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西南科技大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目名稱(chēng)：無(wú)摩擦球閥設(shè)計(jì)
年 級(jí)：2004級(jí) ■本科 □專(zhuān)科
學(xué)生學(xué)號(hào)：20045666
學(xué)生姓名：李紅忠 指導(dǎo)教師：張曉勇
學(xué)生單位：制造科學(xué)與工程學(xué)院 技術(shù)職稱(chēng)：講師
學(xué)生專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 教師單位：后勤管理處
西 南 科 技 大 學(xué) 教 務(wù) 處 制
西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV
無(wú)摩擦球閥設(shè)計(jì)
摘要：該設(shè)計(jì)是為了改善傳統(tǒng)球閥的缺點(diǎn)而做的，傳統(tǒng)球閥的缺點(diǎn)是摩擦大、使用壽命短、密封性能不好。此設(shè)計(jì)可以根據(jù)流體沖蝕磨損、腐蝕程度和工作壓力來(lái)調(diào)整密封比壓。軌道式無(wú)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(dǎo)軌套螺旋槽的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)球閥的無(wú)摩擦開(kāi)啟、關(guān)閉和金屬密封的新型閥門(mén)；所以設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題是要避免產(chǎn)生摩擦，密封要緊，最終達(dá)到高效率、高質(zhì)量、耐用性等要求。本論文研究對(duì)軌道式無(wú)摩擦球閥的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析方法，完成了球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡、球體運(yùn)動(dòng)空間以及主要零部件的受力分析設(shè)計(jì)。該球閥具有啟閉無(wú)磨損，關(guān)閉時(shí)壓力可調(diào)節(jié)和啟閉省力的優(yōu)點(diǎn)；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(diǎn)，延長(zhǎng)了球閥的使用壽命。
關(guān)鍵詞：無(wú)摩擦；球閥；軌道式；凸輪
Design of Non-Friction Ball Valve
Abstract: The design is to improve the shortcomings of traditional ball valve , and the shortcomings of traditional ball valve is friction, short life, sealing performance bad. According to this design`s fluid erosion, corrosion and pressure then the pressure was adjust sealed .Orbit Non-Friction Ball Valve is a new type of valve and realizes non-friction switching and metal pressurization of the valve by cam mechanism.This paper researches the design of Orbit Non-Fraction Ball Valve’s move and the analysis of dynamically. The paper puts forward the kinetic analysis method of Orbit Non-Fraction Ball Valve, analysising the track and motion space of the conglobulation for switching etc, and bring forward rule of its configuration design, designing its assembling body and main parts. This valve has a series of advantage, such as non-friction, the adjusting of pressure and laborsaving when it switches .Its pressurization is different from the usual whose pressurization is easy to destroy, which overcome the fault of the usual valves. So it has a longer life-span.
KeyWords: Orbit, Non-Friction, Ball Valve, Cam
目錄
第1章 引言 1
1.1課題來(lái)源 1
1.2選題目的和意義 1
1.3球閥的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.4本文研究的主要內(nèi)容 2
第2章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 4
2.1.軌道式無(wú)摩擦球閥技術(shù)要求 4
2.1.1技術(shù)參數(shù) 4
2.1.2技術(shù)要求 4
2.1.3型號(hào)及其含義 4
2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸 4
2.2.1球體直徑 4
2.2.2密封面寬度及壓緊比壓 5
2.2.3密封比壓 6
2.2.4球閥結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度及連接法蘭尺寸 6
第3章 運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì) 7
3.1球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡 7
3.1.1滾動(dòng)啟閉 7
3.1.2球閥擺動(dòng) 7
3.1.3凸輪的輪廓 8
3.2球閥下支承外形 10
3.2.1滾動(dòng)柱面與倒角半徑 10
3.2.2倒角中心點(diǎn)位置 11
3.3.3滾動(dòng)空間 12
第4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 13
4.1閥桿機(jī)構(gòu)受力狀況 13
4.1.1球閥受力狀況 13
4.1.2閥桿支承反力與支承結(jié)構(gòu)型式選擇 14
4.1.3摩擦阻力扭矩 16
4.1.4閥桿承受的軸向力 18
4.2操作扭矩和手輪選擇 21
4.2.1操縱扭矩Mc 21
4.2.2徑D選擇 22
