要的功能是將管線的流體切斷或者開通。其切斷的方式是由閥座跟一球體緊密貼合，貼合處的上游高壓流體則無法泄漏到下游而將流體切斷。閥座和球貼合如果不緊密則仍可能泄漏。因此如何使貼合緊密成為球閥質(zhì)

17、量的一個(gè)指標(biāo)，球的真圓度、閥座的真圓度是基本要求。以上兩個(gè)要求也是球閥行業(yè)現(xiàn)今在提升球閥密封性上致力于達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。由于加工精度指標(biāo)及測量設(shè)備要求高，而大量的投資都消耗在達(dá)到這一指標(biāo)的投入上，因此現(xiàn)有對球閥密封性的更高追求均以巨大的資金投入為基礎(chǔ)，大大阻礙了球閥行業(yè)的發(fā)展。而以此為絕對導(dǎo)向的球閥設(shè)計(jì)與球閥生產(chǎn)制造如果以降低成本為目標(biāo)，則勢必削減以上指標(biāo)上的投入，大大影響產(chǎn)品密封性能。球閥的開關(guān)是靠球體的轉(zhuǎn)動(dòng)使閥座孔與球孔對齊則開通球閥，當(dāng)閥座與球體緊密貼合時(shí)球體被閥座壓住，球體必須靠一定的轉(zhuǎn)矩才能轉(zhuǎn)動(dòng)，閥座推力愈大轉(zhuǎn)動(dòng)球體所需轉(zhuǎn)矩愈大，因此閥座和球體接觸面容易受高度摩擦而受損，同時(shí)轉(zhuǎn)矩愈大轉(zhuǎn)動(dòng)球

18、體的執(zhí)行器愈大而成本愈高。以上描述的結(jié)論是：密封性與閥座推力成正比，球閥受損度與此推力造成的磨擦力成正比。理想的球閥是高度密封性，低轉(zhuǎn)矩，低成本。這些要求在傳統(tǒng)的球閥特性中均相互矛盾。本項(xiàng)目在技術(shù)上另辟蹊徑，利用流體力學(xué)原理引導(dǎo)高壓液流方向，使閥座在球體將轉(zhuǎn)動(dòng)前的瞬間被推離球體，使閥座與球體脫離接觸狀態(tài)，從而將閥座和球體間的磨擦力解除，同時(shí)使啟閉轉(zhuǎn)矩降至最低。2.1.3成本與性能分析圖（1-1） 圖（1-2） 圖（1-3）圖1 閥門驅(qū)動(dòng)設(shè)備如圖1所示，傳統(tǒng)的球閥（如圖1-1）在低壓下只需簡單的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，如扳手，成本較低；但是一旦進(jìn)入高壓使用環(huán)境，啟閉轉(zhuǎn)矩增大，就不得不附加價(jià)格高昂的驅(qū)動(dòng)設(shè)備以實(shí)

19、現(xiàn)成功啟閉，在小通徑閥門情況下（如圖1-2），驅(qū)動(dòng)裝置相對成本較高，同時(shí)，伴隨著球閥通徑的不斷增大（如圖1-3），驅(qū)動(dòng)裝置的絕對成本也隨之上升，導(dǎo)致球閥整體成本大幅增加。驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)方式的降級也給球閥的安裝和使用帶來了新的可能。帶有齒輪箱或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的球閥一般只能選擇直立安裝，即安裝在水平管道上，且驅(qū)動(dòng)裝置處于管道上方，這就給特殊的閥門使用現(xiàn)場帶來相當(dāng)大的選擇和使用限制，而用手柄驅(qū)動(dòng)的閥可安裝在管道上的任意位置。本設(shè)計(jì)可以在明顯降低球閥啟閉轉(zhuǎn)矩的情況下實(shí)現(xiàn)用手柄實(shí)現(xiàn)原來蝸輪箱、電動(dòng)頭和氣動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)裝置才能完成的高壓球閥啟閉動(dòng)作。就球閥使用性能方面，傳統(tǒng)高壓球閥由于閥座與球面在任何時(shí)候都緊密

20、貼合以達(dá)到良好的密封效果，故在球閥啟閉過程中球體表面和閥座接觸應(yīng)力極大，球面和密封圈磨損情況嚴(yán)重，故障率高。本設(shè)計(jì)在球閥密封性能的達(dá)成與提升上不同于球閥行業(yè)的傳統(tǒng)技術(shù)方向方法，通過技術(shù)創(chuàng)新，使球閥在靜止密封時(shí)能充分受壓密閉，在球閥啟閉時(shí)解除閥座與球體接觸應(yīng)力避免球體和密封圈等受損而影響密封效果。故而本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)將從根本上突破球閥的性能瓶頸，并大大降低球閥故障率，延長使用壽命，同時(shí)省去了巨大的維修成本，連帶的將還有投產(chǎn)后優(yōu)越的產(chǎn)品性能帶來的客戶群體的不斷壯大和日益高端化，在給用戶帶去優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的同時(shí)也將給企業(yè)帶來良好的口碑和豐厚的利潤。本設(shè)計(jì)在技術(shù)上另辟蹊徑，在球閥密封性的更好實(shí)現(xiàn)的同時(shí)降低了性能

