船用浮动球阀结构设计1能源与动力工程1(附件)【字数：12376】
摘 要摘 要球阀具有流体阻力小，节省能源，流向不受限制，启闭快等优点。其综合技术性能比相同用途的其他阀门优越。本课题选用Q41F浮动球阀，通过对扭矩的计算，结果表明球体与阀座的摩擦扭矩占总扭矩的95%左右。故针对此项摩擦力矩，对球阀进行结构改进，通过增加凸起、凹进以减小前阀座的摩擦，设计平衡装置来平衡上游管道中流体和中央容室中流体的压力。为验证改进效果，对改进后的球阀进行扭矩计算。结果表明，改进后的扭矩降低到改进前的64.5%，且满足密封条件。但在球阀关闭位置时，阀塞前表面受流体的作用力相比改进前增加了，故在保证平衡装置能够顺利开启的条件下，应尽量减小球阀的开启角度。最后运用Solidworks软件对球阀进行三维建模与装配。关键词球阀；结构设计；扭矩计算
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 浮动球阀结构 3
1.4 球阀的特点 3
1.5 球阀的结构类型 4
1.6 主要研究内容和目标 5
第二章 浮动球阀的结构设计与计算 6
2.1 总体方案的确定 6
2.2 球阀主要尺寸计算 7
2.2.1 球体直径的确定 7
2.2.2 必需比压的计算 7
2.2.3 许用比压的计算及选择 8
2.2.4 设计比压及计算 9
2.2.5 密封力的计算 10
2.2.6 浮动球阀密封力的计算 11
2.2.7 球阀总扭矩计算 15
3.2.8 球阀阀杆与填料之间的摩擦力及摩擦力矩的计算 17
3.2.9 止推垫的摩擦力和摩擦扭矩的计算 19
3.2.10 球体与阀座之间的扭矩计算 19
3.2.11 阀体壁厚的计算 21
3.2.12 驱动装置的选用 23
第三章 球阀的建模与装配 24
3.1 Solidworks简介 24
3.2 零件建模 24
3.3 零件装配 29
第四章 球阀的结构改进 31
4.1 改进原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
理 31
4.2 改进后球阀的相关计算 36
4.2.1 密封力和扭矩的计算 36
4.2.2 其他扭矩的计算 37
4.2.3 结果分析 38
4.3 改进后建模与装配 38
结论 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
早在1880年，美国就开始着手怎样设计球阀，在生活管道中使用一种小口径球形旋塞，此为球阀的原型[1]。直到1920年，Escher Wyss公司提出了关于阀座密封面的研究性课题，应用于球阀中，但是由于当时没有很好的阀座密封材料，导致其设计的止步不前。直到1950年高分子材料PTFE/F4(聚四氟乙烯)被发明出来，球阀阀座的材料问题才得以解决，同时得益于机床工业的蓬勃发展，使球体在加工方面（表面粗糙度、尺寸的精度等）得到了很好的保证，使球阀的产生出现了希望[2]。1960年英国从美国引进大批球阀，随后球阀在全球范围内广泛使用，作为一种新型的阀门，仅仅通过了50年的发展，就成为了阀类中的主流，它在船舶、石油、建筑等方面被广泛的利用。
球阀因为阻力小，结构简单等特点，被广泛应用于各种管路系统中[3]。对于系统的快速切断、改变介质流向，可以采用手动、电动等驱动方式。全通径球阀具有流体阻力小[4]，节省能源，流向不受限制，启闭快[5]等优点。其综合技术性能比相同用途的闸阀、截止阀、旋塞阀和蝶阀[6]均优越。管路上采用高参数球阀作为启闭阀门来替代传统的闸阀、截止阀和旋塞阀已是近年来的发展趋势[7]。由于国外先进技术的不断引进及国内化工技术开发力度的不断加大，阀门产品种类不断增多，品种越来越齐全[8]，随着国家经济水平的提高，船舶行业对阀门制造业的要求也越来越高，尤其是对阀门性能的可靠性、耐用性等要求越来越高。
