球阀的毕业设计

前言
近年来，高等职业教育迅速发展。

为我国的职业教育事业带来了蓬勃生机，数控技术及应用作为一门新兴行业，在国内外机械加工中，具有举足轻重的地位。

数控机床作为一种高智能产品，它以结构灵活多变，加工精度高，生产效率高，质量稳定，特别适应多品种，小批量，产品更新周期快的特点，深受广大生产企业的青睐。

作为一名毕业生，经过三年的职业教育，按照老师的要求，综合运用所学知识，通过查找资料，能否保质保量地完成毕业设计任务，是检验毕业生合格与否标准。

本人经过周密思考，认真总结，仔细筛选，决定设计球阀，它综合运用了所学专业知识，充分运用了数控机床加工的各项功能，具有典型代表性。

设计内容包括：1摘要，2目录， 3球阀及各部件的功用与用途，4三维建模造型图5结论与张望6参考文献。

第一章绪论
1.1 课题研究的背景
1.1.1 国内外控制阀的发展现状
从19世纪控制阀应用在蒸汽机开始直到今天，控制阀已经发展成为全球年产值约为200亿美元的产业，而且随着全球性工业化的发展，保持着稳定的增长。

目前，全球的控制阀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。

美国作为世界上的头号经济强国，美国的阀门工业从二战后初期的全球一半产值下降到现在的30%左右，仍然是全球的最大的阀门供应商。

据美国阀门协会统计，美国阀门协会有超过110家企业，年产值超过40亿美元。

随着美国公司国际化程度的不断加强，阀门企业开始通过收购本土以及世界其它国家的企业来扩大自己的市场份额，增强竞争力。

由于企业之间的收购不断加剧，如今美国的阀门企业多数属于某个超大型跨国公司的一部分。

著名的TYCO流体控制公司是年度销售额340亿美元的TYCO国际的子公司；MASONEILAN公司是DRESSER工业公司的一部分，其年销售额超过3亿美元；1984年就在中国开展业务的FISHER 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，其母公司EMMERSON集团的销售额已超过140亿美元。

德国作为欧盟经济体的火车头，德国的经济在二战后得到了迅速的恢复，德国产品凭借其优良的质量迅速占领了欧洲市场，并随着中国的对外开放来到了中国。

目前德国的阀门生产企业有170多家，产值超过22亿欧元，其中出口率为50%左右。

德国的阀门企业一直保持着中小型私营企业的特点，目前刚刚开始类似美国的企业并购，但还没有形成类似美国的大的跨国公司。

德国的控制阀企业多数属于专业性很强的公司，在某一类产品的研究、设计制造方面都有自己的独到之处。

SAMSON公司作为德国控制阀行业的领军者，销售额超过4亿欧元，从1909年发明的波纹管开始，一直在控制阀领域保持技术和质量的领先。

AUMA公司是世界上最大的专业生产控制阀用的电动执行器的企业之一，销售额在1.5亿欧元左右，其在电动执行机构上的技术领先使其保持着巨大的竞争优势。

日本作为世界第二的经济体，日本的阀门企业共有706家，但其中15家的产值占到了整个市场的70%。

日本阀门市场的总产值约为6亿美元，控制阀是其出口的主要产品。

作为中国的近邻，日本的控制阀企业早在60年代就来到中国，至今为止，日本的控制阀企业是目前国内合资企业的最大的合作外方。

YAMATAKE、KOSO等几家日本最著名的控制阀生产商目前和国内的多家公司进行了合资，其产品由于价格适中，质量较好，迅速占领了国内的中低端市场。

同样，在日本本国生产的控制阀在制造质量和技术上领先于合资企业，保持着在高端市场的竞争力。

目前我国阀门生产企业约有5000多家，但大多起点低，规模小，科研开发能力弱，只能参照国外的一些产品结构和样机，做一些消化吸收的工作。

造成这种局面的原因主要有以下两个方面：首先，从科研人员组成及经费投入情况来看，目前国内阀门行业科研人数不到职工人数的10%，科研经费的投入小于年产值的3%；在国外，科研经费的投入达到年产值4%的企业，只能勉强维持生产。

