DN15電動球閥傳動機構(gòu)設(shè)計
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DN15電動球閥傳動機構(gòu)總裝圖.dwg
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任務(wù)書.doc
電動球閥原理圖.dwg
蝸桿軸.dwg
蝸輪軸.dwg
閥殼體零件圖.dwg
齒輪1.dwg
齒輪2.dwg
齒輪3.dwg
齒輪傳動裝配圖.dwg
電動球閥傳動機構(gòu)設(shè)計
目錄
第1章 引言 1
1.1課題來源 1
1.2選題目的和意義 1
1.3球閥的發(fā)展趨勢 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.電動球閥技術(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)長度及連接法蘭尺寸 6
第3章 運動軌跡設(shè)計 7
3.1球閥啟閉運動軌跡 7
3.1.1滾動啟閉 7
3.1.2球閥擺動 7
3.1.3凸輪的輪廓 8
3.2球閥下支承外形 10
3.2.1滾動柱面與倒角半徑 10
3.2.2倒角中心點位置 11
3.3.3滾動空間 12
第4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算 13
4.1閥桿機構(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)計與計算 22
4.3.1具有螺旋導軌槽襯套的主要結(jié)構(gòu)尺寸 22
4.3.2球閥銷軸接觸強度 23
4.3.3球閥下支承的接觸強度 24
第5章 工作能力校核 31
5.1工作壽命 31
5.2實際工作壓力的潛力估計 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壽命和實際工作潛力估計 38
5.3.1壽命估計 38
5.3.2承壓能力估計 39
結(jié) 論 40
致 謝 41
參考文獻 42
摘要：該設(shè)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(shè)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。電動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)球閥的電動開啟、關(guān)閉和金屬密封的新型閥門；所以設(shè)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。本論文研究對電動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(shè)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：電動；球閥；；凸輪
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
第1章 引言
1.1課題來源
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(yīng)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(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：
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(shè)計一種電動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(shè)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(shè)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15.5%，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。
1.2選題目的和意義
1）通過本設(shè)計掌握機械新型設(shè)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(shè)計掌握機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，更深入掌握機械設(shè)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(shè)計的思維，為今后工作打下堅實的基礎(chǔ)。
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)。
1.3球閥的發(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(shè)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3050mm，這是美國Escher Wyss公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(shè)計壓力為4.8Mpa。球閥的最高工作壓力已達到72Mpa，其相應(yīng)溫度高達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(yīng)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(yīng)溫度為≤250°C。
大口徑輸油（或天然氣）管線是球閥應(yīng)用的一個重要方面。公稱通徑范圍：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(yīng)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(shè)計的。
c) 全塑料球閥將會有很大發(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。
1.4本文研究的主要內(nèi)容
電動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，有待于進一步完善其技術(shù)，更廣泛的投入生產(chǎn)。電動球閥有很廣的國內(nèi)外市場，特別是我國西氣東輸工程中應(yīng)用甚廣。
本文詳細闡述了“電動球閥的原理研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計”，討論了實現(xiàn)軌道（即球閥運動功能）的設(shè)計實現(xiàn)，以及CAD軟件的應(yīng)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(shè)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(shè)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2-1所示。