4.3零件設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
4.3.1具有螺旋導(dǎo)軌槽襯套的主要結(jié)構(gòu)尺寸 22
4.3.2球閥銷(xiāo)軸接觸強(qiáng)度 23
4.3.3球閥下支承的接觸強(qiáng)度 24
第5章 工作能力校核 31
5.1工作壽命 31
5.2實(shí)際工作壓力的潛力估計(jì) 31
5.2.1閥體壁厚承壓能力 31
5.2.2閥體與閥蓋連接螺栓 33
5.2.3閥蓋連接法蘭承載能力 35
5.2.4閥桿頭部承載能力 37
5.3壽命和實(shí)際工作潛力估計(jì) 38
5.3.1壽命估計(jì) 38
5.3.2承壓能力估計(jì) 39
結(jié) 論 40
致 謝 41
參考文獻(xiàn) 42
西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 引言
1.1課題來(lái)源
閥門(mén)是一種量大面廣的通用機(jī)械產(chǎn)品，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)所需要的閥門(mén)數(shù)量很大，應(yīng)用范圍也非常廣泛。輸送流體介質(zhì)離不開(kāi)管路，而控制介質(zhì)流動(dòng)則離不開(kāi)閥門(mén)。凡是需要對(duì)流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行控制的地方，都必須安裝閥門(mén)，閥門(mén)可比喻為“管路的咽喉”。
球閥是本世紀(jì)50年代問(wèn)世的一種閥門(mén)，在半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，球閥已發(fā)展成為一種主要的閥類(lèi)。球閥經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)有了很大的改進(jìn)和發(fā)展，廣泛應(yīng)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(diǎn)：
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(jiǎn)單。
傳統(tǒng)球閥明顯的缺點(diǎn)：
1）閥的開(kāi)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(zhǎng)。
4）大型的球閥開(kāi)啟和關(guān)閉比較費(fèi)力
因此設(shè)計(jì)一種無(wú)摩擦的球閥即可以改變傳統(tǒng)球閥摩擦大的缺點(diǎn)，使球閥更耐用和可靠。該畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在減小傳統(tǒng)球閥的摩擦，適當(dāng)補(bǔ)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(shè)備、冶金部門(mén)、“南水北調(diào)”工程、西氣東輸工程、環(huán)保工程等球閥市場(chǎng)需求很大。通過(guò)對(duì)閥門(mén)市場(chǎng)的調(diào)查分析，在“十一·五”中，閥門(mén)需求量的總體趨勢(shì)為上升趨勢(shì)，閥門(mén)這個(gè)量大面廣的產(chǎn)品，其需求量在穩(wěn)定中增長(zhǎng)。其中球閥的市場(chǎng)需求占閥門(mén)試產(chǎn)需求的15.5%，是各類(lèi)閥門(mén)中需求最多的。由此可見(jiàn)，球閥在我國(guó)有著巨大的市場(chǎng)潛力。
1.2選題目的和意義
1）通過(guò)本設(shè)計(jì)掌握機(jī)械新型設(shè)計(jì)的方法，以及更深入掌握機(jī)械原理，機(jī)構(gòu)綜合的知識(shí)。
2）過(guò)本設(shè)計(jì)掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，更深入掌握機(jī)械設(shè)計(jì)，材料選擇等知識(shí)。
3）會(huì)查閱和收集資料，學(xué)會(huì)使用手冊(cè)及圖表資料。
4）培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思維，為今后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
5）通過(guò)調(diào)查研究國(guó)內(nèi)外在這方面的發(fā)展情況,明確我國(guó)制造業(yè)現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)制造技術(shù)。
1.3球閥的發(fā)展趨勢(shì)
球閥，是一種以球體作為關(guān)閉件的閥門(mén)，它起源于本世紀(jì)50年代。早在19世紀(jì)80年代美國(guó)就開(kāi)始設(shè)計(jì)球閥，但是由于當(dāng)時(shí)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(jì)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(jī)；同時(shí)，也由于機(jī)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(chēng)直徑已達(dá)到3050mm，這是美國(guó)Escher Wyss公司為田納西州的一個(gè)泵站所提供的4臺(tái)球閥，用作透平機(jī)出口的切斷閥，設(shè)計(jì)壓力為4.8Mpa。球閥的最高工作壓力已達(dá)到72Mpa，其相應(yīng)溫度高達(dá)1000°C。
球閥不僅在一般工業(yè)管道得到了廣泛應(yīng)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(lái)發(fā)展較快。其特點(diǎn)是：耐腐蝕、總量輕、成本底。在水道、化學(xué)管道上應(yīng)用越來(lái)越廣。德國(guó)一家閥門(mén)公司已制造出通徑為6″的塑料球閥；美國(guó)一家閥門(mén)公司制成一種含氟塑料球閥，它具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐溫與耐腐蝕性能，適應(yīng)溫度為≤250°C。
大口徑輸油（或天然氣）管線是球閥應(yīng)用的一個(gè)重要方面。公稱(chēng)通徑范圍：600～1400mm，工作壓力通常為：8.0Mpa。為了確保安全，一些制造廠商按管線球閥的使用特點(diǎn)和他所受外界自然條件的影響，進(jìn)行抗地震的彎曲實(shí)驗(yàn)、防止火災(zāi)蔓延的實(shí)驗(yàn)、耐氣候條件的綜合實(shí)驗(yàn)、緊急切斷實(shí)驗(yàn)等。
為了適應(yīng)高溫工況的需求，近年來(lái)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(guó)一國(guó)防科研的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上采用了自行研制的三通半球閥扭矩。
