课程设计球阀说明书.doc

球阀的测绘及设计

过程装备与自动化综合设计说明书

题目： 球阀的测绘与设计

学 生： 郭耀宗
学 号： 201101020210
院 （系）： 轻工与能源学院
专 业： 过程装备与控制工程
指导教师： 侯顺利
2014年12月26日陕 西 科 技 大 学
过程装备与自动化综合设计任务书
轻工与能源 学院 过程装备与控制工程 专业 1102 班 学生：郭耀宗
题目： 球阀的测绘及设计
课程设计从 2014 年 9 月13 日起到 2014 年 12 月 19 日
1、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
（1）根据教科书上的图形，结合所收集的资料，独立完成球阀测绘及设计；在计算机上用AutoCAD绘制并打印设计的总装图及部分部件的装配图和零件图。
（2）弄清球阀测绘及设计的工作原理，懂得各零部件的作用以及各零部件间的装配联接关系。
（3）所绘图样要符合机械制图的标准，标准件要按标准画法、简化画法或比例画法绘制，并要标准化。
（4）在图样上要有正确的、较完整的尺寸标注与技术要求。汉字设置为长仿宋体。视图选择适当、布局合理，绘图比例适当。
（5）在装配图上要正确表达各零件的装配关系及配合性质，合理编写零部件的名称及图号，按国标填写标题栏及明细表。
（6）独立编制零件加工工艺及装配工艺，既合理又有独到之处。
（7）养成认真负责的工作态度、严谨细致的工作作风和规范的制图习惯，培养自主学习的能力，掌握相关分析问题和解决问题的基本方法。
（8）严格遵守设计纪律，爱护设备，按设计进度要求进行，在设计结束后，能回答与本设计有关的问题，严格作息时间和考勤制度，设计平时表现是成绩考核的重要内容。

2、对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：
（1）独立完成球阀测绘及设计的总装图及部分部件的装配图和零件图。
（2）图纸要求用AutoCAD软件绘制，绘图总量为折合A2图纸1.0张以上。同时上交电子版和打印纸质版一份。
（3）编制装配工艺卡及1个典型零件加工工艺卡。
（4）设计报告：约5000字。内容包括综合设计任务书；所测绘装置的综述；对拆装、测绘、设计制图、工艺卡编制等的说明；设计总结（本次设计的心得体会与收获，对应用的认识，教学建议等）。

3、课程设计工作进度计划：

时间
设计任务及要求
第7-8周
熟悉和收集相关资料
第9周
分析设计对象的详细结构
第10周
手绘总装图
第11-14周
绘制装配图及零件图
第15-16周
打印图纸与说明书、答辩

指导教师： 日期：
教研室主任： 日期：

目 录
1 绪论
背景
1.1.1控制阀的发展历史………………………………………………………………………5
1.1.2我国控制阀发展趋势……………………………………………………………………6
1.2课题研究的领域
1.2.1控制阀在各生产领域的应用……………………………………………………………6
2 球阀的简单分析
2.1球阀的功用和用途…………………………………………………………………………7
2.2球阀的工作原理……………………………………………………………………………8
2.3球阀的主要特点……………………………………………………………………………9
2.4设计需达到技术要求
2.4.1阀体………………………………………………………………………………………10
2.4.2球体………………………………………………………………………………………10
2.4.3阀杆………………………………………………………………………………………10
3 球阀的类型、结构及其材料
3.1球阀的类型…………………………………………………………………………………10
3.2球阀的结构…………………………………………………………………………………11
3.3球阀的材料…………………………………………………………………………………11
3.4球阀的密封性
3.4.1影响球阀密封性的主要因素……………………………………………………………12
4 球阀的维护、保养、安装和使用等注意事项
4.1操作…………………………………………………………………………………………12
4.2维护、保养、安装和使用注意事项………………………………………………………13
4.3可能发生的故障及消除办法………………………………………………………………14
4.4球阀的部分参数等级………………………………………………………………………14
4.5主要零部件材料和设计采用标准…………………………………………………………14
5设计心得………………………………………………………………………………………15
6致谢……………………………………………………………………………………………16
参考文献………………………………………………………………………………………17

