偏心半球阀.rar

摘 要随着工业生产的快速发展，流体控制设备在各个领域的应用越来越广泛。偏心半球阀作为一种重要的流体控制设备，因其独特的结构和优异的性能而受到广泛关注。本文旨在通过对 DN300 偏心半球阀的设计研究，探讨其结构特点、工作原理以及性能优势，为工业生产提供高性能的流体控制解决方案。DN300 偏心半球阀采用偏心半球结构，球体与阀座之间形成偏心接触面，有效减小了密封面的摩擦，提高了密封性能和使用寿命。同时，采用软硬复合密封结构，确保了阀门在关闭状态下的完全密封。通过传动装置或手动操作装置驱动偏心轴旋转，使半球阀的开度发生变化，从而实现流体的精确控制和调节。在关闭状态下，阀球与阀座紧密贴合，形成可靠的密封；在开启状态下，阀球旋转至最大角度，流体可以顺畅地通过阀体。DN300 偏心半球阀具有优良的密封性能、流量控制精度和耐腐蚀性。其独特的结构设计和材料选择使得阀门能够在恶劣的工作环境下长时间稳定运行，并且能够精确控制流体的流量和压力。在设计过程中，首先进行了详细的需求分析，确定了阀门的性能要求和工作环境，完成其整体方案的确定结构方案的确定。然后完成球阀的结构设计、主要包括球体的直径计算、球体与阀座之间密封比压的计算、球阀密封力的计算球阀的转矩计算、材料选择和性能和主要零部件的校核，最终确定了 DN300 偏心半球阀的结构参数和性能指标。最后通过 SolidWorks 三维软件完成整个偏心半球阀的整体三维模型的建立。四、结论本文通过对 DN300 偏心半球阀的设计研究，成功设计出一款具有优良性能的流体控制设备。该阀门采用偏心半球结构和软硬复合密封方式，具有优良的密封性能、流量控制精度和耐腐蚀性。其结构简单、操作方便、安全可靠，能够满足工业生产中对流体控制的高要求。同时，本文的研究成果也为偏心半球阀的设计和优化提供了有益的参考。关键词：关键词：DN300 偏心半球阀；球体直径；密封比压；密封力；转矩AbstractWith the rapid development of industrial production,fluid control equipment is more and more widely used in various fields.As an important fluid control equipment,eccentric half ball valve has been widely concerned because of its unique structure and excellent performance.The purpose of this paper is to discuss the structural characteristics,working principle and performance advantages of DN300 eccentric half ball valve through the design and research,so as to provide a high-performance fluid control solution for industrial production.DN300 eccentric half ball valve adopts eccentric hemisphere structure,the eccentric contact surface is formed between the ball and the seat,which effectively reduces the friction of the sealing surface and improves the sealing performance and service life.At the same time,the soft and hard composite sealing structure is adopted to ensure the complete sealing of the valve in the closed state.Through the transmission device or manual operation device to drive the eccentric shaft rotation,so that the opening of the half ball valve