我們可以預(yù)料今后幾年球閥將在以下幾個(gè)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(huì)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(jìn)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(huì)不斷研制出來(lái)。
b) 新型球閥結(jié)構(gòu)將會(huì)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(shè)計(jì)的軌道式。
c) 全塑料球閥將會(huì)有很大發(fā)展 在新型塑料的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)與注塑工藝性等方面的發(fā)展將會(huì)使塑料球閥的通徑、適用工作溫度與壓力范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。
d) 長(zhǎng)輸管線球閥會(huì)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(huì)增加。
1.4本文研究的主要內(nèi)容
無(wú)摩擦球閥在國(guó)外研究較早，現(xiàn)在技術(shù)基本成熟；國(guó)內(nèi)雖也有單位進(jìn)行過(guò)研究并投入了生產(chǎn)，但明顯落后于國(guó)外，國(guó)內(nèi)需求還依賴(lài)于進(jìn)口，技術(shù)還不夠成熟，有待于進(jìn)一步完善其技術(shù)，更廣泛的投入生產(chǎn)。無(wú)摩擦球閥有很廣的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，特別是我國(guó)西氣東輸工程中應(yīng)用甚廣。
本文詳細(xì)闡述了“無(wú)摩擦球閥的原理研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，討論了實(shí)現(xiàn)軌道（即軌道式球閥運(yùn)動(dòng)功能）的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及CAD軟件的應(yīng)用過(guò)程，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
1) 詳細(xì)分析了運(yùn)動(dòng)原理。該設(shè)計(jì)是通過(guò)閥桿頭部的斜面凸輪和和螺旋導(dǎo)軌槽的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)球閥的啟閉運(yùn)動(dòng)。
2) 詳細(xì)討論了運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)學(xué)方法和數(shù)據(jù)計(jì)算詳細(xì)說(shuō)明了球閥啟閉的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2-1所示。
3) 在認(rèn)識(shí)了運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)后，利用CAD軟件繪制工程圖
第2章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
2.1.軌道式無(wú)摩擦球閥技術(shù)要求
2.1.1技術(shù)參數(shù)
公稱(chēng)通徑 DN=125mm
公稱(chēng)壓力 PN=4.0Mpa
適用溫度 -29——121°C
適用介質(zhì) 石油及制品、天然氣、氧氣、其他氣體
2.1.2技術(shù)要求
閥門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉動(dòng)作：
（1） 操作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿上升，使球體沿通道軸線位移0.2——0.5mm脫離閥座；
（2） 閥桿繼續(xù)上升并同時(shí)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)球體繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn)90°角度，閥門(mén)開(kāi)啟；
（3） 運(yùn)行過(guò)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(kāi)啟動(dòng)作相反。
閥門(mén)作用：（1）切斷介質(zhì)；（2）調(diào)節(jié)流量。
閥門(mén)操縱、手動(dòng)（仿ORBIT閥門(mén)操縱原理）
2.1.3型號(hào)及其含義
閥座密封材料，硬制合金類(lèi)
法蘭連接
125 Q 4 I Y——40
球閥公稱(chēng)壓力kg/
公稱(chēng)直徑
類(lèi)型、球閥
浮動(dòng)直通式
2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸
2.2.1球體直徑
球體半徑 R=(0.8——0.95)d
式中d——球體通道孔徑；根據(jù)GB12237，DN=125鋼制球閥閥體的最小流道直徑，當(dāng)PN=4.0Mpa時(shí)（不縮徑）直徑≥123，因此選擇確定d=125mm.。
R=(0.78——0.95)d=98.4——116.8mm
根據(jù)JB1744,當(dāng)DN=125,球徑D=2R=,即R=100mm。
圖2—1球體通道孔徑
2.2.2密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(diǎn)半徑R’
=
即==70.42mm
密封面在垂直于流體流動(dòng)方向上投影寬度b
b=-
b=70.42-62.5=7.92mm
壓緊比壓，=
式中：p——壓力Mpa，m——常數(shù)，常溫液體，m=1；常溫汽油、煤油、空氣、蒸氣及高于100°C液體，m=1.4；氫、氮及其它密封要求高的m=1.8，a、c——與密封面有關(guān)系數(shù)，詳見(jiàn)表1。
表1 a、c系數(shù)
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
3.5
1.8
3.0
0.4
0.3
c
1
0.9
1.0
0.6
0.4
Mpa
此值與通用機(jī)械研究所推薦值相近，查有關(guān)表格（或7.5Mpa）,表面粗糙度，（<0.2剛性密封面）。
2.2.3密封比壓
式中：=2,P=PN=4.0Mpa
閥座1Cr18Ni9Ti 140～170HB [q]=150Mpa或=40Mpa
因此
2.2.4球閥結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度及連接法蘭尺寸
球閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度
根據(jù)GB12221—89，DN=125mm,,選取L=400mm.