1绪论
1.1背景
1.1.1 控制阀的发展历史
控制阀的发展自20世纪初始已有八、九十年的历史，先后产生了十个大类的调节阀产品、自立式阀和定位器等，其发展历程如下：
20年代：原始的稳定压力用的控制阀问世，其结构是一种带重锤的球形阀，利用重锤平衡阀芯所受到的流体作用来进行调节。这种控制阀后来演变成利用阀后压力进行调节的自立式调节阀。
30年代：产品的种类已经很多，以“V”形缺口的双座和单座，阀体形状为球型的球型阀为代表产品。
40年代：出现定位器，调节阀的新品种进一步产生，相继出现隔膜阀、角形阀、蝶阀、球阀等，并在市场上占据主导地位，各种产品已经比较齐全。
50年代：球阀得到较大的推广使用，三通阀代替两台单座阀投入系统。
60年代：在国内对上述产品进行了系列化的改型设计和标准化、规范化设计后，国内才有了自己完整的系列产品。现在还在大量使用的单座阀、双座阀、角型阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀七种产品仍然是六十年代水平的产品；这时国外推出了第八种结构控制阀新产品—套筒阀，很快受到重视并成为球形阀的主流产品。
70年代：有一种新结构的产品----偏心旋转阀问世，它容量大，流路简单，不平衡力小，这些优点使它成为角行程阀门的佼佼着，成为第九大类结构的控制阀品种，这一时期套筒阀在国外被广泛应用。70年代末，国内联合设计了套筒阀，使中国有了自己的套筒阀产品系列。
80年代：80年代初由于改革开放，中国成功引进了石化装置和调节阀技术，使套筒阀、偏心旋转阀得到了推广使用，尤其是套筒阀、大有取代单、双座阀之势，其使用越来越广。80年代末，控制阀的又一重大进展是日本的CV3000精小型调节阀，它在结构方面，只是将单弹簧的气动薄膜执行机构改为多弹簧是薄膜执行机构，阀的结构只是改进，不是改变。它的突出特点是使调节阀的重量和高度下降30%，流量系数提高30%。
90年代：智能化、模块化阀门的出现，为控制阀的出现翻开了新的一页。
1.1.2 我国控制阀发展趋势
控制阀产品作为工业过程控制中的一种“消耗品”，其每年的新增需求及维修、更换用量都将随我国工业的发展而逐年增加，尤以在天然气、石油化工、电力、环保、煤化工、医药、冶金、造纸、楼宇、节能等产业中需求会有较大的增长，市场空间广阔。
未来工业过程控制的迅猛发展对控制阀的要求也越来越高，我国控制阀行业未来的新产品开发将会进一步走向标准化、模块化、智能化、集成化、网络化。
　　随着国内新材料、热处理等基础工业水平的提高、企业不断积累现场使用经验、进一步完善和提高产品设计手段和先进制造技术，将使我国控制阀行业的整体技术水平、制造工艺和产品可靠性有较大提高，将逐步缩短与国外技术的差距，有力推动与提升国产化的步伐，国内企业市场前景呈现良好的发展趋势，特别是一些有特色产品的企业，将会有一个更好的发展机遇。
　　未来我国控制阀企业的产品将逐渐从中低端水平进入中高端水平，并且随着企业与国际间的合作与交流，将逐步优化我国控制阀的产品结构与制造企业的结构，行业企业将从“同质化”走向“差异化”，从提供“产品”走向提供“解决方案”，从提供完善的“售后服务”走向提供“损害预估和预测维护”，从“中国制造”进入“中国创造”。同时多种体制与商业模式企业的共存和发展，将为我国自动化仪表包括控制阀行业走向世界，参与国际间的技术交流和商业竞争打下基础。
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
2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。
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、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用。
球心内孔的轴线与阀体及阀体接头内孔的轴线呈垂直相交状态。此时液体通路被球心阻塞，呈关闭断流状态。转动扳手，扳手左端的方孔带动阀杆旋转，阀杆带动球心旋转，球心内孔与阀体内孔、阀体接头内孔逐渐接通。当板手旋转至90°时，球心内孔轴线与阀体内孔、阀体接头内孔轴线重合，此时液体的阻力最小，流过阀的流量为最大。转动扳手处于不同位置时，流过阀的液体流量不同，从而起到控制液体流量的作用。
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。
3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。如图1-3

图1-3
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。
4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。
4.3可能发生的故障及消除办法
一般可能发生的故障都会有一套相应的解决办法如表2-1
表2-1
密封面泄漏
1球体、阀座夹有杂物
2球体、阀座关闭位置不吻合
3弹簧失效
4阀座磨损
1清除杂质，清洗阀门内腔
2调节球体与阀座至吻合位置正确
3更换弹簧4更换阀座
阀门两中面泄漏
1两侧密封圈或垫片失效
2法兰压紧力不均或未压紧
1更换密封圈或垫片
2压紧法兰螺栓

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

设计心得
我的课题为不带驱动装置的球阀测绘,球阀的测绘因为要涉及到复杂的尺寸计算，确实有一定难度。刚发到课题确实难从下手但在老师辅助和发的资料中我慢慢理出了头序。
首先我根据老师发的任务确定阀体的各个配合尺寸，确定阀体结构形式、连接形式和结构长度，计算球阀相关画图零件尺寸数据。
在此次的课程设计中，我们遇到了许多以前从未遇到过的问题，但通过老师的指导和我们的努力，这些问题都得到了很好的解决。通过这次毕业设计，我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。

致谢
本说明书的完成，得益于侯顺利老师传授的知识，使我有了完成说明书所要求的知识积累，更得益于导师从选题的确定、说明书资料的收集、说明书框架的确定、开题报告准备及说明书初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，在此对导师表示感谢！
在这里，还要特别感谢大学三年学习期间给我诸多教诲和帮助的学院的各位老师，感谢你们给予我的指导和教诲。
回首本人的求学生涯，父母的支持是本人最大的动力。父母不仅在经济上承受了巨大的负担，在心里上更有思子之情的煎熬与望子成龙的期待。希望以后的学习、工作和生活能使父母宽慰。
在撰写说明书的工作中，由于所学理论知识和自己的水平、经验有限，难免有疏漏不足和错误之处，谨请答辩老师批评指正，在此，向各位老师表示诚挚的谢意！

参考文献
[1]邱晓来,林洁.阀门产品样本下册[J] .机械工业部,2004.
[2]章华友,陈元芳.球阀设计与选用.机械设计与制造,1994.
[4]焦馥杰.振动时效机理的研究[J].焊接学报,1992.
[5]张锁龙.大口径球阀的结构设计和强度计算.江苏工业学院学报[J],2004.
[8]肖俊建.往复泵自动球阀动力学模型及计算机仿真.化工机械[J],2005.
[9]于保敏,黄站立.基于有限单元法对热风阀阀体模态和谐响应分析[J].机械设计与制造,2005.
[10]邵裕森，戴先中.过程控制工程[J]，2013.

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