其次，在劳动生产率方面，美国每人每年13.8万美元，日本每人每年9.5万美元，而我国平均每人每年只有3万元人民币。

落差如此之大，国内阀门制造企业也就无法在市场上产生震憾力，与同行业国际知名企业的竞争就更加困难。

要尽快改变这种现状，不仅要进行资产重组，更重要的是提高阀门的设计水平及产品质量。

当前，控制阀生产行业正处于一个非常有利的发展时期。

这主要得益于国家经济持续稳定发展，固定资产投资逐步扩大。

尤其是西气东输、西电东送、南水北调等工程的开工建设，需要大量的控制阀产品与之配套；再加上入世后，国际贸易门槛降低以及发达国家调整产品结构，使我国控制阀产品的加工制造面临更大的发展空间。

1.1.2 国内外的研究动态
以球体作为关闭件的阀门，成为球阀。

球阀是上世纪50年代问世的一种新型阀门，但它是近几年来发展最快的阀门品种之一。

特别是在美、德、日、法、意、西、英等工业发达国家，球阀的使用非常广泛，使用品种和数量仍在继续扩大，并向高温、高压、大口经、高密封性、长寿命、优良的调节性能以及一阀多功能方向发展，其可靠性及其他性能指标均达到较高水平，并已部分取代闸阀、截止阀、节流阀。

它在航天、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。

阀体是球阀的主要承载结构，具有几何形状复杂、作用载荷复杂、支撑结构和约束复杂的特点。

阀体结构的设计是否合理，将直接影响球阀的使用性能。

因此，在对球阀进行动态分析时，其主要的分析部件就是阀体。

球阀阀体的结构分析和计算主要有两种方法:经典力学方法和有限元计算方法。

经典力学方法需要对受力系统作大量简化和假设，且计算繁杂、精度差，影响球阀结构的合理化和可靠性[1]。

有限元法是在近几年代发展起来的强有力的数值分析方法，它通过计算机实体建模对阀体结构进行静态或动态特性分析，找出其结构设计的关键部分，从而进行优化设计。

它使复杂的工程分析问题迎刃而解，而且由于分析软件和计算机硬件处理技术的高速发展，计算效率高，实际应用越来越广泛。

目前，国内外在结构动态领域的研究十分活跃，特别是美国、西欧等一些工业发达国家，十分重视关于结构动态涉及问题的研究，并将其列为结构设计领域的重点发展方向之一。

而我国在这一领域的研究还比较落后。

结构动态设计的内容十分丰富，涉及现代动态分析方法、计算机技术、产品结构力学理论、设计方法学等众多学科范围，目前还没有形成一套完整的结构动态设计理论方法和体系[2]。

结构动态设计的主要内容包括两个方面：一是建立一个切合实际的结构动力学模型；二是选择有效的结构动态设计方法。

其过程是：对满足工作性能要求的产品初步设计图样或需要改进的产品实物进行力学建模，并作动态特性分析，然后根据实际情况，给出其动态特性的要求或预定的动态射击目标再按结构动力学的“正”、“逆”问题求解其结构设计参数或进行结构修改[4]。

我国控制阀行业要发展就一定要实施技术创新，调整产品结构，要大力研制开发一些技术含量高、劳动附加值高、具有国际领先水平的控制阀产品，以适应现代工业对控制阀的需求。

有限元分析方法在国内已开始普遍应用于球阀阀体的结构分析，研究方向也由单纯静力分析向参数化建模、结构优化和动态特性等扩展，而且将有限元分析计算与试验研究相结合，呈现多样化的局面。

如江苏工业学院的张锁龙采用有限元法对球阀阀体进行动态和静态的分析[5-7]，肖俊建利用有限元法建立球阀的动态模型并对结构进行动态分析[8]，赵磊生、刘克铭、
张力钧、刘琳琳等都利用有限元法对不同类型的控制阀进行了仿真设计及动态或静态的分析[9-17] 。

可以看出，目前，国内己经把有限元法作为控制阀的静态分析和动态分析的重要手段，球阀各部分结构的有限元分析模型更趋复杂、完善，计算结果精度愈来愈好，成为球阀结构分析和设计的主流工具。

1.2 课题研究的领域
1.2．1 控制阀在各生产领域中的应用
球阀在个生产领域中的应用如图1－1所示：
气动调节阀应用水处理现场应用于水厂处理现场
应用于武汉石油加氢装置应用于北京燕山化工一厂加药系统
图1-1 球阀的应用
第二章球阀的简单分析
2.1球阀的功用和用途
由于球阀通常用橡胶、尼龙和聚四氟乙烯作为阀座密封圈材料，因此它的使用温度受到阀座密封圈材料的限制。