連接法蘭尺寸
根據(jù)GB9113.5，PN=4.0Mpa,DN=125,選擇凸面整體鋼制法蘭，外徑Φ270，密封面直徑184，厚度26，螺紋M24，8個(gè)，孔Φ26。
第3章 運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)
3.1球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡
3.1.1滾動(dòng)啟閉
圖2—1所示運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖，表明球閥繞自身形心O順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)角，并且沿水平方向以點(diǎn)作瞬心，沿滾動(dòng)支承面作移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)球閥向閥口關(guān)閉，反之，則開(kāi)啟，因此：
（3—1）
式中：D——球閥外徑，D=2R，mm
R——球閥半徑，mm
——球閥自轉(zhuǎn)角度，度
——球閥形心O點(diǎn)水平位移，mm
在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中，=0.5mm，R=100mm，由式（3—1）知
h/=
由于=0.5mm，因此實(shí)際轉(zhuǎn)角為：
= /1.744=0.287
3.1.2球閥擺動(dòng)
具有傾角α的平面凸輪（斜面）沿Y軸向下移動(dòng)s距離，而兩圓柱中心B和C以為瞬心，沿X軸向平移和沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)角，該兩中心沿X軸向位移量h為：
h=s·tanα=（R+） （3—2）
式中：
在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中： =87mm, =24mm。
因此，
由式（2—2）可得：
h=0.1051·s=+1.574 =3.318 （3—3）
當(dāng)=0.5mm, =0.358時(shí)：h=0.952mm,或s=9.068mm。
3.1.3凸輪的輪廓
該平面的凸輪機(jī)構(gòu)是以雙斜面與圓柱面接觸原理工作，當(dāng)凸輪機(jī)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(gè)平行于右側(cè)的斜面（指左側(cè)工作面），因此要計(jì)算出在s不同值時(shí)，A點(diǎn)（也是）和D點(diǎn)（也是點(diǎn)）的坐標(biāo)位置，以右側(cè)為直線，求左側(cè)輪廓位置。
當(dāng)s=0，如圖所示狀況，即=0，當(dāng)圓柱半徑r=9，γ=α
A點(diǎn)
D點(diǎn) （3—4）
在圖示狀況下（本項(xiàng)目中l(wèi)=48mm）
（3—5）
當(dāng)s=值時(shí)
（3—6）
A
——球心形心
——滾動(dòng)瞬心
=R(球閥半徑)
——球閥滾動(dòng)角
α——斜導(dǎo)軌斜角
——滾柱與導(dǎo)軌接觸點(diǎn)A、D與CD連線的夾角，隨導(dǎo)軌位移而變化
S——導(dǎo)軌沿Y軸方向移動(dòng)量（向下為正）
S=-Y
——球閥形心水平移動(dòng)量
——導(dǎo)軌在X軸向增量
——滾動(dòng)半徑
——A點(diǎn)坐標(biāo)
——B點(diǎn)坐標(biāo)
——C點(diǎn)坐標(biāo)
——D點(diǎn)坐標(biāo)
L——A與D之間垂距（沿斜面）
圖2—1球閥啟閉運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算簡(jiǎn)圖
（3—7）
（3—8）
在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中，平面凸輪最高升高≌4mm,由式（3—3）和（3—8）得：
=4mm
h=2mm s=19.029mm L=29mm
h=1mm s=9.514mm L=29.769mm
h=0 s=0 L=29.737mm
由L值可見(jiàn)，平面凸輪下窄上寬，角度變化范圍約在：
tanφ=，φ=（斜度在左側(cè)變小）
當(dāng)凸輪右側(cè)面是斜平面時(shí)，左側(cè)應(yīng)為一曲面，由于曲面曲率變化小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可用一個(gè)近似斜平面，角度略小于右側(cè)面角來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.2球閥下支承外形
3.2.1滾動(dòng)柱面與倒角半徑
根據(jù)球閥啟閉采用滾動(dòng)啟閉原理，下支承結(jié)構(gòu)外形要適應(yīng)這一要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)滑動(dòng)滾動(dòng)。圖3—2所示下支承結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)圖，圖中表示支承外圓R（即與球閥外徑同），它與倒角圓角r的接點(diǎn)a的位置應(yīng)遠(yuǎn)離球閥滾動(dòng)時(shí)用于支承的R柱面區(qū)。