3) 在認識了運動原理和運動軌跡設(shè)計后，利用CAD軟件繪制工程圖
根據(jù)式（5—1）和（5—2）式計算，柱銷在接觸應(yīng)力條件下工作可達 次，但必須注意到在計算中所采用許用接觸應(yīng)力大多適合零件工作表面粗糙度Ra6.3—0.8范圍，如果零件表面粗糙度在Ra=12.5以下，許用應(yīng)力將降低10%左右，同時考慮到在作金屬材料接觸疲勞試驗測定接觸疲勞極限的條件與使用條件區(qū)別很大，因此估計本設(shè)計使用壽命為 次左右。
5.3.2承壓能力估計
球閥式按額定壓力PN=2.5Mpa要求設(shè)計，在已設(shè)計結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，短期提高使用壓力將受到閥體與閥蓋連接螺栓強度不夠限制，只能達到5.6Mpa承壓工作能力。
如果在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提高球閥使用壓力，在不動閥的主要結(jié)構(gòu)情況下，必須在閥體與閥蓋連接處，增加8個M16螺栓，使連接螺栓曾至16個M16螺栓，并且結(jié)構(gòu)上允許增加上述螺栓數(shù)。在此狀況下考慮到設(shè)計中材料敘用應(yīng)力的安全系數(shù)選取影響因素較多，由一定儲備，因此極限，短期使用壓力可達16Mpa左右。推薦使用壓力可達10Mpa。XA
在實際使用壓力 后，在閥桿頭部承受較大力的作用，當p=16Mpa時，產(chǎn)生 (最大應(yīng)力)約為材料屈服極限 的3/4，閥桿頭部將發(fā)生較大彈性變形，外力除去后，可恢復原狀，不會發(fā)生損壞現(xiàn)象。
球閥在是上述條件下提高使用壓力，突出閥蓋法蘭處是結(jié)構(gòu)設(shè)計上薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)在今后改進設(shè)計中進一步解決。
本部分介紹估計球閥工作能力方法，主要考慮短期峰值工作能力，不能作為球閥產(chǎn)品設(shè)計依據(jù)或方法。在本產(chǎn)品設(shè)計中仍應(yīng)該按有關(guān)國家標準和通用（普通認可）閥門設(shè)計方法或步驟進行。
結(jié) 論
本文對電動球閥運動原理進行了分析和研究，并對電動球閥的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。
針對普通球閥的密封性差，易磨損，開啟力矩大的特點，本設(shè)計在分析電動球閥的運動過程中，采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)其運動、并且利用凸輪機構(gòu)保證了密封的可靠性。考慮到摩擦面的磨損，采用凸輪預留的方式保證在磨損情況下密封的可靠。在此基礎(chǔ)上設(shè)計出電動球閥。
在該設(shè)計的整個過程中，重難點在于凸輪與柱銷接觸及運動過程中所產(chǎn)生的幾何關(guān)系，通過計算分析可以證明凸輪的兩個傾斜面并不是平行面，而是兩個傾角不同的斜面。本設(shè)計的一個創(chuàng)新點也在此處得以體現(xiàn)，原來結(jié)構(gòu)用的7度傾角，在本設(shè)計中通過計算證明采用6度更好，這樣能夠增大磨損補償量。本設(shè)計的另一個重點在導軌套的導軌設(shè)計，由閥桿行程可以確定垂直距離，但是開口大小就得由滾子強度計算而得。解決了以上的重難點后，主要工作在于標準件的選取。選取了標準件并進行強度校核。
完成以上工作后，本設(shè)計已經(jīng)基本完成任務(wù)。但是由于時間和個人能力有限，在該設(shè)計中還存在一些不足和可以改進的地方，例如在閥體底部和襯套配合的地方還可以改為其它方式的接觸形式，以有利于磨損后的更換拆裝。
致 謝
該論文是在老師的悉心指導下完成的。從論文的選題到系統(tǒng)的最終完成的每一環(huán)節(jié)無不滲透導師的心血。在此，我謹向老師表示衷心的感謝。在畢業(yè)設(shè)計過程中，導師對我的影響很大：對學業(yè)要知難而上，敢于突破，要具有自信心；做事情就要不怕苦，不怕累，以目標管理工作進程；對朋友、同事要真誠，以心換心；要養(yǎng)成良好的學習和生活習慣，勤奮工作，勇于創(chuàng)新?？傊?，真誠的說，導師讓我在做人，做事及學習上都更上了一層樓，在此再一次表示感謝。
在此，還要感謝我的室友和同組同學，正是他們?yōu)槲覡I造了良好的學習、生活環(huán)境，給了我熱情的幫助。
同時借此機會，我還要向在畢業(yè)設(shè)計期間給予我關(guān)心幫助的老師和同學表示感謝！
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I 電動球閥傳動機構(gòu)設(shè)計 目錄 第 1章 引言 ........................................................... V ........................................................ V .................................................. V ................................................. ............................................. 2章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) ................................................. 動 球閥技術(shù)要求 ............................................. 技術(shù)參數(shù) ................................................ 技術(shù)要求 ................................................ 型號及其含義 ............................................ ................................................. 球體直徑 ................................................ 密封面寬度及壓緊比壓 ...................................... 