changes,so as to achieve accurate control and adjustment of fluid.In the closed state,the valve ball is closely fitted with the seat to form a reliable seal;In the open state,the ball is rotated to its maximum Angle,allowing fluid to flow smoothly through the body.DN300 eccentric half ball valve has excellent sealing performance,flow control accuracy and corrosion resistance.Its unique structural design and material selection allow the valve to operate stably in harsh working environments for long periods of time,and to precisely control the flow and pressure of the fluid.In the design process,first carried out a detailed demand analysis,to determine the performance requirements of the valve and the working environment,to complete the overall scheme to determine the structure of the scheme.Then complete the structural design of the ball valve,mainly including the diameter of the ball,the calculation of the sealing pressure between the ball and the seat,the calculation of the sealing force of the ball valve torque calculation,material selection and performance and the check of the main parts,and finally determine the structural parameters and performance indicators of the DN300 eccentric half ball valve.Finally,the whole three-dimensional model of the eccentric half ball valve was established by SolidWorks.Iv.ConclusionThrough the design and research of DN300 eccentric half ball valve,this paper successfully designed a fluid control equipment with excellent performance.The valve adopts eccentric hemisphere structure and soft and hard compound sealing mode,which has excellent sealing performance,flow control accuracy and corrosion resistance.It is simple in structure,convenient in operation,safe and reliable,and can meet the high requirements of fluid control in industrial production.At the same time,the research results of this paper also provide a useful reference