圖3—2 球閥下支撐點(diǎn)外形
當(dāng)?shù)菇前霃綖椋S承內(nèi)孔直徑為，經(jīng)倒角半徑為起點(diǎn)b與球閥形心連線與y軸夾角近似為：
（3—9）
在本設(shè)計(jì)中：=40mm，=9mm，R=100mm，因而：
3.2.2倒角中心點(diǎn)位置
點(diǎn)a位置應(yīng)為（）
（3—10）
倒角中心點(diǎn)b位置：
(3—11)
在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中：
3.3.3滾動(dòng)空間
要求以O(shè)點(diǎn)為瞬心，OC為半徑能作無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)，此時(shí)OC點(diǎn)長(zhǎng)度ρ和OC與X軸夾角β關(guān)系為：
（3—12）
當(dāng)球閥轉(zhuǎn)動(dòng)角后，C點(diǎn)在X軸上投影為：
=ρ （3—13）
根據(jù)大小來(lái)確定尺寸配合間隙。
在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中：，，
=mm 。
在滾動(dòng)中要求右邊增大半徑0.192mm，而左邊滾動(dòng)中出現(xiàn)空隙，此時(shí)=ρ= mm,空隙為0.206mm,考慮左、右狀況，理論上還有空隙0.014mm,因此選擇優(yōu)先配合，支承軸承孔。
第4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算
4.1閥桿機(jī)構(gòu)受力狀況
4.1.1球閥受力狀況
球閥受力狀況可以簡(jiǎn)化為圖4—1所示狀態(tài)，圖中：
（4—1）
式中：D=PN=125mm
P=PN=4Mpa
(4—2)
式中：a、b與L見(jiàn)圖4—1中尺寸。
圖4—1 球閥受力狀況簡(jiǎn)圖
因此：
球閥密封壓力所需壓緊力
軸向總推力，參考式（4—2）可得：
（4—3）
（4—4）
本設(shè)計(jì)中：，,d=125mm
合力和
當(dāng)流體正向流動(dòng)時(shí)，由于，因此
=
= （4—5）
當(dāng)流體反向流動(dòng)時(shí)（密封時(shí)），要保持密封面值，因此球閥上受倒閥桿作用力引起支反合力：
=+
=+ （4—6）
在本設(shè)計(jì)中：=24947+6269=31216N
=24115.5+6060=30175.5N
在后面分析中應(yīng)用與，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)將考慮和。
4.1.2閥桿支承反力與支承結(jié)構(gòu)型式選擇
方案1：前支承導(dǎo)向型（即無(wú)后支承）圖4—2是方案1的力系平衡圖，由圖可得：
，
而=，因而
圖4—2前支承導(dǎo)向受力圖
因此：
區(qū)間
區(qū)間 （4—7）
（4—8）因此：
方案2：前后支承導(dǎo)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(dǎo)向受力圖
（4—9）
因此，當(dāng)=N =N
比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案，方案2受力狀況較好，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上又允許設(shè)計(jì)后支承，因此選用方案2（只考慮時(shí)，），
4.1.3摩擦阻力扭矩
閥桿支承摩擦阻力扭矩
= (4—10)
式中：=
β——導(dǎo)軌槽螺旋角，β=53.5
f——摩擦系數(shù)，f=0.15——0.25（潤(rùn)滑不良），取f=0.2
——閥桿直徑，=40mm
因此：=（38917.3+13970.3）×0.2×=125872.5 N
密封摩阻扭矩
= （4—11）
式中：=
Z——山形密封件數(shù)，h——密封件長(zhǎng)度，在具體結(jié)構(gòu)中：
Zh=2×6+10×3.4=46mm
第一層件數(shù) 中間層件數(shù)
——摩擦系數(shù)，對(duì)于尼龍=0.15
因此：=1.2π×40×46×4×0.15××0.595=49502.5N
球閥下支承點(diǎn)摩阻扭矩
（4—12）
式中：——下支承點(diǎn)軸徑，=40mm，——摩阻系數(shù)，=0.15
因此： N
導(dǎo)軌槽產(chǎn)生扭矩與摩阻扭矩
= （4—13）
因此：=125872.5+49502.5+72346.5=247721.5N
4.1.4閥桿承受的軸向力
導(dǎo)軌槽承受軸向力（反作用閥桿上）
在螺旋槽部分
（4—14a）
式中：，導(dǎo)槽平均直徑，——導(dǎo)槽外徑，=70mm,，——導(dǎo)槽內(nèi)徑，=41mm,
β——導(dǎo)槽螺旋升角，β=53.5°（左旋）
——導(dǎo)槽與導(dǎo)輪摩擦角，當(dāng)，=5.71°，在式（3—14）中，當(dāng)開(kāi)啟時(shí)取“-”，關(guān)閉時(shí)取“+”
在直槽部分 （4—14b）
式中：——除導(dǎo)槽以外的軸向合力，詳見(jiàn)式（4—19）。
=/2
——閥桿梯形螺紋摩擦半徑，，關(guān)閉用“+”，開(kāi)啟時(shí)用“-”，當(dāng)選用Tr38×6L—7H梯形螺紋，螺紋螺旋角=，當(dāng)螺紋摩擦系數(shù)時(shí)，=，梯形螺紋平均直徑。
