全焊接固定球阀的设计与计算.docx

1、1全焊接固定球阀的设计与计算陆培文根据 GB/T 19672-2005、GB/T 20173-2006 和美国石油学会标准 API 6D-2008、国际标准化组织标准 ISO14313:2007 标准规定。固定球球阀为双阀座阀门、对于双阀座阀门分：单向密封、双向密封、双阀座双向密封、双阀座一个阀座单向密封一个阀座双向密封，双截断- 泄放阀，如图 1 所示。单向密封阀门设计在一个方向密封的阀门。双向密封阀门设计在两个方向都能密封的阀门。双隔离-泄放阀 DIB-1(双阀座双向密封)双阀座、每个阀座均能达到双向密封。双隔离-泄放阀 DIB-2（双阀座一个阀座单向密封一个阀座双向密封）双阀座，一个为单

2、方向密封阀座，一个为两个方向都能密封的阀座。双截断-泄放阀 DBB在关闭位置时，具有双密封副的阀门，当两密封副间的体腔通大气或排空时，阀门体腔两端的介质流动应被切断。标准还要求密封试验时，应为进口端阀座密封。图 1 固定球球阀阀座密封分类1 全焊接固定球球阀通道直径的确定在设计计算全焊接固定球球阀时，首先要确定阀体的通道直径，以便作为其他部位计算的基础。球体通到底最小直径要符合相应标准的规定。设计国标全焊接固定球球阀时，全通径球阀的最小通径应符合 GB/T 19672-2005管线阀门技术条件或 GB/T20173-2006石油、天然气工业管线输送系统管线阀门标准规定。设计美标全焊接固定球球阀

3、时，全通径球阀的最小通径应符合 API6D-2008/ISO14313:2007石油、天然气工业管道输送系统管道阀门标准规定。对于全焊接缩径固定球球阀，标准规定对于公称尺寸DN300(NPS12)的球阀，球阀公称尺寸的孔径缩小一个规格，按标准规定内径；对于公称尺寸 DN350（NPS14）DN600(NPS24)的球阀，球阀的公称尺寸的孔径缩小两个规格，按标准规定的内径尺寸；对于公称尺寸DN600(NPS24)的球阀，应和用户商定。对于没有标准规定的全焊接球阀，通常球体通道的截面积应不小于管道额定截面积的 60%，设计成缩径形式，这样可以减小球阀的结构，减轻重量，减小阀座密封面上的作用力和启、

4、闭转矩。一般采用球阀公称尺寸 DN 与球体通道直径之比等于 0.78。此时，球阀的阻力不会过大。2 球体半径的确定2设计球阀首先应根据球体通道直径和介质工作压力 p 来确定球体外圆半径 R。如图 2所示。当 =45时， , , ，所以 。如果按此式确定sin2DNRsi2=DNR则 2球体半径，则公称尺寸 DN 和球体长度 L 相等，则 DN=L。当球阀关闭时，A 点实际上仍在密封环的边缘，而不能起到密封作用。因此，L 尺寸必须增大，而使 LDN,使 A 点移到密封环的面上起到密封作用。所以，必须对上式进行修改。球阀在达到密封时，所需的密封面宽度，如图 3 所示。首先依据密封圈材料的许用比压，

5、按密封面必须比压的公式，初步算出密封圈的宽度bM(mm)：（1）/0FcKPq若阀座密封圈的材料为聚四氟乙烯，则许用比压为q=17.5MPa；c 为与密封面材料有关的系数，对于聚四氟乙烯，c=1.8；K 为在给定密封面条件下，考虑为质压力对比压值的影响系数，对于聚四氟乙烯，K=0.9。把以上数值代入式(1),经过运算，得bM =0.027p2 +0.1p+0.1 (2)上式中 p 为设计压力，通常取公称压力 PN 数值的 （MPa） 。10对于阀座密封圈用金属圈加固时，许用挤压应力可适当加大。所以不管球阀处于开启状态还是处于关闭状态，密封面与球体接触面的宽度，都不应小于 bM，L 应增加两倍密

6、封面的投影宽度，球体半径也应增大a，如图 4 所示。因为 ,所以 2a=bM,因此球体的直径应增tn12Mb加 bM,则球体半径 ，此值为达到密b2RDN封时的球体最小直径。如球体强度需加大，可适当加大球体直径。33 全焊接固定球球阀中体最小壁厚的计算（1）全焊接固定球球阀的结构形式通常有两种，即圆筒式壳体（如图 5 所示）和球形壳体( 如图 6 所示)。不过这两种结构的中体和左、右体的最小壁厚计算方法是相同的。依据 API6D-2008 和 GB/T 20173-2006 标准要求，对于全焊接固定球球阀的角焊缝强度有效系数取 0.75。按 GB/T 150-1998钢制压力容器和美国 ASM