据相关资料显示[9]，在我国目前的阀门市场上，除了低压阀门已经达到国际市场能接受的水平外，部分中压阀门和高压阀门仍然需要依赖进口。在高端技术方面与国外仍然有很大差距，所以在今后很长一段时期内，产品技术方面的问题将成为制约我国阀门发展的一个瓶颈[10]。设计制造出性能可靠、高参数和低成本的球阀是众多阀门研究、制造和使用人员的共同愿望。因此，提高阀门产品的水平和档次，是我国阀门行业今后发展首要突破的问题[11]。
1.2 国内外研究现状
目前国内外开展了有关球阀性能改进的研究，其中围绕球阀低扭矩开启方面的研究主要有：
（1）对于球阀阀座的改进成果
球阀的阀座与球体之间相互接触，在保证良好的密封的条件下，由于受到流体的压力和预紧力的作用，转动的球体必然会与阀座摩擦，这是产生扭矩的主要原因，所以要降低扭矩，最直接的方法就是改进阀座。帕特里克阿尔图在2010年通过对阀座的设计，在上游阀座增加凸起、凹进和平衡装置，使浮动球阀在开启前对上游阀座的上游端和下游端之间流体的压力进行均衡，使上游阀座只受弹性元件的预紧力，且后阀座所受压力减小，从而降低摩擦以实现球阀的低扭矩开启。2014年，李铁东等人提出了关于对阀座密封结构的改进[12]，阀座在改进前阀座密封面与球体表面相互接触形成密封副[13]。由于阀座与球体之间的密封面比较宽，在设计压力或许用比压的作用下，球阀的开启扭矩会变得很大。尤其是在高压情况下，球体受到流体的作用而压紧后阀座的力过大会导致球阀无法正常启闭操作，甚至严重时可能导致阀杆的变形。由此为了改善这种受力情况，可将阀座的密封面改为双重斜面结构，阀座密封面会随着流体介质的压力增加而逐渐变宽，此设计可以使作用在阀座上的密封力随着流体工作压力的变化而发生变化。
（2）减轻球体的重量和减少球体的表面积
球体是球阀主要的构件之一，对于大型球阀，其球体的重量大致和阀体的重量相同，所以相关试验表明，由于球体的自身的重量对阀座密封圈所产生的摩擦力矩，大约占到浮动球阀总扭矩的20%左右，在这种情况下为了得到较好的密封效果，可在整个球体的表面上进行镀铬处理，镀层厚度一般为0.03mm，但是需要进行镀铬处理的球阀通常公称通径会较大，所以必需要有较大的电解槽等相关配套的设备，为了减小球体尺寸的大小，美、日最近研制出了一种新颖结构，其方法是在原有的球体上将于阀座多余的部分切除掉，仅仅留下两个对称的密封面环带，这样的结构使阀门在开启或关闭的操作中减少的不必要的摩擦，从而降低开启力矩，减少了阀座与球体间因为摩擦而产生的损伤，增加球阀的使用寿命。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 浮动球阀结构 3
1.4 球阀的特点 3
1.5 球阀的结构类型 4
1.6 主要研究内容和目标 5
第二章 浮动球阀的结构设计与计算 6
2.1 总体方案的确定 6
2.2 球阀主要尺寸计算 7
2.2.1 球体直径的确定 7
2.2.2 必需比压的计算 7
2.2.3 许用比压的计算及选择 8
2.2.4 设计比压及计算 9
2.2.5 密封力的计算 10
2.2.6 浮动球阀密封力的计算 11
2.2.7 球阀总扭矩计算 15
3.2.8 球阀阀杆与填料之间的摩擦力及摩擦力矩的计算 17
3.2.9 止推垫的摩擦力和摩擦扭矩的计算 19
3.2.10 球体与阀座之间的扭矩计算 19
3.2.11 阀体壁厚的计算 21
3.2.12 驱动装置的选用 23
第三章 球阀的建模与装配 24
3.1 Solidworks简介 24
3.2 零件建模 24
3.3 零件装配 29
第四章 球阀的结构改进 31
4.1 改进原 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
理 31
4.2 改进后球阀的相关计算 36
4.2.1 密封力和扭矩的计算 36
4.2.2 其他扭矩的计算 37
4.2.3 结果分析 38
4.3 改进后建模与装配 38
结论 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