21、投入成本，降低了閥門故障率，延長了球閥的使用壽命，攻破了球閥行業(yè)技術(shù)難題，沖破了產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸。2.2基本結(jié)構(gòu)的確定2.2.1選型本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用于石油、天然氣管路，石油、天然氣管路具有壓力高、連續(xù)性工作、流通要求口徑較大的特點(diǎn)，根據(jù)這些應(yīng)用特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了針對性的結(jié)構(gòu)選型。球閥按其結(jié)構(gòu)形式一般分為浮動(dòng)球球閥和固定球球閥兩種。固定球球閥的球體是固定的，受壓后不產(chǎn)生移動(dòng)。其一般都帶有浮動(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。故選用固定球球閥。為便于裝配，閥體設(shè)計(jì)采用三段式結(jié)構(gòu)。三段式固定球球閥的典

22、型結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 三段式固定球球閥的典型結(jié)構(gòu)2.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)有用于管道上的球閥，為了使球閥開啟省力，通常設(shè)有而各種啟閉驅(qū)動(dòng)裝置，而設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置的球閥，其生產(chǎn)成本較高，故障率高。此外，這種有驅(qū)動(dòng)裝置的球閥，閥座與球體之間易發(fā)生物理磨損，所以對球體的要求很高，而其使用壽命相對又很短。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)省去了占閥門成本將近30%的啟閉驅(qū)動(dòng)設(shè)備的投入，實(shí)現(xiàn)無需啟閉驅(qū)動(dòng)裝置的開啟，大大降低了球閥設(shè)備的生產(chǎn)與采購成本。本項(xiàng)目采用如圖（3）的獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用液壓原理引導(dǎo)高壓液流方向，使閥座在球體將轉(zhuǎn)動(dòng)前的瞬間被推離球體，使閥座與球體脫離接觸狀態(tài)，從而將閥座和球體間的磨擦力解除，同時(shí)使啟閉轉(zhuǎn)矩降至

23、最低。本高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥包括閥體、連接體、球體、閥杠和閥座。閥座上設(shè)有儲(chǔ)油室，儲(chǔ)油室與控油裝置相連?？赜脱b置包括頂桿套，設(shè)于頂桿套內(nèi)的頂桿，設(shè)于閥體內(nèi)的單向閥，進(jìn)油道和出油道，設(shè)于閥座內(nèi)的閥座油道；頂桿套的前部位于連接體內(nèi)，頂桿套的尾部位于閥體內(nèi)，單向閥頂于桿頂?shù)捻敹?；出油道一端連儲(chǔ)油室，另一端通過單向閥與進(jìn)油道相連，進(jìn)油道與閥座油道相連。閥桿的邊側(cè)開有錐形凹窩，頂桿套的尾端頂在該錐形凹窩內(nèi)。儲(chǔ)油室由閥座、油室蓋和連接體圍合而成。其工作原理是：閥桿的下端插于球體的凹口內(nèi)，當(dāng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿時(shí)，球體不動(dòng)，頂桿套從錐形凹窩內(nèi)逐步外移，隨著頂桿套的外移，位于頂桿套內(nèi)的頂桿也隨之頂于閥桿而外移，從而推動(dòng)單

24、向閥打開，來自管道的高壓油通過閥座油道進(jìn)入閥體的進(jìn)油道，流向單向閥后，進(jìn)入閥體出油道，最后進(jìn)入儲(chǔ)油室，從而推動(dòng)閥座反向移動(dòng)，使閥座脫離球體，與此同時(shí)閥桿也隨之帶動(dòng)球體轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了以微扭距打開球閥目的。由于轉(zhuǎn)動(dòng)球體的轉(zhuǎn)矩不再受閥座推力的支配，閥座的推力可以設(shè)計(jì)到最大以達(dá)到最好的密封效果，而轉(zhuǎn)矩的大小只需轉(zhuǎn)動(dòng)球體重量及閥桿受壓產(chǎn)生的磨擦力。同時(shí)，轉(zhuǎn)矩大幅減低又帶動(dòng)啟閉驅(qū)動(dòng)裝置的大幅減小甚至棄用，從而節(jié)省了大量成本和材料消耗。又因閥座與球體的磨擦力解除，閥座和球面受損的概率降至最低，大大延長了球閥的使用壽命，降低了球閥的維護(hù)成本。閥座與球體表面磨擦力的消除同時(shí)也可能使傳統(tǒng)金屬密封條件下昂貴的表

25、面涂層或取而代之以較通用的方法處理，大幅降低生產(chǎn)制造成本。圖3 高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1-閥桿；2-頂桿套；3-頂桿；4-閥體；5-油室蓋；6-單向閥；7-出油道；8-連接體；9-進(jìn)油道；10-閥座油道；11-儲(chǔ)油室；12-閥座；13-球體；2.2.3球閥基本參數(shù)的確定本設(shè)計(jì)采用國際公認(rèn)的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，ASME的 VIII 部分第 1 節(jié)、第2 節(jié)， ASME B16.34，EN 125 16-1 和 EN 13445-3進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)壓力等級取技術(shù)要求中最高壓力等級CLASS 2500進(jìn)行設(shè)計(jì)（） 公稱管徑和加工尺寸根據(jù)以上設(shè)計(jì)規(guī)范和API于2008年10月1日新近生效的全球