球阀的截止作用是靠金属球体在介质的作用下，于塑料阀座之间相互压紧来完成的（浮动球球阀）。

阀座密封圈在一定的接触压力作用下，局部地区发生弹塑变形。

这一变形可以补偿球体的制造精度和表面粗糙度，保证球阀的密封性能。

又由于球阀的阀座密封圈通常采用塑料制成，故在选择球阀的结构和性能上，要考虑球阀的耐火和防火，特别是在石油、化工、冶金等部门，在易燃、易爆介质的设备和管路系统中使用球阀，更应注意耐火和防火。

通常，在双位调节、密封性能严格、泥浆、磨损、缩口通道、启闭动作迅速（1/4转启闭）、高压截止（压差大）、低噪声、有气穴和气化现象、向大气少量渗漏，操作力矩小、流体阻力小的管路系统中，推荐使用球阀。

球阀也适用于轻型结构、低压截止（压差小）、腐蚀性介质的管路系统中。

在低温（深冷）装置和管路系统中也可选用球阀。

在冶金行业的氧气管路系统中，需使用经过严格脱脂处理的球阀。

在输油管线和输气管线中的主管线需埋设在地下时，需使用全通径焊接式球阀。

在要求具有调节性能时，需选用带V形开口的专用结构的球阀。

在石油、石油化工、化工、电力、城市建设中，工作温度在200度以上的管路系统可选用金属对金属密封的球阀。

2.2球阀的工作原理
球阀的工作原理是靠旋转球体来使阀门畅通或闭塞。

球阀开关轻便，体积小，可以做成很大口径，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，在各行业得到广泛的应用。

球阀有两种口径的结构形式，球体通孔的直径等于管道的内经，这种球阀称全通经球阀。

通孔的直径略小于管道的内经，称缩经球阀。

此次设计的是全通径软密封球阀。

设计固定球阀应考虑壳体刚度强度、阀杆强度、中法兰强度、填料高度等力学性能。

还应考虑使用年限、防火、防静电、外观及便于制造、安装使用、维修
等特点。

球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。

球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。

球阀最适宜做开关、切断阀使
2.3球阀的主要特点
球阀的主要特点是本身结构紧凑，密封可靠，流体阻力小，维修方便。

球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。

球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的。

优点：
1．流体阻力小。

一般有缩经和全通径两种结构。

无论哪种结构，球阀的流阻系数都是很小的。

特别是全通经球阀，由于其通道直径等于管道内经，故在所
有阀门中，这种阀门的流阻是最小的。

2．结构简单、体积小、重量轻。

3．紧密可靠，两个密封面，而且目前球阀的密封面材料广泛使用各种塑料，密封性好，能实现完全密封。

在真空系统中也已广泛使用。

4．启闭迅速球阀在一般情况下只需要转动90°就可完成了全开或全关动作，所以很容易实现启闭，启闭时间少，便于远距离的控制。

5．维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便。

6．在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。

7．适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。

8．可靠性高。

阀的可靠性高主要的原因是：1、球体与阀座是硬密封所以密封圈不会因高温而融化，可以在高温的工作条件下适用。

2、阀杆设计成在工作环境中拆去填料压盖阀杆不会飞出的结构，消除了填料压盖松开而飞出的事故隐患；3、采用防静电装置，适用于输送石油、天然气、煤气的管线。

9．由于球阀在启闭过程中有擦拭性，所以可用于带悬浮固体颗粒的介质中。

缺点：
10.加工精度高，造价昂贵，高温中不易使用。

2.4设计需达到技术要求
2.4．1阀体
1．阀体壁厚应符合ASME B16.34的要求。

2．法兰连接阀门的结构长度应符合ASME B16.10长型或短型的规定。

3．端法兰尺寸和法兰端面的粗糙度按ASME B16.5的规定
4．阀门零件材料的抗腐蚀性应不低于阀体材料。

2.4．2球体
球体的通道应是圆形的，球阀全开时应保证球体通道与阀体通道在同一轴线上。

球体材料的抗腐蚀性应不低于阀体材料。

2.4．3阀杆
阀杆应设计成当填料或填料压盖拆除后能防止内压使阀杆冲出的防阀杆冲
出装置。

阀杆材料的抗腐蚀性应不低于阀体材料。

第三章球阀的类型、结构及其材料
3.1球阀类型
球阀的结构形式和品种规格非常之多，根据其用途和特点大致可分为以下几种：浮动球球阀、固定球球阀、轨道球阀、V型球阀、三通球阀、不锈钢球阀、锻钢球阀、卸灰球阀、抗硫球阀、三通球阀、气动球阀、电动球阀、卡套球阀、焊接球阀。