密封比壓 q ................................................. X ................................. X 第 3章 運動軌跡設(shè)計 .................................................. ............................................... 滾動啟閉 .................................................. 球閥擺動 .................................................. 凸輪的輪廓 ............................................... ................................................ 滾動柱面與倒角半徑 ....................................... 倒角中心點位置 ............................................ 滾動空間 ................................................. 4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算 ............................................... ............................................. 球閥受力狀況 ............................................ 閥桿支承反力與支承結(jié)構(gòu)型式選擇 ......................... 摩擦阻力扭矩 .............................................. 閥桿承受的軸向力 ........................................ ............................................ 操縱扭矩 ............................................. 徑 ................................................ ............................................... 具有螺旋導軌槽襯套的主要結(jié)構(gòu)尺寸 ........................ 球閥銷軸接觸強度 ....................................... 球閥下支承的接觸強度 .................................. 5章 工作能力校核 ................................................. ..................................................... ....................................... 閥體壁厚承壓能力 ........................................ 閥體與閥蓋連接螺栓 .................................... 閥蓋連接法蘭承載能力 ................................... 閥桿頭部承載能力 ......................................... ....................................... 壽命估計 ................................................ 承壓能力估計 ........................................... 論 ............................................................ 謝 ............................................................ 考文獻 ............................................................. 要： 該設(shè)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(shè)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。 電動 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 電動 開啟、關(guān)閉和金屬密封的新型閥門； 所以設(shè)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 電動 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(shè)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： 電動 ；球閥；；凸輪 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 V 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(yīng)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(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： 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(shè)計一種 電動 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(shè)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(shè)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(shè)計掌握機械新型設(shè)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(shè)計掌握機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，更深入掌握機械設(shè)計，材料 選擇等知識。 ）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(shè)計的思維，為今后工作打下堅實的基礎(chǔ)。 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(shè)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(shè)計壓力為 閥的最高工作壓力已達到 72相應(yīng)溫度高達 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(yīng)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(yīng)溫度為≤ 250° C。 