26、標(biāo)準(zhǔn)API 6D-2008,以及ISO 14313：2007標(biāo)準(zhǔn)，石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)管道閥門，可選取公稱管徑區(qū)間為NPS 2 NPS 36，再依據(jù)已確定設(shè)計(jì)閥門為高壓下的固定球球閥，其工程管徑通常不小于NPS 8，綜合考慮，設(shè)計(jì)確定選取參數(shù)NPS 8作為本閥門設(shè)計(jì)的公稱管徑。設(shè)計(jì)采用全通徑結(jié)構(gòu)，其加工尺寸根據(jù)API 6D-2008中針對全通徑閥門的最小通徑的規(guī)范，在CLASS 2500環(huán)境下，取值不小于179mm，稍留余量，初取mm。 結(jié)構(gòu)長度根據(jù)API 6D-2008設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表2中關(guān)于閥體結(jié)構(gòu)長度的規(guī)定DN=200mm，下閥門兩端面之間的要求距離為1038mm，及DN300及其以上

27、的閥門面對面和端對端尺寸的允許公差為。據(jù)此，初步確定本設(shè)計(jì)閥門的結(jié)構(gòu)長度為1038mm。 連接結(jié)構(gòu)鑒于在相同耐壓等級條件下，法蘭連接生產(chǎn)加工難度低，密封可靠，裝配要求低，維護(hù)簡單等優(yōu)勢，常用于壓力，密封等要求高的場合，本設(shè)計(jì)選擇法蘭連接結(jié)構(gòu)。密封方式球閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于密封座的結(jié)構(gòu)。到目前為止，無論采用多么先進(jìn)精確地加工技術(shù)都還不能完全保證球體的真圓度，消除表面微觀不平度，因?yàn)橐骨蜷y達(dá)到密封要求，就必須依靠戒指壓力推動(dòng)球體向密封座移動(dòng)，令密封座表面達(dá)到一定大小的彈性變形，即造成一定的密封壓強(qiáng)來保證。球閥密封方式有硬密封和軟密封。硬密封適用于高溫環(huán)境，其加工要求較高，且金屬的彈性變形小，同樣密封

28、要求下較軟密封方式所需達(dá)到的密封壓強(qiáng)大，磨損嚴(yán)重。鑒于本設(shè)計(jì)使用環(huán)境并非高溫情況，故選擇軟密封密封方式。各部分材料初選球閥殼體，包括閥體、壓蓋、閥蓋鑲?cè)腕w蓋，殼體材料選用根據(jù)ASME B16.34 標(biāo)準(zhǔn)。初定殼體選用ASME標(biāo)準(zhǔn)中的常用閥門材料A105N。閥門的內(nèi)部金屬零件諸如球體、閥桿和金屬閥座或支撐圈，選擇具有和殼體相同的化學(xué)成分，并具有與殼體材料相近似的機(jī)械性能和耐腐蝕特性的材料。初定選用ASME標(biāo)準(zhǔn)中的常用閥門材料A105N。密封圈材料根據(jù)使用要求，在石油和天然氣應(yīng)用環(huán)境下，較高溫度下具有良好抗壓強(qiáng)度的材料，綜合比較，選取A材料(材料涉及公司內(nèi)部機(jī)密，故用A代號(hào)代替，材料A性能參數(shù)見

29、附錄表格)。3. 球閥力的計(jì)算 3.1必需比壓的計(jì)算及球徑的確定3.1.1必需比壓計(jì)算必需比壓是為保證密封,密封面單位面積上所必須的最小壓力,以表示。由于流體壓力（進(jìn)出口壓力差）和附加外力作用，在球體與閥座之間產(chǎn)生壓緊力，于是閥座密封圈便產(chǎn)生彈性變形補(bǔ)償球體真圓度公差和表面微觀不平度，使密封面上的間隙減小，以組織流體的通過，從而達(dá)到密封的目的。必需比壓是閥門設(shè)計(jì)中過的最基本參數(shù)之一，直接影響產(chǎn)品的性能及其結(jié)構(gòu)尺寸。其取值關(guān)系眾多因素，主要取決于加工質(zhì)量、尺寸、工作壓力和溫度。由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式：根據(jù)密封要求，密封面材料選取A，在選用材料為A且密封面間有相對滑動(dòng)時(shí)密封面的的許用比壓。在此情況下，為達(dá)

30、到良好的密封效果，值應(yīng)在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)盡量取較大的取值，又由于密封副是閥門設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵部分，故設(shè)計(jì)安全系數(shù)取較大值，此處取安全系數(shù)為5，則以代入上式，同時(shí)選取一個(gè)比較容易計(jì)算的數(shù)字，給定密封面在液體流動(dòng)方向上的投影寬度：取3.1.2球體直徑的確定球體直徑的大小影響球閥結(jié)構(gòu)的緊湊性，設(shè)計(jì)時(shí)盡量縮小球體直徑。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，按取值。球體半徑，球體直徑為。3.2密封力的計(jì)算3.2.1密封力基本參數(shù)確定閥門要求零級密封，以確保對下游端管線的有效截?cái)?。考慮介質(zhì)中金屬顆粒對零級密封的影響，金屬對金屬密封作為初級密封， PTFE/橡膠等對金屬作為次級密封，以及一旦密封失效時(shí)應(yīng)采取緊急密封措施。密封力，即作