7、E 锅炉和压力容器规范 BPVC第卷第 1 册 UG-27 受内压容器的壁厚,结合 ASME B16.34-2009法兰、螺纹和焊连接的阀门的最小壁厚计算式。笔者认为焊缝强度有效系数取 0.75，即是局部无损检测，也就是中体和颈部的焊接，属于角焊缝，只能做表面无损检测，即 MT 或 PT，不能做射线无损检测，也不能做超声波无损检测。因此，角焊缝的强度有效系数才取 0.75，也就是用加厚壁厚，增加焊缝深度，来弥补由于焊缝不能进行全面 100%的射线检测可能出现的缺陷。因此，全焊接球阀中体和左、右体的最小壁厚的计算，按 ASME B16.34-2009 中的公式，分母中的应力系数应乘以 0.75。

8、即：图 51.52.CFPdtSEp（3） t计算得出的壁厚，in ；图 64PCclass 数值，如 class600，P C=600；class900，P C=900；dC 中腔内径，in；SF基本应力系数，取 7000E焊缝强度有效系数，取 0.75C附加裕量， in，见表表 1 附加裕量 C inclassdC150 300 600 900 1500 2500 450010 0.187 0.180 0.112 0.095 0.096 0.101 0.10112 0.185 0.184 0.107 0.096 0.097 0.099 0.10113 0.188 0.181 0.109 0

9、.102 0.103 0.098 0.09714 0.182 0.178 0.111 0.097 0.098 0.097 0.10215 0.186 0.185 0.103 0.103 0.104 0.096 0.09716 0.190 0.182 0.106 0.098 0.099 0.096 0.10217 0.183 0.179 0.108 0.104 0.105 0.105 0.09718 0.187 0.176 0.110 0.099 0.100 0.104 0.10219 0.171 0.183 0.102 0.105 0.096 0.103 0.09720 0.184 0.180

10、 0.105 0.100 0.102 0.102 0.10221 0.188 0.177 0.107 0.096 0.097 0.101 0.09822 0.182 0.184 0.109 0.101 0.103 0.100 0.10323 0.186 0.181 0.101 0.097 0.098 0.099 0.09824 0.189 0.178 0.104 0.102 0.104 0.098 0.10325 0.173 0.185 0.106 0.098 0.09926 0.177 0.182 0.108 0.103 0.105 27 0.180 0.179 0.100 0.099 0.

11、101 28 0.174 0.176 0.102 0.104 0.096 29 0.178 0.183 0.105 0.100 0.102 30 0.172 0.180 0.107 0.095 0.097 32 0.179 0.184 0.101 0.096 0.098 34 0.177 0.178 0.106 0.097 0.100 35 0.180 0.185 0.098 0.103 0.105 36 0.174 0.182 0.100 0.098 0.101 38 0.171 0.176 0.105 0.099 40 0.179 0.180 0.099 0.101 41 0.173 0.

12、177 0.101 0.096 42 0.176 0.184 0.104 0.102 43 0.180 0.181 0.096 0.097 44 0.174 0.178 0.098 0.103 46 0.171 0.182 0.103 0.104 48 0.179 0.176 0.097 0.105 50 0.176 0.181 0.102 0.096 52 54 556 58 60 若按 GB/T12224-2005 标准计算最小壁厚应为：(4)161.52907.NBKPDt CSE式中：t B虑内压的最小计算壁厚，mm；PN公称压力数值；S应力系数，取 48.3MPa;DN阀体中腔最大内

13、径，mm；E焊缝强度有效系数，取 0.75；K系数，见表 2；C1附加裕量，见表 3表 2 K 系数公称压力PN 16 20 25 40 50 63100110150160250260 420K 1.25 1.25 1.0 1.0 1.0 0.91 0.91 1.0 0.97 1.0表 3 附加裕量 C1 mmPNDN 16 20 25 40 50 63100110150160250260 4206 2.93 2.9 2.9 2.84 2.80 2.77 2.60 2.68 2.70 2.7610 2.87 2.84 2.84 2.74 2.67 2.72 2.62 2.76 2.46 2.3