for the design and optimization of eccentric half ball valve.Key words:DN300 eccentric half ball valve;The diameter of the sphere;Seal specific pressure;Sealing force;torque目 录摘 要.1Abstract.2第一章 绪 论.51.1 研究课题的背景和意义.51.2 研究课题的国美外发展状况.61.2.1 研究课题的国内发展状况.61.2.2 研究课题的国外发展状况.7第二章 整体方案的确定.92.1 偏心半球阀的概述.9第三章 偏心半球阀参数计算和结构设计.123.2 球体的直径确定.123.3 球体与阀座之间密封比压的确定.133.3.1 必需比压的计算.133.3.2 需用比压选择.133.3.3 设计比压的计算.143.4 球阀密封力的计算.153.5 球阀的转矩计算.163.6 阀体设计.173.6.1 阀体结构形式、连接形式、结构长度和材料的确定.172.6.2 阀体壁厚的确定.182.6.3 阀体法兰设计.192.6.4 阀体法兰校核.202.7 阀杆的设计和校核.232.7.1 阀杆材料选择.232.7.2 阀杆填料的选择、填料摩擦力及摩擦转矩的计算.232.7.3 阀杆强度的计算.252.8 阀杆连接件的强度计算.272.9 球体的设计和校核.282.10 球阀的阀座设计.30第四章 偏心半球阀的有限分析.324.1 优化方法.324.1.1 优化方法和工具.324.1.2 优化设计的数学模型.324.1.3 ANSYS 优化设计的步骤.334.1.4 有限分析方法和步骤.354.2 边界条件的处理.354.3 结构简化以及网格化.36总 结.39参考文献.39致 谢.41第一章 绪 论1.1 研究课题的背景和意义随着现代工业的快速发展，对流体控制设备的需求日益增加。偏心半球阀作为一种重要的流体控制设备，在石油化工、电力、冶金、环保等领域具有广泛的应用前景。DN300规格的偏心半球阀适用于大流量、低压差的流体控制场合，能够满足这些领域对流体控制设备的高要求。虽然偏心半球阀已经得到了广泛的应用，但在使用过程中仍存在一些问题，如密封性能不够理想、流量控制精度有待提高等。这些问题限制了偏心半球阀的性能和适用范围。因此，对 DN300 偏心半球阀进行深入研究，优化其设计，提高其性能，具有重要的实际意义和应用价值。通过对 DN300 偏心半球阀的研究，可以深入了解其结构特点、工作原理和性能优势，进而对设计进行优化。优化后的 DN300 偏心半球阀将具有更好的密封性能、流量控制精度和耐腐蚀性，能够满足更广泛的工业应用需求。DN300 偏心半球阀的研究将推动流体控制领域的技术创新。通过引入新的设计理念和制造技术，可以提高偏心半球阀的性能和可靠性，降低生产成本和维护成本，促进流体控制设备的升级换代。优化后的DN300 偏心半球阀将具有更广泛的应用范围。它不仅可以用于传统的石油化工、电力、冶金等领域，还可以应用于新能源、环保等新兴领域，为这些领域的发展提供有力的技术支持。研究 DN300 偏心半球阀将为企业带来巨大的经济效益。优化后的产品将具有更高的附加值和竞争力，能够为企业带来更多的市场份额和利润。同时，通过技术创新和产业升级，企业还可以降低生产成本和提高生产效率，进一步提升经济效益。综上所述，DN300 偏心半球阀的研究具有重要的背景和意义。通过深入研究其结构特点、工作原理和性能优势，可以优化其设计并提高性能，为工业生产提供高性能的流体控制解决方案。同时，该研究还将推动流体控制领域的技术创新和应用拓展，为企业带来巨大的经济效益。1.2 研究课题的国美外发展状况1.2.1 研究课题的国内发展状况球阀等阀门在近几年的发展中，无论是结构设计、材料选用、性能等方面都 逐渐走向了成熟和多元化。同时，对于球阀等阀门，人们根据阀门用途的不同，又将阀门分为了真空阀门、高温阀门、低温阀门等不同类型。其次，伴随着科技的进步与社会的发展，人们对阀门的使用要求也越来越高，对其强度、密封性、刚度、泄漏、耐高温、耐低温、耐高压等各方面都提出了要求。故针对球阀等阀门使用的不同工况，国内外专家学者也对此进行了大量的深入的研究。国内方面：郝伟沙等通过使用 FTA 方法，建立了 LNG 用超低温球阀的失效 故障树。研究发现，通过对其定性及定量分析，确定了该球阀失效的原因，为该球阀的设计改进和维修维护提供了建议。