球阀的设计与计算.docx
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球阀的设计与计算
球阀的设计与计算
一、球阀的设计
1.1设计输入
即设计任务书。
应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等），使用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构长度、连接型式、产品的检验与试验等）
1.2确定阀门的主体材料和密封圈材料
1.3确定阀门承压件的制造工艺方法
1.4确定阀门的总体结构型式
1.对阀门结构的确定:
一般如果压力不高,DN≤150时,可优先采用浮动式结构,其优点是:
结构简单
如果浮动球式结构满足不了需要时,应采用固定式结构或其它结构型式（如半球、撑开式…）
2.对密封的材料的确定
由于球阀的使用受温度的影响很大,因此,密封的材料的选定很关键：
①对使用温度≤300℃时,密封面材料可选择塑料类材料（如聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼龙、对位聚苯）
②当使用温度超过300℃.或者介质代颗粒状时,密封面材料应选金属密封。
3．对球阀使用要求的确定
主要确定,球阀是否具有防火.防静电要求
4．对阀体型式确定
由于球阀公称通径适用的范围很广,其阀体型式也较为多样,一般分为以下三种：
1整体式阀体
一般用于DN≤50的小通径阀门,此时,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工而来,而对口径较大时,多采用二体式、三体式或全焊接结构
②二体式结构由左右不对称的二个阀体组成，多采用铸造工艺方法
③三体式结构由主阀体和左右对称的二个阀体组成,可采用铸造或锻造工艺方法
5．阀门通道数量（直通、三通、四通…）
6．选择弹性元件的形式
1.5确定阀门的结构长度和连接尺寸
1.6确定球体通道直径d
球体通道直径应根据阀门在管道系统中的用途和性质决定，并要符合相关的设计标准或用户要求。
球体通道直径分为不缩径和缩径二种：
不缩径：
d等于相关标准规定的阀体通道直径
缩径：
一般d=0.78相关标准规定的阀体通道直径，此时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确保流阻不会增大。
1.7确定球体直径
球体半径一般按R=（0.75～0.95）d计算
对小口径R取相对大值，反之取较小值
为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核
（mm），应满足
＞
式中：
：
球体最小计算直径（mm），
：
阀座接触面外径（mm），d：
球径通道孔直径（mm）D：
球体实际直径（mm）
二、球阀的计算
2.1壁厚的确定
见闸阀相应的计算
2.2球体与阀座之间比压的计算
应满足
式中：
qMF：
密封面上的必须比压（MPa）
①可根据工作压力来计算，qMF=1.2P（适用于中低压通径不大场合）
②由试验得出的经验公式计算：
式中：
m:
与流体性质有关的系数
对常温液体：
m=1
对常温油品和空气、蒸汽以及高于100℃的液体：
m=1.4
对氢、氮及密封要求高的介质：
m=1.8
a，c：
与密封面材料有关的系数，见表所示
密封面材料
a
c
钢、硬质合金
3.5
1
聚四氟乙烯、尼龙
1.8
0.9
铜、铸铁
3.0
1
中硬橡胶
0.4
0.6
软橡胶
0.3
0.4
P：
流体的工作压力（MPa），设计给定
b:
密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度
b=
（mm）
t:
密封面宽度（mm），设计给定
φ：
密封面法向与流道中心线的夹角
：
球阀密封比压（MPa）
①对浮动球阀：
（见图示）
式中：
DMW：
阀座密封面外径（mm）设计给定
DMN：
阀座密封面内径（mm）设计给定
P：
介质工作压力（MPa）
②对进口密封的固定球阀（见图示）
进口密封固定球球阀结构
式中：
DJH：
进口密封座导向外径（mm）设计给定
R：
球体半径（mm）设计给定
h：
密封面接触的宽度在水平方向的投影（mm）
h=l2-l1
式中l2，l1：
球体中心至密封面的距离（mm）见图示
③其它密封球阀，略
[q]：
密封面材料的许用比压[MPa]查下表
密封面材料的许用比压[q]
密封面材料
材料硬度
[q][MPa]
密封面
间无
滑动
密封面
间有
滑动
黄铜
CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38