14、915 2.81 2.76 2.76 2.71 2.61 2.63 2.28 2.73 2.03 1.7920 2.74 2.67 3.07 3.18 3.14 3.44 3.14 3.21 2.41 2.0825 3.68 3.69 3.79 3.94 3.98 3.85 3.11 3.79 2.49 2.6832 4.38 4.28 4.28 3.96 3.74 3.59 2.63 3.56 2.70 2.5940 4.28 4.15 4.15 3.75 3.48 3.48 3.09 3.42 2.52 2.0650 4.85 4.79 4.89 4.69 4.65 4.40 3.01 3

15、.08 2.48 3.0665 4.66 4.54 4.64 4.49 4.26 4.53 2.70 3.01 2.51 1.9480 4.56 4.30 4.80 4.60 4.46 4.86 2.68 3.14 2.05 1.7390 4.63 4.93 5.23 4.74 4.43 4.48 2.50 3.19 2.50 2.12100 4.90 4.77 5.07 4.68 4.60 5.30 2.92 2.95 2.66 3.21125 4.98 5.07 5.37 4.82 4.48 4.45 2.73 3.84 2.85 3.39150 4.85 4.66 5.06 4.86 4

16、.75 4.71 2.53 4.23 3.04 3.46175 4.93 4.75 5.25 4.91 4.63 4.66 2.64 4.11 3.53 4.14200 5.10 4.64 5.24 4.85 4.60 4.61 2.45 4.20 3.52 3.726225 4.98 4.74 5.34 4.80 4.48 4.66 2.55 4.39 3.20 3.80250 4.85 4.53 5.23 4.74 4.45 4.71 2.66 4.48 3.19 3.98275 4.93 4.62 5.32 4.78 4.43 4.86 2.96 4.77 3.08 4.05300 5.

17、20 4.82 5.62 4.83 4.30 4.81 3.07 5.15 3.37 4.13325 5.28 4.91 5.81 5.17 4.78 5.16 2.57 5.54 3.56 4.01350 5.35 5.00 6.00 5.42 4.95 5.31 2.48 5.63 3.75 4.08400 5.31 4.89 5.99 5.30 4.80 7.41 2.89 6.20 3.93 4.34450 5.36 4.87 6.17 5.49 4.95 5.62 2.80 6.18 3.91 5.09500 5.41 4.86 6.26 5.38 4.81 5.72 3.21 6.

18、56 4.09 5.35550 5.36 4.75 6.35 5.57 4.95 5.92 3.13 7.53 3.97 5.50600 5.61 4.93 6.63 5.56 4.81 5.92 3.04 8.01 4.44 5.76650 5.56 4.92 6.72 5.74 4.96 6.22 2.95 8.48 4.62 6.01700 5.71 4.90 6.80 5.63 4.81 6.32 3.36 8.96 4.50 6.46750 5.56 4.79 6.89 5.82 4.96 6.52 3.27 9.13 4.68 6.72800 5.81 4.98 7.18 5.81

19、 4.81 6.53 3.48 9.71 4.86 6.97850 5.86 4.96 7.36 6.00 4.96 6.83 3.40 10.18 5.04 7.13900 5.91 4.95 6.55 6.09 5.11 7.03 3.51 10.66 5.22 7.38950 5.86 4.83 7.53 6.07 4.96 7.43 3.72 11.14 5.40 7.641000 6.11 5.02 7.82 6.26 5.11 7.33 3.63 11.61 5.57 8.091050 6.16 5.01 7.91 6.25 4.96 7.33 3.74 12.09 5.75 8.

20、351100 6.11 4.99 8.09 6.34 5.11 7.64 3.65 12.56 5.63 8.501150 6.06 4.88 8.18 6.53 5.26 7.94 3.86 13.04 5.81 8.761200 6.32 5.06 8.46 6.51 5.11 7.94 3.78 13.41 5.99 9.011250 6.37 5.05 8.55 6.70 5.26 8.14 3.89 13.69 6.17 9.46（2）壳体开孔补强的要求1）不另行补强 设计压力 2.5MPa 两相邻开孔中心间的距离（对于曲面间距以弧长计算）应小于两孔直径之和的两倍； 接管公称外径 8

21、9mm； 接管最小壁厚满足表 4 要求表 4 接管最小壁厚 mm接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89最小壁厚 3.5 3.5 3.5 4.0 4.0 5.0 5.0 6.0 6.07注： 钢材的标准抗拉强度下限值 RM540MPa,接管与壳体的连接宜采用全焊透的结 a构型式。接管腐蚀裕量为 1mm。 b2）平盖开孔补强要求见 GB150 第 8.6 节。3）通过开孔中心，且垂直于壳体表面的截面上的最小补强面积按下列要求确定：圆筒或球壳开孔所需补偿面积按式 5 计算：（5）et1rAdf式中：A开孔削弱所需要的补强截面积， mm2；d开孔直径，圆形孔取接管内直径加