黄汉敏等通过介绍几种金属硬密封球阀的阀座密封结构，并对其进行了高 温、高压、磨损和冲蚀等不同工况的实验后发现，得到密封副密封效果依旧良好，满足工程对球阀的要求，该研究证明了球阀在各种工况下的可靠性。何俊等为了研究大口径球阀的不足，成功研制出了一种新型的自密封球阀，满足了-196、25 MPa 以上的设计要求32。通过向阀体中添加密封环等零件，极大减少了对螺栓所需要的预紧力，并成功利用了介质的压力来提高球阀的密封 性，该研究成功解决了大口径球阀在低温高压工况下密封不足的问题。郭怀舟等针对现有超低温球阀在实验中表现不佳的事实，提出带自补偿功能 5 硬密封固定球阀在给定两种工况下的密封特性研究的的设想，使其在超低温环境下能够快速且自动进行补偿，强化了球阀的密封效果。王阳阳等针对工况在-196 以及 6.4 MPa 的压力下，对超低温球阀通过 Pro-E 三维建模及 ANSYS 进行稳态热及静态结构分析，得出其填料函底部的最大应力，该研究大大丰富了对于超低温球阀的研究。陈齐垚等针对安全阀阀芯和导向孔之间的间隙容易使阀芯产生偏转的问题，利用 ABAQUS，对处于偏转状况下的阀芯进行了力学分析35。通过该研究，得到了阀芯偏转角度和安全阀失效之间的影响，确定了其在常温以及低温工况下阀芯的最大转动角度，从而可以减少配合公差以及优化结构，该研究成功解决了阀芯偏转的问题。豆文娇等根据高压球阀在制造及使用中出现的法兰泄漏问题，从其结构特 点、实验方法以及现场使用出发进行了分析，并得到了解决办法，该研究成功解 决了法兰泄漏问题。张原源等基于传热理论和数学理论，以国内一低温阀门为例，建立了有限元 模型。研究发现，由于热膨胀系数的不同，在管道和保温层之间的界面的径向 热应力最大，发现了低温阀门温度的分布规律。该研究大大提升了人们对于低温 阀门的认识。高新等以 DN50 的超低温阀门为对象，通过有限元软件 ANSYS Workbench 进行稳态分析，得到了阀盖的温度场分布38。研究发现，导热系数大的材料会使填料函下方的温度低，弥补了对阀盖温度研究较少的不足。余煜哲等采用 FMECA 分析研究方法，探究了阀门在高温高压工况下的失效 原因，在此基础上，提出了一种基于应力-强度干涉模型的阀体可靠性评价的新方法。通过分析，证明了阀门在高温高压工况下下的安全性和可靠性。1.2.2 研究课题的国外发展状况球阀是上世纪 50 年代问世的一种新型阀门。在短短的 30 多年里，球阀已发展成为一种主要的阀类，它在航空航天、石油化工、长输管线、轻工食品、建筑等许多方面都得到了广泛的应用。目前球阀最大公称通径已达 3050mm，这是美国 EscherWyss 公司为田纳西州的一个泵站所提供的四台球阀，用作透平机出口的切断阀，设计压力为4.8Mpa。球阀的最高工作压力已达 72Mpa，其相应温度高达 1000。球阀不仅在一般工业管道上得到了广泛应用，而且在核工业、宇航工业的液氧与液轻输送管线上普遍采用。全塑料球阀近年来发展较快。其特点是：耐腐蚀、重量轻、成本低。西德一家阀门公司已制造通径为 6“的塑料球阀；美国 Hill Maccanng 公司制成一种含氟材料球阀，商业名称为 Kynar，据称有高强度、优良的耐温与耐腐蚀性能，使用温度为250。同时随着时代的发展，进入 21 世纪以后，生产和制造技术有了显著优化提高，同时，技术人员大都通过计算机技术对产品进行研发设计和控制优化，在很大程度上提高了设计速度和更新周期。目前，全球的控制阎市场如同大部分工业品一样被三个经济体瓜分，分别是美国为代表的北美经济体，以德国、英国、法国为代表的欧盟地区，和以日本为代表的亚太地区。美国是全球最大的阀门供应商，其阀门协会有超过 110 家企业，年产值超过 40 亿美元。1984 年就在中国开展业务的 FIS玎讯控制阀由于进入中国较早，其产品已经成为中国教科书的样板。德国在二战之后迅速恢复经济，其产品通过优良的质量迅速占领市场。德国阀门企业一般都属于专业性很强的公司，在某一类产品的研究、设计和制造方面都有自己的特色。日本作为世界第二经济体，其阀类产品由于价格适中，质量较好，迅速占领了中国中低端市场。第二章 整体方案的确定2.1 偏心半球阀的概述 偏心半球阀的偏心是指，阀轴中心轴线与半球体的中心线存在一定尺寸偏量。半球是指球芯不是一个完整的球形，而是半球形，并在阀体流道的一侧设置阀座密封。