由式（4—14b）可得在本設(shè)計(jì)中：
開(kāi)啟時(shí) =2.68 mm；=0.0190
關(guān)閉時(shí) =4.60 mm；=0.0330
由式（4—14）計(jì)算結(jié)果列于表4—1中。
表4-1 導(dǎo)軌槽承受軸向力
工作狀況
β
導(dǎo)向中軸向力
區(qū)域
開(kāi)啟
斜槽
247721.5
53.5°
5.7°
55.5
8094.8
直槽
0
55.5
13434.9
255.3
關(guān)閉
斜槽
247721.5
53.5°
5.7°
55.5
5313.6
直槽
0
55.5
27127.8
895.2
圖4-4 導(dǎo)軌槽承受力圖
液壓推力
（4—15）
式中：p=PN=4.0Mpa
因此：
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(dòng)中 關(guān)閉時(shí)
開(kāi)啟時(shí) （4—16）
螺旋移動(dòng)中
式（4—16）計(jì)算結(jié)果列于表4—2中。
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β
摩擦阻力
直線移動(dòng)
關(guān)閉
48696.96
17480.96
0.2
0
13235.6
開(kāi)啟
38917.33
13970.3
0.2
0
10577.50
螺旋運(yùn)動(dòng)
38917.3
13970.3
0.2
53.5
8462
閥桿密封摩擦力
由式（4—11）知
直線運(yùn)動(dòng)時(shí)
螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí) （4—17）
因此：=1.2×π×40×46×4×0.15=4159.9N
=N
E.閥桿頭部斜面與球閥柱銷(xiāo)間摩擦阻力
關(guān)閉
其他狀況 （4—18）
式中： α——斜面傾角，α=6°
——摩擦系數(shù)，=0.15
因此再閥門(mén)關(guān)閉時(shí)：=
其他狀況：
閥桿軸向合力
開(kāi)啟
旋開(kāi)
旋關(guān) （4—19）
關(guān)閉
式中：開(kāi)啟
關(guān)閉
由式（4—19）計(jì)算并考慮（4—14）結(jié)果列于
表4—3
工作狀況
導(dǎo)軌槽
閥桿前后支承
閥桿密封
桿頭斜面
液壓力
軸向合力
開(kāi)啟
255.3
10577.5
4159.9
3721.5
-5024
13434.9
13690.2
旋開(kāi)
8094.8
8462
3344.5
3721.5
-5024
18598.8
旋關(guān)
5313.6
8462
3344.5
3721.5
5024
25865.6
關(guān)閉
895.2
13235.6
4159.9
4708.3
5024
27127.8
28023
4.2操作扭矩和手輪選擇
4.2.1操縱扭矩Mc
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥桿上選用GTr38×6L—7H左旋梯形螺紋,根據(jù)表4-3已知軸向，可得：
開(kāi)啟
關(guān)閉 （4—20）
式中：——止推軸承內(nèi)徑 =70mm
——止推軸承摩擦系數(shù) =0.003
由于 ，當(dāng)選用GTr38×6L—7H梯形螺紋
因而：
推薦球閥最大操縱力矩，當(dāng)DN=125mm，PN=4.0Mpa時(shí)，Mc≤750，而計(jì)算值=131.64N.M。
4.2.2徑D選擇
D=2Mc/Fc (4—21)
式中：Fc——圓周力，通常Fc≤700N
一般推薦Mc=50～75, Fc=200～300N；Mc=105～140，D=350mm,Fc=300～400N,建議選取D≥300mm
當(dāng)D=300mm Fc≥
當(dāng)D=350mm Fc≥
4.3零件設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.3.1具有螺旋導(dǎo)軌槽襯套的主要結(jié)構(gòu)尺寸
β角選擇
根據(jù)擺動(dòng)從動(dòng)件許用壓力角，考慮到滑動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角，由于的方向與β角坐標(biāo)方向差90°，因而=90°-≥55-45°，考慮到摩擦角影響，選擇β=53.5°。
作用于導(dǎo)軌槽的正壓力Ns≤[Ns]
[Ns]= (4—22)
式中：——接觸長(zhǎng)度 =
——滾子半徑 =11mm
當(dāng)實(shí)際=10mm（滾子寬）用GCr15軸承鋼滲氮淬火許用應(yīng)力=2300Mpa時(shí)
[Ns]=
（4—23）
式中：Z——導(dǎo)軌槽數(shù)，本結(jié)構(gòu)Z=2
——螺旋導(dǎo)軌槽的平均直徑，mm，本結(jié)構(gòu)=55.5mm。
k——受力不均勻系數(shù)，k=0.7～0.8，取k=0.7
因此
如果選用40Cr淬火，HRC=60（HB=653），=2.8HB(Mpa)=1828Mpa，由式（4—22）得：[Ns]=，因此，選用40Cr制造。
螺旋導(dǎo)軌槽高度（或長(zhǎng)度）h’
式中：——螺旋導(dǎo)軌槽螺旋部分高
——直線長(zhǎng)度（即閥桿頭斜面長(zhǎng)），（詳見(jiàn)后面）