HB80～95
80
20
CuZn16Si4
HB95～110
100
25
青铜
CuAL10Fe3
HB≥110
80
25
CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2
HB120～170
100
35
奥氏体
不绣钢
1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti
HB140～170
150
40
马氏体
不绣钢
2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2
HB200～300
250
45
HR35～40
氮化钢
35CrMoAlA、38CrMoAlA
Hv800～1000
300
80
堆焊
合金
TDCoCr1-x
HR40～45
250
80
TDCr-Ni（含Ni）
HB280～320
250
80
中硬
橡胶
5
4
F-4
SFB-1，SFB-2，SFB-3
SFBN-1，SFBN-2，SFBN-3
20
15
尼龙
40
30
注：
钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适用。
2.3球阀的转矩计算
2.3.1浮动球阀总转矩计算
浮动球阀中，所有载荷由介质出口的阀座密封圈承受，总转矩由下式计算
MF=MQz+MFT+MMJ
式中：
MQZ：
球体在阀座中的摩擦力矩
MQZ=
（N·mm）
式中：
f:
球体与阀座的摩擦系数对聚四氟乙烯：
f=0.05
对增强聚四氟乙烯：
f=0.08～0.15
对尼龙：
f=0.1～0.15
其它符号：
同前
MFT：
填料与阀杆的摩擦力矩
①对聚四氟乙烯成型填料：
（N·mm）
式中：
f:
阀杆与填料的摩擦系数。
f=0.05
h:
单圈填料与阀杆的接触高度（mm）设计给定
Z：
填料圈数设计给定
dF：
阀杆直径（mm）设计给定
P：
计算压力（MPa）设计给定
②对橡胶O型图：
MFT=
（N·mm）
式中：
Z：
O型圈个数，设计给定
fo:
橡胶对阀杆的摩擦系数。
fo=0.3～0.4
do：
O型圈的横截面直径（mm）设计给定
MMJ:
阀杆台肩与止推垫间的摩擦力矩
式中:
f:
摩擦系数按材料同前面规定选取
DT:
台肩外径或止推垫外径.选二者中小者（mm）设计给定
2.3.2固定球阀总转矩计算
在固定球阀中,球体受到的作用力完全传递到支撑轴承上,
对进口密封的固定球阀,其总转矩计算:
式中:
MQZ:
球体在阀座中的摩擦力矩
式中:
MQZ1:
由阀座对球体的予紧力产生的摩擦力矩
（N·mm）
式中:
qM:
最小予紧比压（MPa）
取:
但不应小于2MPa
其它符号的选取见前面规定
MQZ2:
由介质工作压力产生的摩擦力矩
（N·mm）
MFT:
填料与阀杆的摩擦力矩（N·mm）
见浮动球阀计算
MZC:
轴承中的摩擦力矩
（N·mm）
式中:
fz:
轴承的摩擦系数
对塑料制的滑动轴承fz按f选取
对滚动轴承fz=0.002
dQJ：
球体轴颈直径（mm）设计给定,对滚动轴承,dQJ=轴承中径
QZJ:
介质作用球体轴颈上的总作用力
（N）
MMJ:
阀杆台肩膀与止推垫间的摩擦力矩（此项仅用上阀杆与球体分开时的结构，对整体MMJ=0）
（N·mm）
2.4阀杆强度计算
2.4.1浮动球阀杆的强度计算
1、阀杆与球体连接部分的计算：
阀杆与球体接触按挤压计算，见图示
σZY=
≤[σZY]
式中：
a：
见图示（mm）设计给定；
h：
阀杆头部插入球体的深度，（mm），一般取h=（1.8～2.2）a，正方形时，a改为b。
注意：
h不要取的过大，否则球体活动性减小。
[σZY]：
球体材料的许用挤压应力（MPa）
对奥氏体不锈钢：
当σb＜600MPa时，取[σZY]=122MPa
或按下式计算：
[σZY]=
～
（σb：
材料的抗拉强度）
2、阀杆头部强度校核
①Ⅰ-Ⅰ断面处的扭转应力：
τN=
≤[τN]
式中：
MQZ：
球体与阀座密封面间的摩擦转矩（N·mm）见前面
W：
Ⅰ-Ⅰ断面的抗扭转断面系数见图示
对正方形断面：
W=
（mm3）
对近似矩形断面：
W=0.9αba2（mm3）
式中：
α值根据b/a按表选取
b/a与α的关系表
b/a
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
4.0
6.0
8.0
0.208
0.219
0.231
0.246
0.258
0.267
0.282
0.299
0.307
[τN]:
材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7