早在1880年，美国就开始着手怎样设计球阀，在生活管道中使用一种小口径球形旋塞，此为球阀的原型[1]。直到1920年，Escher Wyss公司提出了关于阀座密封面的研究性课题，应用于球阀中，但是由于当时没有很好的阀座密封材料，导致其设计的止步不前。直到1950年高分子材料PTFE/F4(聚四氟乙烯)被发明出来，球阀阀座的材料问题才得以解决，同时得益于机床工业的蓬勃发展，使球体在加工方面（表面粗糙度、尺寸的精度等）得到了很好的保证，使球阀的产生出现了希望[2]。1960年英国从美国引进大批球阀，随后球阀在全球范围内广泛使用，作为一种新型的阀门，仅仅通过了50年的发展，就成为了阀类中的主流，它在船舶、石油、建筑等方面被广泛的利用。
球阀因为阻力小，结构简单等特点，被广泛应用于各种管路系统中[3]。对于系统的快速切断、改变介质流向，可以采用手动、电动等驱动方式。全通径球阀具有流体阻力小[4]，节省能源，流向不受限制，启闭快[5]等优点。其综合技术性能比相同用途的闸阀、截止阀、旋塞阀和蝶阀[6]均优越。管路上采用高参数球阀作为启闭阀门来替代传统的闸阀、截止阀和旋塞阀已是近年来的发展趋势[7]。由于国外先进技术的不断引进及国内化工技术开发力度的不断加大，阀门产品种类不断增多，品种越来越齐全[8]，随着国家经济水平的提高，船舶行业对阀门制造业的要求也越来越高，尤其是对阀门性能的可靠性、耐用性等要求越来越高。
据相关资料显示[9]，在我国目前的阀门市场上，除了低压阀门已经达到国际市场能接受的水平外，部分中压阀门和高压阀门仍然需要依赖进口。在高端技术方面与国外仍然有很大差距，所以在今后很长一段时期内，产品技术方面的问题将成为制约我国阀门发展的一个瓶颈[10]。设计制造出性能可靠、高参数和低成本的球阀是众多阀门研究、制造和使用人员的共同愿望。因此，提高阀门产品的水平和档次，是我国阀门行业今后发展首要突破的问题[11]。
1.2 国内外研究现状
目前国内外开展了有关球阀性能改进的研究，其中围绕球阀低扭矩开启方面的研究主要有：
（1）对于球阀阀座的改进成果
球阀的阀座与球体之间相互接触，在保证良好的密封的条件下，由于受到流体的压力和预紧力的作用，转动的球体必然会与阀座摩擦，这是产生扭矩的主要原因，所以要降低扭矩，最直接的方法就是改进阀座。帕特里克阿尔图在2010年通过对阀座的设计，在上游阀座增加凸起、凹进和平衡装置，使浮动球阀在开启前对上游阀座的上游端和下游端之间流体的压力进行均衡，使上游阀座只受弹性元件的预紧力，且后阀座所受压力减小，从而降低摩擦以实现球阀的低扭矩开启。2014年，李铁东等人提出了关于对阀座密封结构的改进[12]，阀座在改进前阀座密封面与球体表面相互接触形成密封副[13]。由于阀座与球体之间的密封面比较宽，在设计压力或许用比压的作用下，球阀的开启扭矩会变得很大。尤其是在高压情况下，球体受到流体的作用而压紧后阀座的力过大会导致球阀无法正常启闭操作，甚至严重时可能导致阀杆的变形。由此为了改善这种受力情况，可将阀座的密封面改为双重斜面结构，阀座密封面会随着流体介质的压力增加而逐渐变宽，此设计可以使作用在阀座上的密封力随着流体工作压力的变化而发生变化。
（2）减轻球体的重量和减少球体的表面积
球体是球阀主要的构件之一，对于大型球阀，其球体的重量大致和阀体的重量相同，所以相关试验表明，由于球体的自身的重量对阀座密封圈所产生的摩擦力矩，大约占到浮动球阀总扭矩的20%左右，在这种情况下为了得到较好的密封效果，可在整个球体的表面上进行镀铬处理，镀层厚度一般为0.03mm，但是需要进行镀铬处理的球阀通常公称通径会较大，所以必需要有较大的电解槽等相关配套的设备，为了减小球体尺寸的大小，美、日最近研制出了一种新颖结构，其方法是在原有的球体上将于阀座多余的部分切除掉，仅仅留下两个对称的密封面环带，这样的结构使阀门在开启或关闭的操作中减少的不必要的摩擦，从而降低开启力矩，减少了阀座与球体间因为摩擦而产生的损伤，增加球阀的使用寿命。
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