偏心半球阀是在，吸收消化国内外先进技术的前提下，并认真权衡普通球阀，蝶阀闸阀等多种阀门的优缺点的前提下而研制成功的，他是将基础球冠罐定在偏心球体上，通过偏心曲轴的 90 度旋转，来实现阀门的启闭，与金属球罐密封面接触的金属阀座在轴向和径向上浮动，以补偿球冠和阀座上的配合误差，简单可靠的结构及有效的密封方式，使他不但可以更具优势的替代闸阀，广泛应用于化工，石油，和冶金等行业。其阀轴中心轴线与半球体的中心线存在一定尺寸偏量。半球是指球芯不是一个完整的球形，而是半球形，并在阀体流道的一侧设置阀座密封。偏心半球阀是在，吸收消化国内外先进技术的前提下，并认真权衡普通球阀，蝶阀闸阀等多种阀门的优缺点的前提下而研制成功的，他是将基础球冠罐定在偏心球体上，通过偏心曲轴的 90 度旋转，来实现阀门的启闭，与金属球罐密封面接触的金属阀座在轴向和径向上浮动，以补偿球冠和阀座上的配合误差，简单可靠的结构及有效的密封方式，使他不但可以更具优势的替代闸阀，广泛应用于化工，石油，和冶金等行业。2.2偏心半球阀的分类1、根据偏心阀的偏心方式其分为两种。一种是单偏心式结构。还有一种是双偏心结构。单偏心半球阀是阀轴中心线与半球体中心线在阀体流道径向偏置一定尺寸。其加工和装配相对简单些，容易保证精度。双偏心半球阀是阀轴中心线与半球阀中心线除了在流道径向偏心外，还有一个沿着阀体流道轴向的一个尺寸偏置。所以称为双偏心半球阀。其加工和装配精度要求较高。双偏心结构应用的比较多。其实现自锁定位，密封可靠。开启时，阀芯快速脱离密封面，减少了密面磨损。当密封面磨损时，可以调整球芯驱动装置限位，使球芯重新压紧阀座密封面，延长了阀门的使用寿命。2、根据偏心半球阀安装方式分为侧装式和上装式。侧装式的球芯从阀体流道口装入。阀体外形小，结构紧凑。成本相对上装式低些。上装式的球芯是从阀体的上端装入，再安装阀盖。上装式可以在线维修更换阀芯或阀座，不用拆下阀体维修，更加方便。成本比侧装式要高。3、按照阀体结构分为整体式和分体式。分体式更换阀座密封圈更加方便。4、按照球芯和阀座密封型式，分为非金属密封和金属硬密封。非金属密封适用介质为水，浆液等常温介质。可以使球芯整体包胶或球冠、阀座采用软密封结。金属硬密封球芯和阀座可以堆焊钴基硬质合金、喷涂碳化钨耐磨涂层、采用陶瓷密封材料等，更加耐磨损，显著提高了阀门使用寿命。适用于工矿企业的溶液，矿浆，氧化铝粉，煤粉，煤灰，纸浆，含尘气体，废渣等介质。包括含有固体颗粒的气液两相流介质。5、根据驱动方式，分为手动，气动，电动，液动等。手动一般采用蜗轮头驱动方式。气动执行机构多采用 AT 齿轮齿条式气缸或 AW 拨叉式气缸。电动执行机构采用精小型电装或 Q 型和 Z 型电装。6、选用时可以根据介质，温度，压力选用阀体材料，压力等级，金属密封和非金属密封。根据安装，维修难易程度选用上装式和侧装式。根据驱动方式，来选用手动，气动，电动等不同的驱动装置。根据与管道连接方式。选用法兰连接，焊接，对夹等连接方式。2.3偏心半球阀的工作原理和组成偏心半球阀主要由阀体(一体式铸造而成)、U 形圈、偏心半球球体、端盖和阀杆等部件组成其结构如图 2-1 所示。由于球体密封面中心与阀体中心在轴向和径向上存在偏心量,可以保证阀门开启和关闭时球体能够瞬间脱离 U 形圈,减小了摩擦力，降低了开阀力矩。U 形圈具有的弹性，即便在高温下,仍可以自动补偿高温蠕变，有效的达到密封要求。球体表面喷焊镍基合金粉末或进行特殊的硬化处理,增强了其耐磨性和抗冲击能力,提高了阀门的使用寿命。半球体利用开启和关闭时角位移的变化改变轴向位移的变化，且角位移和轴向位移成线性比例关系,其运动路线是半抛物线轨迹。球体运动角度为，因此得到其运动轨迹计算公式如下所示：CBAysinsin2公式中：A、B 和 C为常数,A0)。因此,合理的选择偏心量,球体能够在数秒内脱离和接触阀座。按照运动轨迹分析，半球体由最低点到最高点的运动轨迹中，能够自动楔紧阀座，U 形阀座也依靠材料的弹性模量自动 产生预紧力，达到越关越紧的效果。1-压盖、2-填料 3-防飞环、4-阀杆、5-端盖、6-U 形圈、7-球体、8-阀体、9-调整垫片、10-底盖图 2-1 偏心半球阀结构示意图根据上述分析本次设计的 DN300 偏心半球阀的结构如下图 2-2 所示：图 2-2 DN300 偏心半球阀体结构图第三章 偏心半球阀参数计算和结构设计3.2 球体的直径确定球体的直径大小影响球阀结构的紧凑性，应此应尽量缩小球体直径。球体半径一般按 R=9.075.0d 计算。