②Ⅱ-Ⅱ断面处的剪切应力
=
[
]
式中：
DT：
阀杆头凸肩的直径（mm）设计给定
dF：
阀杆直径（mm）设计给定
H：
阀杆头凸肩高度（mm）设计给定
P：
计算压力（MPa）
[τ]：
材料的许用剪切应力（MPa），查[资料1]表3-7
③Ⅲ-Ⅲ断面处扭转应力
τN=
[τN]
式中：
MF：
浮动球阀总转矩（N·mm），见7-3-1节。
W：
Ⅲ-Ⅲ断面处的抗扭转断面系数（mm3）
W=
dF3
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7
④Ⅳ-Ⅳ断面处扭转应力
τN=
[τN]
式中：
MF：
浮动球阀总转矩（N·mm），见7-3-1节。
W：
Ⅳ-Ⅳ断面处的抗扭断面系数（mm3）
对正方形和矩形断面，按Ⅰ-Ⅰ断面的原则计算。
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa），查[资料1]表3-7
2.4.2固定球阀阀杆强度计算
结构为上阀杆代O型圈密封的强度计算见图示
1.Ⅰ-Ⅰ断面处的扭转应力：
≤[τN]
式中：
MQZ：
球体与阀座密封面之间的摩擦转矩（N·mm）见7.3.1节
W：
Ⅰ-Ⅰ断面处的抗扭系数
式中：
n：
键的数量设计给定
b，d1，t：
见图示（mm）设计给定
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa）查[资料1]表3-7
2.Ⅱ-Ⅱ断面处剪切应力：
按浮动球Ⅱ-Ⅱ断面公式计算
3.Ⅲ-Ⅲ断面的扭转应力
≤[τN]
式中：
MF：
固定球阀的总转矩（N·mm）见7.3.2
MFT：
阀杆与填料之间的摩擦转矩（N·mm）见7.3.2
W：
Ⅲ-Ⅲ断面处的抗扭断面系数（mm3）
计算方法，同上述
[τN]：
材料的许用扭转应力（MPa）查表同上述
4.Ⅳ-Ⅳ断面处的扭转应力
≤[τN]
式中：
MF，[τN]同上述
W：
Ⅳ-Ⅳ断面处抗扭断面系数（mm3）
对正方形、矩形，键连接的W按上述方法计算。
对花键连接：
式中：
Z：
花键齿数设计给定
其余符号：
见图示
2.5阀杆连接件（平键或花键）的强度计算
2.5.1平键的强度计算
1.平键的比压计算
式中：
T:
转矩（N·mm）
对于阀杆手柄或驱动装置连接部分：
T=MF
对于阀杆与球体连接部分：
T=MQZ
n:
键数设计给定
K、d1：
如图所示（mm）设计给定
L:
键的工作长度（mm）设计给定
[P]：
许用比压（MPa）查下表
平键连接的[P]与[τ]值（MPa）
许用值
连接工作方式
轮毂材料
载荷情况
平稳
轻微冲击
冲击
[P]
固定连接
钢
125～150
100～120
60～90
铸铁
70～80
50～60
30～45
导向连接
钢
50
40
30
[τ]
120
90
60
注：
对于被连接件表面经过淬火的导向连接，[P]值可提高2～3倍。
2.平键剪应力计算
式中：
T,d1,L,n：
与前相同
b:
如图所示（mm）设计给定
[τ]：
许用剪切应力（MPa）,按上表查取
2.5.2花键连接的强度计算
式中：
T：
转距，同前计算（N·mm）
φ：
载荷分布不均匀系数，一般取φ=0.7～0.8
Z:
花键齿数
h:
花键齿的工作高度（mm）对矩形花键：
h:
=
式中：
C：
倒角宽度（mm）设计给定
dm：
花键的平均直径（mm）对矩形花键：
dm=
L:
花键的工作长度（mm）设计给定
[P]：
许用比压（MPa）查下表
花键联接的许用比压（MPa）
联接工作方式
使用和制造情况
[P]
齿面未经热处理
齿面经热处理
固定联接
不良
35～50
40～70
中等
60～100
100～140
良好
80～120
120～200
不在载荷作用下
移动的滑动联接
不良
15～20
20～35
中等
20～30
30～60
良好
25～40
40～70
在载荷作用下
移动的滑动联接
不良
3～10
中等
5～15
良好
10～20
注：
1.使用和制造情况不良系指受变载、有双向冲击、振动频率高和振幅大、润滑不好（对滑动联接）、材料硬度不高和精度不高等。
2.[P]的较小值用于工作时间较长、载荷变化较频繁或较重要的场合。
2.6法兰的计算
2.6.1法兰螺栓载荷的计算
对球阀法兰螺栓计算，当采用塑料密封圈时，由于阀门的使用温度≤300℃。
此时，只计算常温下的螺栓载荷。
球阀法兰的受力不同于闸阀法兰，因为球阀法兰不仅要承受流体静压力产生的轴向力从而使，法兰分开的载荷以及确保法兰间足够的密封压紧力，同时还要承受球体与阀座密封圈之间的密封力作用。
1.正常使用条件下螺栓的载荷计算
（N）
式中：
QDJ：
垫片处介质作用力（N）
式中：
符号按闸阀相应规定
QDF:
垫片上的密封力（N）
式中：
符号按闸阀相应规定
QDT=
式中:
η:
系数对固定法兰取η=0.2
QMF：
球体与密封圈之间的密封力（N）
对浮动球阀和固定球阀分别按下面公式计算：
①对浮动球阀：
式中：
DMN：
阀座密封面内径（mm）设计给定
DMW：
阀座密封面外径（mm）设计给定
E：
阀座材料的弹性模数（MPa）,对聚四氟乙烯：
E=470-800MPa,对尼龙：
E=1500MPa
δ1：
阀座安装间隙（mm）
式中：
[σMJ]：
在弹性范围内的密封圈横截面的许用应力对4—F：
[σMJ]=8.0MPa,
对尼龙[σMJ]=20MPa
FMJ：
阀座的横截面积（mm2），由阀座的结构特点确定
φ：
见前面
f：
摩擦系数，按7.3.1选取
②对进口密封固定球阀：
2．预紧条件下螺栓的载荷计算
预紧螺栓承受的载荷QLZ2
（N）
式中：
BN：
垫片的有效密封宽度（mm）查[资料1]表3-23
DDP：
载荷作用处垫片的平均直径（mm）设计给定
qYJ:
垫片或法兰接触面上的预紧比压（MPa）查[资料1]表3-24
QMy:
球体与密封圈之间的预紧力（N）
式中：
qM：
最小预紧比压按7.3.2选取
3.法兰螺栓的强度计算
式中：
QLZ取QLZ1和QLZ2的较大值
FL：
螺栓承受应力下的最小总截面积（mm2）
[σL]:
螺栓在常温下的许用拉应力（MPa）查[资料1]表3-9
2.6.2法兰的强度计算
1.法兰力矩的计算
作用法兰上的总力矩Mz
（N·mm）
式中：
DNJ:
法兰内径面积上的介质静压力（N）
式中：
DN:
法兰内径（mm）设计给定
P:
计算压力（MPa）设计给定
QDJ:
垫片处介质作用力（N）
式中：
DDP:
垫片的平均直径（mm）见图示，设计给定
QD:
垫片载荷（N）
式中：
QLZ：
法兰螺栓的计算载荷，见7.6.1节
l1，l2，l3：
分别为
和QD的力臂（mm）
2.法兰强度计算
1）法兰颈的轴向弯曲应力σw1
2）法兰盘的径向弯曲应力σw2
3.法兰盘的环向弯曲应力σw3
以上公式各符号定义和数值，见闸阀7.6.4常温法兰的强度计算。
2.7填料压盖的强度计算
见闸阀7.10内容
2.8弹性元件的计算
2.8.1弹性元件的作用
为了增加预紧比压或提高低压使用时的密封性。
2.8.2弹性元件的类型
1.圆柱螺旋弹簧
2.碟形弹簧
3.平板弹簧
2.8.3弹性元件的强度计算
1.圆柱螺旋弹簧
其计算方法按GB1239-89《圆柱螺旋弹簧》技术条件的规定
2.碟形弹簧
其计算方法按GB1972-80《碟形弹簧》标准中的附录规定
3.平板弹簧
下面介绍的计算方法是根据平板力学理论推导的公式，其边界条件与实际结构有些差异。
因此，对于大口径球阀所用平板弹簧，需要进行验证。
根据球阀使用条件，圆板形平板周界受集中载荷，内外周界自由支承，其挠度（变形量）及周界处的应力计算如下（见图示）。
1）预紧变形量（挠度）f（mm）为
式中：
C1——计算系数，按表6-42；
QMy——预紧力（N），按2.6节的方法计算；
E——材料的弹性模数（MPa）；
R,h——见图6-22（mm）。
2）极限变形量
（mm）
（N）
式中：
σT——材料屈服极限（MPa）；
K——系数，K=1+
；
QMymax——最大预紧力（N）；
r——见图6-22，（mm）。
3）内周界转角
式中：
K1——计算系数，按表选取。
4）外周界转角
式中：
K2——计算系数，按下表选取。
5）内周界处应力σt（MPa）：
式中A1——计算系数，按表6-42
6）外周界处应力σt（MPa）：
式中：
B1——计算系数，按表查取
计算系数
C1
K1
K2
A1
B1
1.25
0.341
1.413
1.323
1.1035
0.827
1.50
0.519
1.102
0.983
1.240
0.737
1.75
0.616
0.892
0.767
1.366
0.671
2.00
0.672
0.741
0.621
1.4815
0.621
2.50
0.721
0.540
0.441
1.688
0.551
3.00
0.734
0.415
0.336
1.868
0.505
3.50
0.732
0.331
0.270
2.027
0.472
4.00
0.724
0.271
0.224
2.170
0.449
4.50
0.714
0.227
0.192
2.298
0.431
5.00
0.704
0.193
0.167
2.415
0.417
参考资料
1实用阀门设计手册陆培文编
2球阀的设计与选用通用所
3阀门设计沈阳阀门研究所编
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