大口徑輸油（或天然氣）管線是球閥應(yīng)用的一個重要方面。公稱通徑范圍： 600～1400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(yīng)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(shè)計的。 c) 全塑 料球閥將會有很大發(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 動 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，有待于進一步完善其技術(shù)，更廣泛的投入生產(chǎn)。 電動 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(yīng)用甚廣。 本文詳細闡述了“ 電動 球閥的原 理研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計”，討論了實現(xiàn)軌道（即球閥運動功能）的設(shè)計實現(xiàn)，以及 件的應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計后，利用 件繪制工程圖 2 章 主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 閥技術(shù)要求 術(shù)參數(shù) 1、電動球閥通徑 閥開啟關(guān) 閉力矩 9 2、電動球閥的開啟時間 6s； 3、電動球閥 4、電機轉(zhuǎn)速 3500 r/ 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 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 體半徑 R=( d 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。 X 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]=150 =40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Φ 270，密封面直徑 184，厚度 26，螺紋 8個，孔Φ 26。 3 章 運動軌跡設(shè)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 180360 θπθπ ?（ 3— 1） 式中： D—— 球閥外徑， D=2R， —— 球閥半徑， θ—— 球閥自轉(zhuǎn)角度，度 0h—— 球閥形心 本項設(shè)計中，0h=R=100式（ 3— 1）知 h/0θ= 度ππ /??由于0h=此實際轉(zhuǎn)角0θ為： 0θ= 0h/ 閥擺動 具有傾角α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· 0θ（ R+180π（ 3— 2） 式中： ? ? ? ? 222 2/?在本項設(shè)計中： 287 ? ?2/l =24 因此， 2 ??? 由式（ 2— 2）可得： h=s=0h+θ=3— 3） 0h=0θ=時： h= s= 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 D 點（也是 '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，γ =α ? ?α?? α ? ?? ?αc ??? （ 3— 4） α ? 在圖示狀況下（本項目中 l=48 232232 )()( ??? （ 3— 5） 當 s= || 2y? 值時 0 5 ??? α α? （ 3— 6） αα c 5 ???? 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 ) 0θ—— 球閥滾動角 α —— 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 θ s ??? θαθ c o sc o 5 o ????? αθα s ???? θααγ c o sc o 5 o ????? （ 3— 7） )c o s (2c o s ????? θαγ （ 3— 8） 在本項設(shè)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?????? 20 m a 3 1 0 5 s (48m a x ???? ??h=2 s= ?? 9mm h=1 s= ?? h=0 s=0 00 ?θL= 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???? ，φ =0 2 6 8 6 '? ? （斜度在左側(cè)變?。? 當凸輪右側(cè)面是斜平面時，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(yīng)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)。 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 ψ ??? ? R （ 3— 9） 在本 設(shè)計中： 401r =9R=100而： ??? ????? 920(s in m a ψ 角中心點位置 點 aa )ψ?? （ 3— 10） 倒角中心點 b 位置： 12 ?? ψa ??(3— 11) 在本項設(shè)計中： 9 9 o 00 ??? 3 3 0 ?? ?19240 ??? 4 5 o 9 ?? ? 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ρ和 22 )2/( ?ρ 1ta n /2β （ 3— 12） 當球閥轉(zhuǎn)動0θ角后， 軸上投影 )??? （ 3— 13） 根據(jù)d 配合間隙。 在本項設(shè)計中： 5 2 ???ρ ， 1 9 . 5 4 5 5t a n 2 5 . 5 1 420?? ? ?β， 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 ? 4 章 結(jié)構(gòu) 設(shè)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： 4π? （ 4— 1） 式中： D=25= ???? πA ?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： 49 4 71 0 6 2 ???1 1 51 0 6 2 ???