1．按球体的支撑方式分为浮动球球阀和固定球球阀两类。

浮动球球阀：其主要特点是球体无支撑轴球体以阀门进出口两端的阀座为支撑。

阀杆与球体为活动链接，因此这种球阀的球体被两阀座夹持其中而呈“浮动”状态。

2．定球球阀：其特点是球体与上下阀杆连成一体，球体可沿与阀门通道相垂直的轴线自由转动，但不能沿通道轴线移动。

因而，固定球球阀的转矩小，阀座变形小，密封性能稳定，使用寿命长，适用于高压，大通径的场合。

3．按球体的安装方式可分为顶装式，底装式，侧装式及斜装式四种。

4．按球体结构可分为整体球球阀，半球体球阀，截球体球阀三种。

其中截球体球阀又分为弓形和扇形截球体球阀。

5．按球阀与管道的连接形式可分为法兰连接球阀，内螺纹和外螺纹连接球阀和焊接连接球阀四三种。

其中法兰连接球阀又分为整体法兰连接球阀，螺纹法兰连接球阀，对夹式法兰连接球阀和焊接法兰连接球阀。

6．按阀体通道数量和球体通道形式可分为二通球阀，三通球阀，四通球阀及多通球阀。

其中二通球阀又分为直通式二通球阀和直角式二通球阀。

三通球阀又分为L型,T型,Y型及空间交叉角式三通球阀。

7．按驱动方式可分为手动，气动，液动和电动球阀。

其中手动球阀又分为带与不带驱动机构两种。

气动球阀又分为活塞气缸式和旋转叶片式两种。

此外还有组合式球阀，如电液联动和气液联动球阀。

8．按用途可分为真空球阀，低温及超低温球阀，高温球阀，保温球阀，耐
腐蚀球阀，收发球球阀以及多功能球阀。

3.2球阀的结构
球阀是由阀体、阀盖、阀杆、球体、手柄等结构组成。

3.3球阀的材料
球阀的基体材料通常包括不锈钢系、硬质合金系和特种合金系，因为这几种材料有较好的高温稳定性。

球体和阀座应采用抗腐蚀性能不低于阀体抗腐蚀性能的材料。

阀杆是阀门中重要的受力零件，阀杆的材料必须具有足够的强度和韧性，能耐介质、大气及填料的腐蚀性，耐擦伤，工艺性好。

连接螺栓和螺母可用经调制处理的高强度合金钢制作（最低抗拉强度大于690MPa）。

本文所设计的阀体采用铸铁230—450.主要是因为其有许多特殊的性能，如耐热、耐磨、耐腐蚀等；有良好的焊接性能，有利于铸件的修补和组合，各部件结构可设计匀称，能抵抗变形。

3.4球阀的密封性
球阀的密封性指标由内泄漏和外泄漏要求确定，国家标准规定非金属密封球阀的密封性按GB/T13927《通用阀门压力试验》的A级执行，要求“在试验持续
时间内无可见泄漏”；航天行业标准规定地面气体管路系统用球阀“在0.05MPa 和1.1倍公称压力的气压条件下，保压3min，内泄漏率应不大于3×10-5Pa·m3/s (无气泡逸出)；在1.1倍公称压力的气压条件下，保压3min，外泄漏率应不大于1×10-5Pa·m3/s。

3.4．1影响球阀密封性的主要因素
影响球阀密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球体圆度参数。

众所周知，无论采用如何先进的加工技术，都不可能完全消除球体的圆度误差及密封面的微观缺陷，因此，为了达到良好的密封效果并保证加工过程可以实现，必须确定合适的密封面粗糙度和球体圆度参数值。