31、用于閥座密封面上的沿流體流動(dòng)方向上的合力，其值直接影響球閥的密封性、可靠性和使用壽命。密封力是流體壓力在閥座上引起的作用力、預(yù)緊力和閥座滑動(dòng)摩擦力的合力：表1 密封力相關(guān)符號(hào)定義符號(hào)定 義描 述閥座密封面上的合力預(yù)緊所必須的最小比壓密封面達(dá)到密封狀態(tài)的最小預(yù)緊力正常工作情況下（裝置未作用），閥座滑動(dòng)摩擦力系統(tǒng)預(yù)緊情況下，閥座滑動(dòng)摩擦力正常工作情況下（裝置開啟），閥座滑動(dòng)摩擦力流體靜壓力在閥座密封面上的作用力余隙中的平均壓力流體靜壓力在密封面余隙中的作用力特殊裝置作用力密封面外徑密封面內(nèi)徑閥座外徑特殊裝置作用內(nèi)徑特殊裝置作用外徑O型圈最初彈性壓縮在單位長度的接觸面上產(chǎn)生的摩擦力取在流體壓力作用下

32、O型圈產(chǎn)生的摩擦力密封面面積O型圈所在槽寬度O型圈截面直徑O型圈擠壓壓縮后外徑（取壓縮量為12%）溝槽直徑聚四氟乙烯對鍛鋼的摩擦系數(shù)根據(jù)已知球體通孔加工尺寸為，閥座內(nèi)徑亦取。為保證密封面能達(dá)到較好的密封效果，同時(shí)避開閥座特殊功能結(jié)構(gòu)，由球體直徑為，取定密封面內(nèi)徑，則密封面外徑為。同時(shí)初步確定閥座外徑。又由密封面所在圓錐面與球體相切，求得該圓錐面母線與閥座軸向夾角為，密封面寬度為 密封面在液體流動(dòng)方向上的投影面積為:同時(shí)得出密封面面積為：由上述數(shù)據(jù)得，閥座密封面的平均直徑，；由于，故這種密封方式屬于閥前密封方式。采用這種密封形式的球閥工作可靠性在很大程度上取決于和的比值。如果和的比值不夠大，將不

33、能保證球閥的密封性。但比值過大是，將會(huì)引起閥座過載，從而使球閥的轉(zhuǎn)矩增大。預(yù)緊所必須的最小比壓根據(jù)公式：密封副彈性元件材料為A，其提供的預(yù)緊力為：3.2.2密封力的詳細(xì)計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下密封力的計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下球閥密封力分析（如圖4）： 圖4 預(yù)緊狀態(tài)下球閥密封力分析密封力是球閥預(yù)緊狀態(tài)下，彈簧預(yù)緊力和閥座滑動(dòng)摩擦力的合力：為保證預(yù)緊狀態(tài)下密封效果，設(shè)計(jì)預(yù)緊力取其計(jì)算最小值的1.5倍，同時(shí)取一個(gè)比較好計(jì)算的數(shù)字，取。此預(yù)緊力由閥座支撐彈簧提供，彈簧選型和具體設(shè)計(jì)將在下文進(jìn)行詳細(xì)說明，此處暫不細(xì)述。 正常工作狀況下密封力的計(jì)算特殊裝置未開啟 圖5 特殊裝置未開啟時(shí)密封力此時(shí)流體靜壓力在閥座密封面上的作

34、用力為：密封余隙中的平均壓力為：則流體靜壓力在密封面余隙中的作用力為：由于閥座在工作環(huán)境下與連接體有相對滑動(dòng)，故密封選擇根據(jù)動(dòng)密封選型原則進(jìn)行甄選，再由公稱壓力和溫度限制選定適用密封圈材料為聚四氟乙烯，其具有較大的使用溫度范圍，極低的摩擦系數(shù)和自潤滑性，表面不粘結(jié)，化學(xué)穩(wěn)定性好，但易產(chǎn)生蠕變，超過340時(shí)，會(huì)分解產(chǎn)生毒煙彈性。但本設(shè)計(jì)使用環(huán)境溫度一般低于250，故無需擔(dān)心其分解?？紤]公司性質(zhì)和產(chǎn)品銷售地等因素，為方便就地維修及時(shí)購得適用密封件，故本身設(shè)計(jì)密封圈根據(jù)ISO3601-1-2002標(biāo)準(zhǔn)選取，根據(jù)閥座外徑選定，型號(hào)為O-ring 206 ×3.55 -G-S-ISO 3601

35、-1，其壓縮量根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取于10%15%區(qū)間，暫定12%。溝槽寬度的選定在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上的參考較本設(shè)計(jì)有所出入，本設(shè)計(jì)以O(shè)形橡膠密封圈密封性能的有限元分析為設(shè)計(jì)依據(jù)，將此處溝槽寬度定為，深度定為2.51mm，同時(shí)為保證性能，確定閥座外徑與連接體配合表面的間隙為0.075mm。驗(yàn)算密封圈橫截面面積與溝槽與連接體配合截面面積幾乎相等（實(shí)際僅相差）。 圖6 密封溝槽密封圈溝槽表面粗糙度和閥座與連接體密封面粗糙度為保證密封性的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)之一，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊等相關(guān)材料，溝槽表面粗糙度定為，連接體配合表面粗糙度為。同時(shí)確定與密封可靠性相關(guān)的溝槽底圓角半徑和溝槽棱角圓角半徑，分別為0.5mm和0.