同时为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进行校核：)(222minmmdDD 必须满足 DminD，公式中：minD为最小球体直径（mm）；2D阀座外径，2D=330（mm）；d球体通道孔直径，d=300（mm）；D球体实际直径，D=380（mm）。本次设计的喂 DN300 的偏心球阀，因此球体直径 D=380mm，3302Dmm。将参数带入到上式得;mmD98.44530028022min球体半径一般按 R=9.075.0d 来计算，因此R=mm252225因此最终确定球体的直径为：D=4503.3 球体与阀座之间密封比压的确定3.3.1 必需比压的计算必需比压是为保证密封，密封面单位面积上所必需的最小压力，以qb表示。由于流体压力或附加外力的作用，在球体与阀座之间产生压紧力，于是必需比压式球阀设计中最基本的参数之一，它直接影响球阀的性能及结构尺寸。下面是由实验结果得出的计算公式如下所示：)(bcPamqbMPa 公式中：m与流体性质有关的系数；a，c与密封面材料有关的系数；P流体工作压力；b密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度；t密封面宽度；其中查表 3-1 可得 m=1，a=1.8，b=0.9，P=2Mpa。b 将在下面中计算得出。表 2-1密封材料ac钢硬质合金3.51铝、铝合金、聚四氟乙烯、尼龙、硬聚氟乙烯1.80.9青铜、黄铜、铸铁3.01中硬橡胶0.40.6软橡胶0.30.43.3.2 需用比压选择3.3.2 需用比压选择密封面单位面积上允许的最大压力称为需用比压，以 q表示。本此设计球阀通过查询球阀设计与选用密封面材料许用比压表可知，选取尼龙 q=30Mpa。3.3.3 设计比压的计算设计时确定的在密封面单位面积上的压力，称为设计比压，以 q 表示。选择比压比应是密封可靠、寿命长和结构紧凑。必须保证：bqq q 设计比压按图 3-1 中的力的平衡关系进行计算：SNq 公式中：N球体对阀座密封面的法向力(N)；cosQN S阀座与球体杰出的球星环带面积，S=2r（21LL）Q作用于阀座密封面上的沿流体方向的合力；密封面法向与流道中心线的夹角，如下是所示：RLLRK221cos；图 3-1 比压计算图21,LL球体中心线执法作两段面的距离（mm），442121DRL;442222DRL；1D阀座内径；2D阀座外径；mD阀座平均直径（mm），221DDDm；R球体半径（mm）。整理可得:）（2122-4DDQq 由于球阀的密封力还未计算故需计算完，故在下节给出设计比压的计算结果。3.4 球阀密封力的计算为简化计算，往往忽略预紧力1Q,阀座滑动摩擦力及流体静压力2Q在密封面余隙中的作用力JQ,这样密封力仅等于流体静压力在阀座密封面上的作用力MJQ(N)，即 2330280163.14P)DD16PD422212m（MJQQ=146.05KN 将上式代入式 2-5 可得PDDDD)(4)(q1212 q 可得：q=3.05在球阀初步设计时，为了便于确定 b，DN 及 P 的关系，设DND 1，q=q代入上式可得 PPqDNb4（mm）由需用比压 q=30Mpa，DN=300mm，P=2Mpa 代入得：b=2.94mm，代入公式可得26.2bq显然满足bqq q球阀密封力的精确计算还要计算预紧力1Q,故可知；Q=1Q+MJQ 预紧力计算公式如下：)(q42122min1DDQ（N）公式中：minq 预紧所需的最小比压，Pq1.0min(Mpa)；1D、2D阀座内径和外径（mm）。可得1Q=4.8KN，故 Q=150.8KN。3.5 球阀的转矩计算由于本球阀为浮动球阀故其转矩0M计算公式如下：utmMMMM 公式中：mM球体与阀座密封面间的摩擦转矩；mM阀杆与填料之间摩擦转矩；uM阀杆台肩与止推垫间的摩擦转矩。Mm和uM的计算见 2.7.2。FrMm (公式中：F球体与阀座之间的密封力，TNF,cosQN（N）；r摩擦半径，2)cos1(Rr，球体摩擦半径计算图如图 3-2 所示；R球体半径（mm）；密封面对中心的斜角；T球 体 与 密 封 圈 之 间 的 摩 擦 系 数，查 表 得05.0T。图 3-2 球体摩擦半径计算则TmQRMcos2)cos1(=6310725.105.0713.02)713.01(190108.150（N*mm）3.6 阀体设计3.6.1 阀体结构形式、连接形式、结构长度和材料的确定1.