球阀的设计与计算

按浮动球Ⅱ-Ⅱ断面公式计算
3. Ⅲ-Ⅲ断面的扭转应力
τN
=
MF
− M FT W
≤[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
密封面材料的许用比压 [q]
黄铜
青铜
奥氏体 不绣钢 马氏体 不绣钢 氮化钢 堆焊 合金 中硬 橡胶
F-4
尼龙
密封面材料
材料硬度
CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38 CuZn16Si4 CuAL10Fe3
CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2
1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti
[τN]:材料的许用扭转应力（MPa），查[资料 1]表 3-7 ② Ⅱ-Ⅱ断面处的剪切应力
τ = (DT + dF )2 P ≤ [τ ]
16d F H
式中：DT ：阀杆头凸肩的直径（mm） dF ：阀杆直径（mm） H ：阀杆头凸肩高度（mm）
设计给定 设计给定
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
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
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=
π
(
DMW
+
) DMN 2 P R
32 cosϕ
f (1+ cosϕ )
（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
③ Ⅲ-Ⅲ断面处扭转应力
τN = M F W ≤ [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= π dF3 16
[τN]：材料的许用扭转应力（MPa），查[资料 1]表 3-7 ④ Ⅳ-Ⅳ断面处扭转应力
τN
=
MF W
≤ [τN]
Dmin = D22 + d 2 （mm），应满足 D ＞ Dmin
式中： Dmin ：球体最小计算直径（mm）， D2 ：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 qMF < q < [q]
M QZ = M QZ1 + M QZ2
式中: MQZ1:由阀座对球体的予紧力产生的摩擦力矩
M QZ1
=
π 4
( DMW 2
−
DMN2 )(1+
cos ϕ )qM
f
R
式中: qM :最小予紧比压 (MPa)
（N·mm）
取: qM = 0.1P 但不应小于 2 MPa
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
对正方形断面：W= b3 （mm3） 48
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
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：
τ N = M F W ≤[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：
πd4 + bz ( D − d )( D + d )2
W= 16D
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
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：
qMF
=
m( a
+ cp ) b
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
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
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击来,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
2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2
35CrMoAlA、38CrMoAlA TDCoCr1-x
TDCr-Ni（含 Ni）
HB 80～95 HB 95～110
HB≥110 HB 120～170
HB 140～170
HB 200～300 HR 35～40
Hv 800～1000 HR 40～45 HB 280～320
SFB-1，SFB-2，SFB-3 SFBN-1，SFBN-2，SFBN-3
[q] 密封面 间无 滑动
80 100 80 100
[MPa] 密封面 间有 滑动 20 25 25 35
150
40
250
45
300
80
250
80
250
80来自百度文库
5
4
20
15
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
φ ：密封面法向与流道中心线的夹角
q ：球阀密封比压（MPa）
① 对浮动球阀：（见图示）
q = (DMW + DMN )P 4(DMW − DMN )
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）
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
QZJ = π
DJH 2 8
P
(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)
M MJ
=
π 64
f (DT + dF )3
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 ： M FT = 0.6π f z h dF P （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
M QZ2 = π
P
f
R(DJH2 − 0.5DMN2 − 0.5DMW2 )(1+ cosϕ) 8 cos ϕ
（N·mm）
MFT : 填料与阀杆的摩擦力矩 见浮动球阀计算
MZC : 轴承中的摩擦力矩
（N·mm）
M ZC = fz dqJ QZJ
（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
P
（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=
M QZ 0.12a2h
≤[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。
进口密封固定球球阀结构
q = P(DJ2H − 0.6DM2 N − 0.4DM2 W ) 8Rh cosϕ
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
② 对橡胶 O 型图：
MFT=
1 2
π
d
F
2
Z (0.33 + 0.92 fo
do
p)
（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
M MJ
=
π 64
f (DT
+ dF)2
1. 平键的比压计算
P = 2T ≤ [P]
nd1KL
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： n: 键数 设计给定
τ N = M QZ W ≤[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
W = π d13 − b t (d1 − t ) 2 n
16
2d1
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：
P
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:
M F = M QZ + M FT + M ZC + M MJ
式中:MQZ:球体在阀座中的摩擦力矩
[σZY]：球体材料的许用挤压应力（MPa） 对奥氏体不锈钢：当σb＜600 MPa时，取[σZY]=122 MPa
或按下式计算：[σZY]= σ b ～ σ b （σb：材料的抗拉强度） 46
2、阀杆头部强度校核
① Ⅰ-Ⅰ断面处的扭转应力：
τN = MQZ W ≤[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
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= t ⋅ cosϕ （mm）
t :密封面宽度（mm），设计给定