36、2mm。綜上，在特殊裝置未作用情況下，考慮密封摩擦由2個(gè)型號(hào)為O-ring 206 ×3.55 -G-S-ISO 3601-1的密封圈提供，近似為2倍的單個(gè)密封圈受壓下摩擦力，則此時(shí)密封圈滑動(dòng)摩擦力為：得出在特殊裝置未啟用情況下，液體壓力在閥座密封面上引起的作用力為：此時(shí)，密封圈材料密封面為危險(xiǎn)截面，經(jīng)校核，密封面上的壓強(qiáng)為：設(shè)計(jì)在正常工作環(huán)境下特殊裝置未開啟時(shí)為安全。 正常工作狀況下密封力的計(jì)算特殊裝置開啟瞬間圖7 特殊裝置開啟時(shí)密封力本設(shè)計(jì)特殊裝置在球體即將轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間開啟。當(dāng)本設(shè)計(jì)特殊裝置開啟時(shí)，高壓流體被導(dǎo)入到預(yù)設(shè)的儲(chǔ)油室內(nèi)(儲(chǔ)油室相關(guān)內(nèi)容將在下文著重介紹)，并給閥座一個(gè)指向流體

37、流入方向的作用力，以達(dá)到減小球體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)密封圈與球體間的作用力的設(shè)計(jì)目的。又因 由上述關(guān)系式可得出和的相對關(guān)系：選定，則。選定。綜上，取定以上保證球閥密封性的相關(guān)參數(shù)并以此為依據(jù)進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。4. 球閥主要零件的設(shè)計(jì)4.1球體設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1.1 球體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定球球閥球體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及球體尺寸、球體的定位結(jié)構(gòu)、球體的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、球體表面粗糙度的選定，球體材料初定為A105N。其中球體直徑已于上文算得，球體內(nèi)通道直徑加工尺寸與閥門通徑數(shù)值上相等，取，導(dǎo)流孔內(nèi)壁粗糙度對流經(jīng)流體壓力損耗有直接影響，其要求需盡量設(shè)高，綜合考慮取。 圖8 球體結(jié)構(gòu) 在流體靜壓力很低的情況下，流體通道兩端在啟閉過程中

38、與密封面材料有剪切作用力存在，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對其進(jìn)行倒圓角設(shè)計(jì)，取圓角半徑。球體表面和該倒圓角處都有明確的表面粗糙度要求，本設(shè)計(jì)取粗糙度值為。球體的定位主要有球體通道水平高度的定位和球體轉(zhuǎn)動(dòng)軸定位兩部分。通道水平高度的定位由球體上下兩個(gè)平行環(huán)面支持，平行環(huán)面與固定板配合保持球體豎直方向上的穩(wěn)定，在保證球體工作壓力下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，其平行距離定為左右，同時(shí)為減小摩擦，配合平面分別安有止推墊。球體轉(zhuǎn)動(dòng)軸定位部分有上下兩個(gè)同軸圓柱突臺(tái)保證，其不僅與固定板圓孔同軸配合，更由閥桿和固定軸固定保證同軸，其高度依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性和強(qiáng)度原則進(jìn)行選定，分別取左右，其直徑以毛胚材料限制和減輕質(zhì)量等因素考慮，取為，同時(shí)

39、為減小摩擦，圓柱配合面分別安有滑動(dòng)軸承。球體通過上圓柱突臺(tái)和閥桿之間還有轉(zhuǎn)矩傳遞，故上圓柱突臺(tái)與閥桿的連接處以一方槽實(shí)現(xiàn)。4.1.2 球體的力學(xué)計(jì)算在高壓使用環(huán)境下，由于閥座密封圈密封面被完全從球體表面推離，故球面與密封圈之間無摩擦力存在。實(shí)際球閥在啟閉過程中球體的轉(zhuǎn)矩分別由流體和摩擦力造成，其中摩擦轉(zhuǎn)矩只與止推墊和滑動(dòng)軸承的摩擦力有關(guān)：表2 球體設(shè)計(jì)相關(guān)符號(hào)定義符號(hào)定 義描 述球體的總摩擦轉(zhuǎn)矩突臺(tái)止推墊提供的摩擦轉(zhuǎn)矩突臺(tái)滑動(dòng)軸承提供的摩擦轉(zhuǎn)矩突臺(tái)止推墊作用外徑突臺(tái)止推墊內(nèi)徑開啟瞬間流體壓強(qiáng)止推墊與接觸材料（A105N）的摩擦系數(shù)上下軸承收到的總推力（開啟瞬間）滑動(dòng)軸承中徑突臺(tái)止推墊上壓強(qiáng)突臺(tái)