首先确定阀体的结构形式、连接形式和结构长度，根据适用场合不同和通径大小，常见阀体结构有以下几种：（1）整体式阀体：DN50mm（2）二分体式：阀体有左右两部分组成，通过螺栓将这两部分连接成一体。（3）三分体式：阀体有三部分组成，这三部分是在阀座处沿着与通道向垂直的界面而分隔开的，螺栓将这三部分连接成一体。通过老师给的设计条件，阀体的结构形式应当选二分体式。2.阀体与管道的连接形式主要有螺纹连接；法兰连接；焊接连接等三种。由结构形式的确定中可知，阀体连接选择法兰连接。3.根据所给的公称压力和公称通径来确定其结构长度。结构长度是指阀体通道终端垂直于阀门轴线的两个平行平面之间的距离。由此根据已给条件可知结构长度为 730mm，公差为2mm。4.阀体材料的选用根据球阀的常用工况和材料成本总和考虑选用 HT200 作为阀体材料。2.6.2 阀体壁厚的确定球阀阀体常用整体铸、锻或者棒材加工而成。由于所给条件的工作压力属于中低压，所以采用薄壁计算公式进行计算。计算公式如下：CbSSb（mm）PLpcbS2.1232.1(mm)公式中：D球阀内墙的最大直径（mm）Sb考虑附加余量的壁厚（mm）bS按强度计算的壁厚（mm）P设计压力（Mpa）L材料许用拉应力（Mpa）C附加余量（mm）将 D=450mm，P=2Mpa，L=28Mpa 故可得bS=21mm，由bS=21mm，可知 C=1mm。阀门壁厚可以通过查表法(ASME B 16.34 或 GB/T 12224)和计算壁厚相对比，选择适当的取值，满足强度和刚性的要求，因此本次设计的 DN300 偏心半球阀的壁厚设计为22mm。2.6.3 阀体法兰设计1.法兰螺栓设计 按以下两种情况进行：（1）操作情况 由于流体静压力所产生的轴向力促使法兰分开，而法兰螺栓必须克服此种端面载荷，并且在垫片或接触面上必须维持足够的密紧力，以保证密封。此外，螺栓还承受球体与阀座密封圈之间的密封力作同。在操作情况下，螺栓承受的载荷为pW：QFFWpp QmPbDDGg2785.02公式中：PW在操作情况下所需的最小螺栓转矩（N）；F总的流体静压力（N）,PDFG2785.0；PF连接接触面上总的压紧载荷（N），MPbGFGP2;GD载荷作用位置出垫片的直径（mm）；由阀体内部尺寸可知GD450mm；m垫片有效密封宽度，差表可知m=0.；P设计压力（Mpa）；Q球体与阀座密封圈之间的密封力（N），根据之前的计算可知KNQ8.150。则将各项数据代入可得725.4688.15002450785.02PWKN.(2)预紧螺栓情况 在安装是须将螺栓拧紧而产生初始载荷，使法兰面压紧垫片，此外，螺栓还承受球体与密封圈之间的预紧力。在预紧螺栓时螺栓承受的载荷为aW：1GQYbDaW 公式中：aW在预紧螺栓时所需的最小螺栓转矩（N）；Y 垫片或法兰接触面上的单位压紧载荷（Mpa），查表得Y=0；1Q球体与密封圈之间的预紧力；由上一章节计算可知1Q150.8KN。则aW150.8KN。2.法兰螺栓拉应力的计算LLAW 公式中：L法兰螺栓拉应力（Mpa）；WpW和AW两者中的大者（N）；A螺栓承受应力下实际最小总截面积；L螺栓材料在常温下的许用拉应力（Mpa）；查表得L=108Mpa。则A=123.14212=5425.922mmL92.5425430675=79.3L=108Mpa。2.6.4 阀体法兰校核1.法兰力矩计算 在计算法兰应力时，作用在法兰上的力矩是载荷和他力臂的乘积，力臂决定与螺栓孔中心圆和产生力矩的载荷的相对位置。见下图3-3所示：图 3-3 整体法兰作用于法兰的总力矩0M为：GGTTDDSFSFSFM0 公式中：DF作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力（N），PDFiD2785.0;TF总的流体静压轴向力与作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力之差（N），)(785.022iGDTDDPFFF；GF用于窄面法兰的垫片载荷：FWFG;DS从螺栓孔中心圆至力DF作用位置处的径向距离（mm），15.0 SSD;S从螺栓孔中心圆至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离，12ibDDS;1法兰颈部大端有效厚度（mm）；TS从螺栓孔中心至力TF作用位置处的径向距离（mm）,21GTSSS;GS从螺栓孔中心至力GF作用位置处的径向距离（mm），2GbGDDS;iD法兰的内直径（mm）。