因此，
4.3.2球閥銷(xiāo)軸接觸強(qiáng)度
由式（4—18）知：
（4—25）
（選用40Cr）,當(dāng)斜面寬，銷(xiāo)軸半徑R=9時(shí)，由式（4—22）得，而
由式（4—22）推得最大接觸應(yīng)力，此時(shí)為：
，高于7%， 而用GCr15時(shí)[]=2300Mpa
略高于0.07%[],故用GCr15。
4.3.3球閥下支承的接觸強(qiáng)度
下支承的襯套1Cr18Ni9Ti，球閥（即球體）材料WCB，其最大接觸應(yīng)力[5]為（按第11接觸類(lèi)型）。
（4—26）
式中：——球形半徑曲率 =9mm
——球形的外半徑 =19.938
——襯套軸向曲率半徑 = （直線即圓柱形）
——襯套內(nèi)半徑 =20.031
式中由橢圓方程系數(shù)A/B值查表來(lái)確定
（4—27）
由式（4—27）得：，由[5]表4.4—1得，=0.4267，當(dāng)E=2.1×，代入式（4—26）得：
由于已結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出襯套和球體，材料也選定，其加工后硬度估計(jì)200HB，≌500M計(jì)算出遠(yuǎn)大于值，由于處于最大值頻較低（小于10次/分鐘），工作過(guò)程中滾動(dòng)范圍窄，因此滑動(dòng)磨損和損壞很慢，建議按原方案施用，如果試用中出現(xiàn)過(guò)大磨損或壓痕，可以采用以下方案來(lái)進(jìn)一步改善。
（1）襯套1Cr18Ni19Ti進(jìn)行淬火，提高表面硬度達(dá)55HRC，對(duì)用材料WCB制造球體下支承表面進(jìn)行表層鍍硬鉻，硬度達(dá)60HRC以上，提高接觸許用應(yīng)力≌2500Mpa。
（2）更改襯套和球體下支承處的材料和結(jié)構(gòu)，使≤。
4.3.4閥桿主要結(jié)構(gòu)尺寸及其強(qiáng)度和剛度計(jì)算
主要結(jié)構(gòu)尺寸選擇
（1）閥桿直徑。根據(jù)GB12234，當(dāng)DN=125，PN=4.0Mpa，閥桿最小直徑，考慮到閥桿主結(jié)構(gòu)部分形狀復(fù)雜，增大斷面積為，故選用=40mm。
（2）梯形螺紋。參考手輪尺寸及閥桿螺母設(shè)計(jì)，選取Tr38×6LH-7H。
（3）桿頭結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)JB1743，當(dāng)DN=125mm，閥桿頭直徑=40mm，扁頭厚度b=30mm(按JB1744)
閥桿銷(xiāo)孔強(qiáng)度校核（圖4—4）
（4—28）
式中：
——銷(xiāo)徑，=14mm
——抗扭斷面系數(shù)
——許用應(yīng)力，；，=260N/
因此：
閥桿頭部斜面結(jié)構(gòu)尺寸
頭部總長(zhǎng) （4—29）
式中：——螺旋槽部分高（詳見(jiàn)前面），=58.9mm
——斜面高度（長(zhǎng)度），，t——斜面高度，t=3mm, =6°，小于等于斜面自瑣最大角4°——6°
因而：
頭部厚度 b=30mm
閥桿頭部彎扭組合強(qiáng)度（旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟或旋轉(zhuǎn)關(guān)閉階段）
由圖4—2知彎曲拉應(yīng)力：
（4—30）
式中：——抗彎斷面系數(shù)，=（近似簡(jiǎn)化）
——斜面寬度，
，c=40mm(見(jiàn)圖4—2)
因此：
選用38CrMoALA，=360
(4—31)
式中：——抗彎斷面系數(shù)，=
，，查表=0.22
選用38CrMoALA，=170
由第三強(qiáng)度理論得：
（4—32）
由式（3—30）和（3—31）得：
閥桿頭部剛度和抗彎強(qiáng)度計(jì)算（在關(guān)閉狀況下）
（1）截面模數(shù)于慣性矩
由于閥桿頭部截面形狀如圖4—5，它是在圓截面基礎(chǔ)上，切去上、下兩個(gè)扇形面，沿桿長(zhǎng)這兩個(gè)扇形面形狀并不對(duì)稱(chēng)。該截面模數(shù)：
圖4—5 閥桿頭部截面形狀
（4—33）
式中：，（見(jiàn)圖4—5）
而： （4—34）
慣性矩： （4—35）
式中：——整圓慣性矩，= （4—36）
——虛線弧段區(qū)慣性矩，’——弧段對(duì)自身重心慣性矩
(4—37)
式中：A——虛線弧段區(qū)面積 （4—38）
根據(jù)結(jié)構(gòu)圖閥桿頭部截面得截面模數(shù)與慣性矩主要選取斜面始、終兩點(diǎn)計(jì)算，并輔以將閥桿頭部截面作不變矩形計(jì)算，并進(jìn)行比較，根據(jù)式（4—32）和（4—38），當(dāng)h=30，r=20可得：
扁頭對(duì)稱(chēng)于桿中心位置時(shí)（斜面終止點(diǎn)）
扁頭始端位置，只缺一邊扇形（即斜面起始點(diǎn)）。
，，，由式（4—37）直接計(jì)算得：
如果按矩形近似計(jì)算：
表4—4 閥桿頭部截面力學(xué)性能
截面
截面Ⅰ（對(duì)稱(chēng)于桿軸線）
19995.596
1333.04
截面Ⅱ（斜面起始點(diǎn)）
36480.14
2164.74
近似矩形
59512.5
3967.5
力
學(xué)
性
能
由表4—4知，可以用矩形近似計(jì)算，在本節(jié)中用截面Ⅱ的和W進(jìn)行計(jì)算更接近實(shí)際狀況。