40、滑動(dòng)軸承與接觸材料（A105N）的摩擦系數(shù)壓力釋放瞬間系數(shù)（內(nèi)部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）本設(shè)計(jì)球閥的球體摩擦轉(zhuǎn)矩在球閥開啟瞬間達(dá)到最大值，根據(jù)上表，突臺(tái)止推墊提供的摩擦轉(zhuǎn)矩為：由此處可以得出，止推墊提供的摩擦轉(zhuǎn)矩極小，可忽略。再計(jì)算突臺(tái)滑動(dòng)軸承提供的摩擦轉(zhuǎn)矩為：4.2球閥閥體和連接體的設(shè)計(jì)計(jì)算球閥閥 體是一個(gè)受壓件，它不僅受到內(nèi)壓力（流體壓力）作用；而且還受到管道應(yīng)力和其他方面的附加作用力。因此，其受力狀態(tài)是復(fù)雜的。設(shè)計(jì)時(shí)對各方面的影響因素應(yīng)予以充分考慮以免球閥在使用中遭受破壞，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此，閥體壁厚的計(jì)算首先要保證有足夠的安全性，在此前提下才考慮其經(jīng)濟(jì)性。三段式球閥連接體用于連接閥體和管道，保

41、證其強(qiáng)度的同時(shí)密封面要求有高度密封性。4.2.1 閥體壁厚的設(shè)計(jì)計(jì)算球閥閥體相當(dāng)于一個(gè)壓力容器，但其形狀比其圓筒形容器要復(fù)雜得多，不同類型的球閥其閥體形狀也不同，即使同一個(gè)閥體，各部分的尺寸也不完全一樣，按照常規(guī)，要根據(jù)它的形狀和尺寸分別計(jì)算壁厚，但這樣的計(jì)算比較繁瑣，加工時(shí)難度大，加工成本高，故本設(shè)計(jì)按均壁厚考慮。本球閥設(shè)計(jì)使用環(huán)境為2500 LB高壓環(huán)境，故其壁厚計(jì)算采用厚壁計(jì)算公式進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算。其計(jì)算公式如下：整理上式：表3 閥體壁厚計(jì)算相關(guān)符號(hào)定義符號(hào)定 義描 述考慮附加余量的壁厚按強(qiáng)度計(jì)算的壁厚設(shè)計(jì)系數(shù)考慮鍛造偏差、工藝性和流體的腐蝕等因素的附加余量閥體內(nèi)腔的最大直徑取材料的許用

42、應(yīng)力，取和兩者中較小值,常溫下材料的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,分別以抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)安全系數(shù)和以屈服強(qiáng)度為指標(biāo)的安全系數(shù)，材料為A105N，則其拉伸強(qiáng)度為,；則，；則；則取；最后，考慮本球閥設(shè)計(jì)使用與高溫高壓環(huán)境，且考慮其抗震性等因素，決定附加1.25倍的壁厚安全系數(shù)，使得最終壁厚定位。4.2.2 法蘭連接的設(shè)計(jì)計(jì)算本設(shè)計(jì)球閥為三段式結(jié)構(gòu)，閥體與連接體的連接形式設(shè)計(jì)為法蘭連接。閥體和連接體法蘭尺寸均按照DIN EN 1092-1-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。法蘭端尺寸參照ANSI B16.5(8)標(biāo)準(zhǔn)，法蘭面加工按ANSI B16.5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。 法蘭面密封設(shè)計(jì)閥體法蘭的密封屬于靜密封，密封性能直接關(guān)系

43、到閥門是否外漏。法蘭面外漏引起的后果往往比球閥內(nèi)漏更嚴(yán)重，尤其本設(shè)計(jì)球閥為石油管線球閥，其外漏不但造成原材料及能源的浪費(fèi)，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，傷害農(nóng)業(yè)，甚至引起火災(zāi)、爆炸等危害生命安全的事故，給國民經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p失。對于球閥來說，閥體連接部位密封系指左、右兩半閥體與連接體之間的密封，后者在本設(shè)計(jì)中即一般所說中的法蘭連接密封。就其密封性質(zhì)，法蘭連接密封屬于靜密封，它應(yīng)滿足下列要求：1.當(dāng)溫度和壓力急劇變化時(shí)，密封要可靠；2.多次拆卸而不損壞密封元件；3.結(jié)構(gòu)簡單緊湊，金屬消耗量少；4.對震動(dòng)和沖擊載荷不敏感。根據(jù)以上要求，考慮O型圈密封結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，只要密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，裝配后就能產(chǎn)生足夠的