有关资料推荐，球体密封面的粗糙度Ra 值最大允许值为0·4μm；密封座粗糙度Ra值在以聚四氟乙烯为密封材料时最大允许值为0·8μm。

球面的圆度公差，按GB/T1184附表2的6级精度较为合适。

第四章球阀的维护、保养、安装和使用等注意事项
4.1操作
1．操作前须确认管路和阀已被冲洗过。

2．阀的操作按执行机构输入信号大小带动阀杆旋转完成：正向旋转1/4圈（90°）时，阀关断。

反向旋转1/4圈（90°）时，阀开启。

3．当执行机构方向指示箭头与管线平行时，阀门为开启状态；指示箭头与管线垂直时，阀门为关闭状态。

4.2维护、保养、安装和使用注意事项
1、维护保养注意要点：
一）阀门应放在干燥通风的室内 , 通径两端须密封防尘。

二）长期存放应定期检查 , 并在加工表面上涂油 , 防止锈蚀。

三）阀门安装前应仔细核对标志是否与使用要求相符。

四）安装时应清洁内腔和密封面 , 检查填料是否压紧 , 连接螺栓是否均匀拧紧。

五）阀门应按照允许的工作位置安装 , 但须注意检修和操作的方便。

六）使用中 , 不可将闸阀部分开启调节流量 , 以免在介质流速较高时使密封面损坏 , 宜全开或全闭。

七）在开启或关闭时旋转手轮 , 不宜借助其它辅助杠杆。

八）传动件应定期加油润滑。

九）安装后应定时检修 , 清楚内腔的污垢 , 检查密封面 , 阀杆螺母磨损情况。

十）应有一套科学正确的安装作业标准，检修应进行密封性能实验 , 并做好详细的记录以备考察。

2、阀门安装的注意事项：
阀门安装之前，要确认阀门符合设计要求和有关标准。

安装前，管道内部要清洗，除去铁屑等杂质，防止阀门密封座夹杂异物。

另外，安装时的阀门应是关闭状态。

在安装阀门时，要确认介质流向、安装形式及手轮位置是否符合规定。

在搬运和安装阀门时，要谨防磕碰划伤的事故。

起吊阀门作业时。

阀门要在指定的起吊位置上正确起吊，不得使阀门仅在局部受力的情况下进行起吊或牵引。

法兰连接阀门的安装。

连接两个法兰时，首先要使法兰密封面与垫片均匀压紧，由此保证靠同等的螺栓应力对法兰进行连接。

在紧固螺栓时，要使用与螺母相匹配的扳手，当使用油压、风动工具进行紧固时，注意不要超过规定的力矩。

法兰的紧固要避免用力不匀，应按照对称、交义的方向顺序旋紧。

法兰的安装后，要确认所有的螺栓螺母的坚固均匀。

4.3可能发生的故障及消除办法
4.4球阀的部分参数等级
1．公称压力或压力级：PN1.0-32.0MPa、ANSI CLASS 150-900、JIS10-20K；
2．公称通径或口径：DN6～900、NPS 1/4 ～36；
3．连接方式：法兰、对焊、螺纹、承插焊等；
4．适用温度：-196℃～540℃；
5．驱动方式：手动、蜗轮蜗杆传动、气动、电动、液动、气液联动、电液联动；
6．阀体材料：WCB、ZG1Cr18Ni9Ti、ZG1Cr18Ni12Mo2Ti、CF8(304)、CF3(304L)、CF8M(316)、CF3M (316L)、Ti。

选用不同的材质，可分别适用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氧化性介质、尿素等多种介质。

4.5主要零部件材料和设计采用标准
阀体─WCB 阀座─25 球体─2Cr13 阀杆─2Cr13
制造标准——API 608
尺寸公差——GB/T 1804-2000m的规定
材料标准——ASME B143-52的规定
法兰尺寸标准——ASME B16.5a的规定
压力试验标准——API 598的规定
第五章固定球阀实体模型的建立
5.1Pro/E系统软件简介
Pro/Engineer 是美国PTC公司的产品，于1988年问世。

10多年来，经历20余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的3D CAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。

Pro/ENGINEER是一个基于特征的（Feature-Based）实体模型建模工具，利用每次个别建构区块的方式构建模型。

设计者根据每个加工过程，在模型上构建一个单独特征。

特征是最小的建构区块，若以简单的特征建构模型，在修改模型时，更有弹性。

通过创建零件、装配、绘图等方式，可利用Proe/ENGINEER验证模型。

由于各功能模块之间是相互关联的，如果改变装配中的某一零件，系统将会自动地在该装配中的其他零件与绘图上反映该变化。

Pro/ENGINEER为一参数化系统，即特征之间存在相互关系，使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更，以满足设计者的要求。

如果某一特征参考到其他特征时，特征之间即产生父/子（parent/child）关系。

根据已建好的实体模型，在装配（component）中，利用其特征（平面，曲面或轴线）为基准，直接构建（Create）新的实体模型。

这样建立的模型便于装配，在系统默认（default）状态下，完成装配。

5.2用Pro/E 4.0构建球阀三维实体模型
Pro/E软件有很多版本，而其中的野火版是使用最为广泛的，本次设计所使用的三维建模软件则是Pro/Engineer Wildfire 4.0 ,是一个比较新的版本，较2.0有了很多的改进，其三维建模界面如图4-1：。