由所设计的球阀阀体可知，iD=430mm，mmDG450，mmDb520，mm201，mmf36，mmSG35，mmST40，NFD2903002430785.02,NFT26700)430450(2785.022,NFFFDT317900，NFG113700。则法兰的总力矩0M为：mNM.105244.11524400035113700402760035290300502.法兰应力计算（1）法兰的轴向应力M（Mpa）iMDfM210 公式中：0M作用于法兰的总力矩（N*mm）；f整体式法兰颈部校正系数，f=1；系数，查表得=2.5。则：45.35210iMDfM )(Mpa （2）法兰盘的径向应力R(Mpa)iffRDMe20)133.1(（e=0.0125）=430365.21044.152)10125.03633.1(25xxxxxx=17.49（Mpa）（3）法兰盘切向应力T(Mpa)RifTZDYM20 式中：Y、Z系数查表可知Y=4.64，Z=6.03则：46.2149.1703.6430361044.15264.425xxxxT（Mpa）3.法兰的许用应力和强度校核上述三个应力应满足：MM RR TT 由阀体法兰材料为HT200，可查得28L（Mpa）,MPa421.5x2835.45MPaMMMPa351.25x2817.49MPaRRMPa351.25x2821.46MPaTT经校核说明应力方面符合要求。2.7 阀杆的设计和校核阀杆是球阀的主要受力零件之一，按照我国球阀标准，阀杆应设计成：在流体压力的作用下拆开阀杆密封挡圈时，阀杆不致于脱出。2.7.1 阀杆材料选择阀杆作为球阀的重要受力零件，其材料必须具有足够的强度和韧性，能耐介质、大气及填料的腐蚀，耐擦伤，工艺性好。材料选用主要通过工况和设计压力来选择，由表3-2 可选择 A5 作为阀杆材料。表 3-2材料工作压力（MPa）T（）适用阀类CuAL9Mn21.6200低压阀A52.5350中低压阀40Cr32.0450高中压阀38CrMoALA0.1054P540电站用阀20Cr1Mo1VIA0.1457P570电站用阀2Cr1332.0450高中压阀1Cr18Ni26.3-100200不锈钢阀、低温阀1Cr18Ni9Ti6.3600高温阀2.7.2 阀杆填料的选择、填料摩擦力及摩擦转矩的计算1.填料选择阀杆常用填料主要有 V 型填料、圆形片状填料及 O 型密封圈等三种。由于圆形片状填料往往容易发生松弛而使密封比压减小，以致密封遭到破坏，同时 V 型填料具有密封性能好、摩擦系数低且具有自封性能，因此我选用 V 型填料。2.填料摩擦力计算填料与阀杆之间的摩擦力tF可按下式计算ZHPdFTTt2.1 (N)公式中：T填料与阀杆之间的摩擦系数，T=0.05；Z填料圈数，Z=3；h单圈填料高度，h=1.5mm。取mmdT60则NxxxxxxFt10136025.105.02.13.阀杆台肩与之退点之间的摩擦力的计算摩擦力uF计算公式如下：PdDFTTTu2)(16 (N)公式中：TD台肩外径或止推外径（mm）；Td阀杆直径（mm），Td=60mm；t摩擦系数，t=0.05。则NxxFu418205.0)6086(1624 填料及止推垫的摩擦转矩计算填料转矩tM计算公式如下TttxdxFM5.0（Nmm)则1015.0 xMtx60=3030Nmm止推垫片的摩擦转矩uM计算公式如下)2(5.0TTuudDxFM (Nmm)则mmNxxxMu152575.01464185.0由此可知球阀的转矩MtumMMMM=3030+15257+1290000=6103.1 xNmm2.7.3 阀杆强度的计算阀杆上的转矩分布图见下图所示，主要受力面是 IIIVIV。其中面的扭转应力计算可做为设计时初定阀杆直径用。1.II 断面处的扭转应力)(MPaN为WMmNN 公式中：mM阀座密封面与球体间的摩擦转矩（Nmm）；N材料的许用扭转应力，（Mpa），N=1050Mpa；WII断面的抗扭转系数。29.0baW 3mm。图 3-4 浮动球阀阀杆转矩分布图a 和可由下表 3-3 查得表 3-3 b/a 与的关系b/a1.01.21.52.02.53.04.06.08.00.2080.2190.2310.2460.2580.2670.2820.2990.307图 3-5 阀杆与球体连接部分的断面故447008650231.09.02xxxW3mm则MPa85.2844700