44、徑向擠壓變形，可不必加軸向載荷即可達(dá)到密封效果，本設(shè)計(jì)選用O型密封圈密封作為閥體連接部位密封，一可以大大減小法蘭的尺寸，減小螺栓的數(shù)量及尺寸，從而減輕閥門質(zhì)量，對于本設(shè)計(jì)中公稱通徑為NPS 8且工作壓力在2500LB的高壓球閥更為有利。參考已有設(shè)計(jì)資料及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為達(dá)到密封要求，此處O型密封圈采用O-ring 330×3.55-G-S-ISO 3601-1，密封槽深度為，槽寬，槽底圓角為R0.5，楞邊圓角為R0.25，連接體法蘭與閥體密封面處間隙為。 法蘭螺栓的計(jì)算法蘭螺栓載荷的計(jì)算按照球閥操作情況進(jìn)行。由于流體靜壓力所產(chǎn)生的軸向力促使法蘭分開，而法蘭螺栓必須克服此種端面載荷，并且在

45、接觸面上必須維持足夠的預(yù)緊力，以保持密封。此外螺栓還承受球體-閥座密封圈之間的密封力作用。在工作情況下，螺栓承受的載荷為：表4 法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)符號(hào)定義符號(hào)定 義描 述工況下螺栓承受的載荷流體靜壓在軸向上的力連接接觸面上總的壓緊載荷流體作用直徑密封墊片系數(shù)，O型圈密封時(shí)法蘭接觸面押壓緊寬度法蘭螺栓的拉應(yīng)力情況為：表5 法蘭螺栓計(jì)算相關(guān)符號(hào)定義符號(hào)定 義描 述法蘭螺栓的拉應(yīng)力螺栓材料在工作溫度下的許用拉應(yīng)力(材料選用B7M，改良型35GrMo)螺栓連接總截面積因公司市場主要為北美市場，本設(shè)計(jì)螺栓連接根據(jù)美制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)選用，此處選用螺紋為2-8UN-2B，查表得其抗拉強(qiáng)度面積為，轉(zhuǎn)化為公制后約為，則

46、在1.5倍設(shè)計(jì)安全系數(shù)下，單個(gè)法蘭的連接螺栓個(gè)數(shù)為：螺栓間距和螺栓直徑之比作為保證密封和安裝工藝的參數(shù)之一，其值選取隨著的增大呈下降趨勢，本設(shè)計(jì)中，根據(jù)現(xiàn)有公式和實(shí)際應(yīng)用考慮，此處螺栓間距和螺栓直徑之比取為。至此，根據(jù)公式可得螺栓孔中心圓直徑為：表6 法蘭螺栓尺寸相關(guān)符號(hào)定義符號(hào)定 義描 述螺栓孔中心圓直徑螺栓公稱直徑螺栓間距與螺栓直徑之比取 法蘭的強(qiáng)度計(jì)算法蘭強(qiáng)度計(jì)算復(fù)雜，因設(shè)計(jì)者本人設(shè)計(jì)能力有限，本設(shè)計(jì)未進(jìn)行嚴(yán)密周詳?shù)睦碚撛O(shè)計(jì)計(jì)算，參考公司已有設(shè)計(jì)資料及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，并使用ANSYS仿真法蘭工況下受力進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，并對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)最終結(jié)果驗(yàn)證如下：圖9 連接體法蘭有限元分析由上圖可見

47、，法蘭安全系數(shù)最低處約為2.2，其設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。4.2.3 其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)計(jì)算閥體帶有排泄設(shè)計(jì)。閥腔的介質(zhì)可以排泄，并通過排泄孔對閥門進(jìn)行在線密封檢測。4.3球閥的耐火、防異常升壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.3.1 球閥的耐火結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)中的閥座密封圈、填料以及大通徑的滑動(dòng)軸承等均由工程塑料或部分工程塑料制成，由于球閥設(shè)計(jì)用于輸送石油，屬易燃易爆介質(zhì)，難免遇到意外的火災(zāi)。在這種情況下，高分子密封材料就會(huì)軟化，甚至燒毀，是球閥失去密封能力，即使球閥關(guān)閉，也不能有效切斷油源，造成嚴(yán)重后果。本設(shè)計(jì)采用比較典型的固定球球閥耐火結(jié)構(gòu)。當(dāng)球閥處于正常工作狀態(tài)下時(shí)，高分子材料密封圈與球體保持密封，此時(shí)，球體

48、與密封圈的浮動(dòng)閥座保持0.51mm的間隙，一旦高分子材料被燒毀或軟化失效，則密封圈的浮動(dòng)支座在流體壓力的作用下，被推向球體，使預(yù)先加工好的金屬支座密封面與球體接觸，起到臨時(shí)密封作用，待災(zāi)情解除在予修復(fù)或更換。 圖10 耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.3.2 球閥的防異常升壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸送管道中的異常升壓是石油、天然氣輸送中經(jīng)常遇到的問題，如果閥門設(shè)計(jì)中沒有事先考慮到這種情況，在實(shí)際使用中很容易發(fā)生安全事故。本設(shè)計(jì)中采用自動(dòng)泄壓型閥座，當(dāng)閥體內(nèi)腔異常升壓所產(chǎn)生的作用力超過該閥座的預(yù)緊力的時(shí)候，流體可通過與球體接觸的密封面的間隙排到閥后管道中去，從而起到防異常升壓的作用。4.3.3 球閥的防靜電結(jié)構(gòu)球閥在啟閉過程