（2）抗彎強(qiáng)度
閥桿頭部受力可近似為懸臂受集中負(fù)荷，如圖4—6所示，由式（4—18）確定，而計(jì)算受力矩離應(yīng)選擇在閥門(mén)完全關(guān)閉狀態(tài)下力作用點(diǎn)，距斜面起始點(diǎn)約為=20mm（即大于或等于2/3斜面長(zhǎng)度位置），由式（4—30），命c(diǎn)=l得：
（4—39）
式中：——材料許用應(yīng)力，閥桿材料38CrMoALA，=260Mpa
（3）閥桿頭部剛度計(jì)算
按圖3—5所示受力狀態(tài)，在閥桿頭的撓度和變形角度
（4—40）
（4—41）
對(duì)于一般傳動(dòng)軸來(lái)說(shuō)，，在軸承出（弧度）
第5章 工作能力校核
5.1工作壽命
此處工作壽命系指操縱閥桿部件部分，根據(jù)前述計(jì)算知，球閥銷(xiāo)軸接觸強(qiáng)度較大，是該部件的薄弱環(huán)節(jié)，它又是閥桿運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵部位，因此壽命取決于它。
通常接觸疲勞極限試驗(yàn)循環(huán)基數(shù)不應(yīng)小于次，因此實(shí)際材料疲勞循環(huán)次數(shù)為： （5—1）
式中：——接觸疲勞許用極限應(yīng)力，Mpa
——接觸疲勞許用極限應(yīng)力時(shí)的循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)， 次
——接觸應(yīng)力，Mpa
m——指數(shù)，m=3
由第三部分四節(jié)2項(xiàng)知：，略高于許用，可以使用，將、代入式（5—1）得：
次
考慮到實(shí)際材料硬度可能變化，及沖擊負(fù)荷，實(shí)際壽命
（5—2）
式中：n——安全系數(shù)（考慮實(shí)際材料硬度變化，及負(fù)荷變化），取n=4，次
因此預(yù)計(jì)工作壽命次以上。
5.2實(shí)際工作壓力的潛力估計(jì)
5.2.1閥體壁厚承壓能力
閥體實(shí)際壁厚，按第四強(qiáng)度理論計(jì)算
或 （5—3）
式中：——閥體中腔最大內(nèi)徑，mm
P=PN，公稱(chēng)壓力，Mpa
C——附加量，mm
——材料許用拉應(yīng)力，Mpa
在本結(jié)構(gòu)中=210mm，=25mm，C=4mm，材料WCB，=87Mpa，由式（5—3）得到：
按壁厚容器公式計(jì)算
，其中：
因而： （5—4）
式中：——材料許用應(yīng)力，Mpa，取和兩者中較小值，通常=4.25，=2.3。材料WCB， 或，選取，由式（5—4）得：
美國(guó)計(jì)算方法
（5—5）
式中：——公稱(chēng)通經(jīng)，mm
——壁厚系數(shù)，當(dāng)PN=2Mpa , =0.3，PN≥5Mpa，=1.0
——許用應(yīng)力，通常取=118Mpa
——附加裕量，AP1600中，=6.3mm，ANS/B16.34中=6.3mm
當(dāng)，，=6.3，按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)=118Mpa，由式（5—5）得：
當(dāng)，，=2.5mm，選用WCB，=87Mpa，可得：
由以上計(jì)算表明閥體可能承受16Mpa級(jí)壓力。
5.2.2閥體與閥蓋連接螺栓
螺栓截荷
（5—6）
式中：b——密封墊片寬度，mm，在本課題中b=15mm
M——密封墊片壓緊系數(shù)，選用石棉XB350，m=2
——接口內(nèi)徑，mm
原結(jié)構(gòu)緊固螺栓承壓能力
緊固螺栓數(shù)為Z，螺栓有效工作面，其承載能力為：
，由式（5—6）知
（5—7）
式中：——抗拉許用強(qiáng)度，Mpa
找閥門(mén)設(shè)計(jì)資料[4]，選用材料40Cr，M16螺栓，=257Mpa（偏于保守），而M16螺栓，=144.1mm，當(dāng)=205mm時(shí)，Z=8由式（5—7）得：
如果要提高緊固螺栓處承載能力，必須增加緊固螺栓數(shù)Z。
按油缸設(shè)計(jì)推薦方法計(jì)算螺栓承載能力
為了增加緊固螺栓數(shù)量Z，提高承壓能力，改進(jìn)許用應(yīng)力選擇方法，而采用油缸設(shè)計(jì)中螺栓強(qiáng)度計(jì)算方法，在螺栓處得合成應(yīng)力為為：
其中拉應(yīng)力，螺紋處剪應(yīng)力
負(fù)載由式（4—6）確定，因此可得：
（5—8）
式中：K——扭緊螺紋的系數(shù) K=1.25～1.5
——許用應(yīng)力，Mpa, =，——材料的屈服極限，——安全系數(shù)，=1.2～2.5。
當(dāng)選用40Cr ，=720Mpa，Z=16，M16螺栓，=144.1mm，取K=1.25，由式（4—8）得：
當(dāng)螺栓數(shù)Z=16，40Cr，M16螺栓，可增大承載到11.89Mpa壓力。
螺栓在法蘭上布置間距S應(yīng)為：
（5—9）
式中：——螺栓分布直徑，mm
Z——螺栓數(shù)
——螺栓布置允許最小間距，mm
M16螺栓允許最小間距=38mm,Z=16，=225mm，由式（5—9）得：
螺栓間距與螺栓直徑之比為：
（5—10）
式中：——螺栓公稱(chēng)直徑，mm
通常為了保證密封性和安裝工藝性，要求PN≤2.5Mpa時(shí)，2.7
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