球閥密封壓力考式（ 4— 2）可得： (4 22 ?? π （ 4— 3） ??（ 4— 4） 本設(shè)計中： ,d=125F S 22 ???? π A 6 2 6 91 7 7901 2 3 2 9 ??? B 60601778712329 ??? 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(shè)計中：4947+6269=31216N 060=后面分析中應(yīng)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 ? 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） 6 )46(4121 2111 ????? 6 )26(4121 2222 ????? （ 4— 8）因此： 6 5 7 33 1 2 1 61 1 73406)1 1 74406(1 1 74 1 21 ??????????? 6 8 1 7 51173406)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 6??N 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(shè)計上又允許設(shè)計后支承，因此選用方案 2（只考慮 ，） '1 3 8 9 1 7 ， '2 1 3 9 7 0 擦阻力扭矩 閥桿支承摩擦阻力扭矩 ' ' '0012c o s ( ) c o f r F f? ? ?β β(4— 10) 式中： '''12 —— 導軌槽螺旋角，β = 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βπβ c o o 00 ???? dZ h p 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） 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 φβ ?? （ 4— 14a） 式中： )(21 ?，導槽平均直徑， 導槽外徑，0 導槽內(nèi)徑，1?md 170(21 ??β —— 導槽螺旋升角，β =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 α ??，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(shè)計中： 開啟時 ' '4— 14）計算結(jié)果列于表 4— 1中。 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 ? 204π （ 4— 15） 式中： p=此： 50 244404 2 ???? π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 ( '2'1' ??（ 4— 16） 螺旋移動中 βs '2'1'' ??? 4— 16）計算結(jié)果列于表 4— 2中。 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 1'12'1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 'π s 4— 17） 因此：× 40× 46× 4× 4 48 0 5 9s ??? β N ?關(guān)閉 他狀況 ' / c o α（ 4— 18） 式中： α —— 斜面傾角，α =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 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(shè)計，閥桿上選用 6L— 7H 左旋梯形螺紋 ,根據(jù)表 4知軸向得： 開啟 ? ??? )(2 1 αφ 關(guān)閉 ? ??? )(2 4 αφ（ 4— 20） 式中： 止推軸承內(nèi)徑 0mm 止推軸承摩擦系數(shù) 于 )(2 φ ?? ，當選用 6L— 7m G 2114'343(2 ????m K 343'2114(2 ????因而： 651 3 6 9 0 . 2 2 . 6 8 0 . 0 0 3 3 8 0 2 4 . 5 3 8 . 0 22 m m N m??? ? ? ? ? ? ? ?????652 8 0 2 3 4 . 6 0 . 0 0 3 1 3 1 6 3 8 . 0 4 1 3 1 . 6 42 m m N m??? ? ? ? ? ? ? ?????推薦球閥最大操縱力矩，當 25750 ，而計算值M ? D 選擇 D=2c (4— 21) 式中： 圓周力，通常 700N 一般推薦 0～ 75 , 00～ 300N； 05～ 140 ， D=350c=300～400N,建議選取 D≥ 300 D=300 30 072 70 82 ??當 D=350 35 072 70 82 ??件設(shè)計與計算 有螺旋導軌槽襯套的主要結(jié)構(gòu)尺寸 β角選擇 根 據(jù)擺動從動件許用壓力角 ? ? ?? 45~35γ ，考慮到滑動摩擦系數(shù) f，其摩擦角 ?? 由于 ??γ 的方向與β角坐標方向差 90°，因而 ??β =90° -??γ ≥ 55考慮到摩擦角 φ 影響，選擇β = 作用于導軌槽的正壓 力 [[ ? ? 20 192 ?????? ?— 22) 式中： 接觸長度 170(21)(21 ????0R—— 滾子半徑 0R=11 實際0滾子寬）用 ?? =2300[ ???????? ? ?N ?? ?c （ 4— 23） 式中： Z—— 導軌槽數(shù)，本結(jié)構(gòu) Z=2 螺旋導軌槽的平均直徑， 結(jié)構(gòu) k—— 受力不均勻系數(shù)， k= k=此 ? ?????? ?? o 0火， 0（ 53）， ? ?? =1828式（ 4— 22）得： [ ???????? ，因此，選用 40 螺旋導軌槽高度（或長度） h’ ???? 21 式中： 1h —— 螺旋導軌槽螺旋部分高 1h m ???? ???2h —— 直線長度（即閥桿頭斜面長）， 82 ? （詳見后面） —直線段預留長度—? 因此， ' 5 8 . 9 3 8 5 . 8 1 0 2 . 7h m m? ? ? ? 閥銷軸接觸強度 由式（ 4— 18）知： ? ?c o ? （ 4— 25） ? ? （選用 40,當斜面寬 240 ?l ，銷軸半徑 R=9時，由式（ 4— 22）得 ? ? 218282 4 9 1 9 5 7 9 . 6192? ? ?????，而 ? ?31216 3 1 0 4 4 . 3c o s 6 N? ? ??由式（ 4— 22）推得最大接觸應(yīng)力，此時為： m a 0 4 4 . 31 9 2 2 3 0 1 . 7 92 4 9 M p a? ? ? ??，高于 ??? 7%， 而用 ? ]=2300M