49、中，球體與軸承、閥桿與閥體有相對運(yùn)動(dòng)，會(huì)因摩擦而產(chǎn)生靜電，而橡膠、氟塑料等非金屬都是優(yōu)良的電絕緣體，當(dāng)靜電積累到一定程度，在有火花的條件下就可能導(dǎo)致爆炸，這對于輸送石油、天然氣等易爆介質(zhì)的場合特別危險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)中在填料壓蓋中加工一定深度的光孔，配合壓縮彈簧和鋼球，使球體與閥桿以及閥桿與球體之間形成靜電通道。這樣，因摩擦產(chǎn)生的靜電便通過彈簧-鋼球傳到閥體，從而通過管道與地接通，達(dá)到消除靜電積累之目的，滿足安全輸送的要求。它結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于安裝和拆卸，因此，目前大多采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4.4球閥閥桿設(shè)計(jì)計(jì)算閥桿是球閥的重要受力零件。球閥的啟閉動(dòng)作是借外加轉(zhuǎn)矩（手動(dòng)操作或裝置操作通過閥桿旋轉(zhuǎn)球體達(dá)到

50、的。在球閥設(shè)計(jì)中，往往要對閥桿進(jìn)行扭應(yīng)力計(jì)算或驗(yàn)算。而閥桿與球體連接部分受到擠壓和剪切的作用，對其接觸部分的擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力計(jì)算。此外，對于固定球球閥的軸承部分還要進(jìn)行軸承的壓力計(jì)算。閥桿材料根據(jù)其強(qiáng)度要求和耐候性要求選用ASTM A316，對應(yīng)新國標(biāo)06Cr17Ni12Mo2 (舊牌號(hào)0Cr17Ni12Mo2)，其在海水和其他各種介質(zhì)中，耐腐蝕性比0Cr19Ni9好。主要作耐點(diǎn)蝕材料。該材料的許用應(yīng)力為210MPa，抗拉強(qiáng)度為520MPa，根據(jù)靜載荷情況下扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力和許用應(yīng)力之間的關(guān)系，取扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力為根據(jù)閥桿功能要求，其結(jié)構(gòu)初步定為如圖（7），并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。4.4.1 閥桿的轉(zhuǎn)矩

51、計(jì)算 O型圈的轉(zhuǎn)矩O型圈的轉(zhuǎn)矩按以下公式進(jìn)行：密封用O型圈1的轉(zhuǎn)矩公式：又由：得： 密封用O型圈2的轉(zhuǎn)矩公式：又由：得： 所以，閥桿密封用O型圈提供的總轉(zhuǎn)矩為： 止推墊片的轉(zhuǎn)矩止推墊片的轉(zhuǎn)矩按以下公式進(jìn)行：又由：得：所以，止推墊片的轉(zhuǎn)矩為。 特殊裝置在閥桿上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（涉及公司機(jī)密，此處省去計(jì)算過程） 球體傳遞的轉(zhuǎn)矩已經(jīng)計(jì)算得到球體轉(zhuǎn)矩為 綜上，閥桿的總轉(zhuǎn)矩為=+=4.4.2 閥桿的強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)初定的閥桿結(jié)構(gòu)，其斷面和斷面處為危險(xiǎn)截面，只要其均滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求，則閥桿強(qiáng)度通過。平鍵根據(jù)ASTM B 17.1進(jìn)行選擇，在軸徑為，其屬于系列內(nèi)，則其型號(hào)定為，長度定為。斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為： 圖11

52、閥桿頭截面圖 圖12 閥桿示意圖符號(hào)定 義描 述斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)閥桿頭截面寬度閥桿頭截面長度表7 閥桿轉(zhuǎn)矩計(jì)算相關(guān)符號(hào)定義1所以，斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：圖13 閥丁頭部的剖面圖表8 閥桿轉(zhuǎn)矩計(jì)算相關(guān)符號(hào)定義2符號(hào)定 義描 述斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力斷面處的抗扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)閥丁頭部的截面直徑鍵槽寬度鍵槽深度所以，閥桿部分工作條件下受力復(fù)雜，分析難度較大，故采用有限元分析法對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如下，由圖可見，在工作環(huán)境下，閥桿安全系數(shù)在最小處為1.8左右：圖14 閥桿有限元分析由此可見，在以上參數(shù)條件下，閥桿設(shè)計(jì)符合要求。4.4.3 閥桿連接鍵的強(qiáng)度計(jì)算平鍵選用常用材料ASTM A36 COLD DRAWN，其性能參數(shù)見附錄。根據(jù)平鍵受力情況，其強(qiáng)度計(jì)算主要從比壓和剪切應(yīng)力兩方面計(jì)算。 平鍵的比壓計(jì)算平鍵的比壓計(jì)算公式如下：表9 閥桿平鍵計(jì)算相關(guān)符號(hào)定義符號(hào)定 義描 述平鍵的工作比壓閥丁頭的截面直徑平鍵的工作高度平鍵長度轉(zhuǎn)矩所以， 小于A36許用比壓值。 平鍵的剪應(yīng)力計(jì)算平鍵剪應(yīng)力按以下公式進(jìn)行：所以，平鍵在工作條件下安全可用。5. 高壓時(shí)微轉(zhuǎn)矩球閥特殊裝置