22、2 倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量）,mm;壳体开孔处的计算厚度，mm；对于圆筒壳体：（6）2CitPD对于球形壳体：（7）4Cit式中：P C计算压力，MPa；Di圆筒或球壳的内直径，mm；t设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，MPa.按 GB150 第 4 章，角焊缝强度有效系数，按 API6D,取 0.75。et接管有效厚度， et=nt-C，mm式中： nt接管名义厚度， mmC厚度附加量， mm C=C1+C2式中：C 1钢材厚度负偏差，钢管的厚度负偏差按钢材标准规定，当钢材的厚度负偏差不大于 0.25mm，且不超过名义厚度 6%时。偏差可以

23、忽略不计。C2腐蚀裕量， mm；介质为天然气，C 21.5mmfr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当此值不大于 1.0 时，取 fr=1.0。圆筒或球壳补强厚度：圆筒壳体按式 6球形壳体按式 74 全焊接固定球球阀密封比压的计算（1）单向密封球阀密封比压的计算如图 7 所示。球体 5 安装在两个滑动轴承 3 中，阀座安装于活动套筒 6 内，活动套筒在阀体中靠 O 形圈 14 与阀体孔密封，阀座借助弹簧组12 预压紧球体。介质进口端阀座，在球体关闭时，靠阀座密封圈内径 DMN 和进口密封套筒外径 DJH 所形成的环形面积上的介质作用力压紧球体，以达到球阀的密封。密封

24、的可靠性在很大程度上取决于密封面平均直径 DMP 与套筒外径 DJH 之比。如果 DJH 和 DMP 的比值不够大时，球阀将不能保证可靠密封。另一方面，如果 DJH 过大将造成阀座密封圈过载，而使球阀的开关转矩加大，阀门磨损加快。1）进口端阀座对球体的压力（N ）：8FQ=FZJ+FTH (8)式中 FZJ介质经阀座压在球体上的力（N） ，按式（9）计算；FTH弹簧组压紧力（ N）,按式（10）计算。(9)24JHMZJpD式中 DJH活动套筒外径（mm） ；DMN阀座密封面内径（mm） ；p设计压力，取公称压力的 110（MPa） 。(10)THMYF式中 FMY阀座密封圈对球体的预紧力（N

25、） 、按式（11）计算；FMM阀座密封圈上的 O 形圈与阀体孔之间的摩擦力（N） ，按式（12）计算。（11）min24MYMYWNDq式中 DMW阀座密封面外径（mm） ；qMY min阀座预紧密封的最小比压，对于 PTFE，q MY min=1.6MPa。则式 改写成： 。min2MYMYWNF220.4MYMWNFD（12）fJHmFbZ式中 DJH活动套筒外径（mm） ；O 形圈与阀体内孔的接触宽度（ mm） ；取 O 形圈断面半径的 ；m 13ZO 形圈个数；取两个；密封比压(MPa), ；若 O 形圈断面取 5.3mm，O 形圈密封与压qF o0.46pq/1mFb力关系不大，故体

26、腔内压力取 po=0MPa,则：q MF=1.35MPa；f 为橡胶 O形圈与阀体孔的摩擦系数，取 f=0.4。则 (13)3.140.832.5043MJHJHDD因此 2+ 0.785p.QZJTMYNWMNJFF2.6.7p16H2)阀座密封面上的实际工作比压。阀座密封面工作比压（MPa）：（14）qMHA9图 7 单向密封全焊接固定球球阀结构1阀体；2支撑板；3滑动轴承；4轴承；5阀体；6阀座支撑圈；7键；8阀杆；9防静电装置；10阀座注脂孔；11注脂管； 12弹簧；13防火垫；14O 形圈；15卡紧圈式中 N阀座密封圈对球体的法向压力（ N）, ；QF=COSAMH密封圈环带面积（m

27、m 2） ，A MH= 。12Rl则 0.785p3.60.785p1.26cosq=2shcosQJHJMWNMHFDDRh（15）2p3.8161.6JMWND（2）双向密封球阀密封比压的计算双向密封球阀和单向密封一样，球阀的进口端和出口端使用同样的单向密封阀座，就得到双向密封固定球球阀。其双向密封球阀的密封比压，同单向密封球阀。（3）双阀座双向密封球阀阀座密封比压的计算1）进口端阀座密封比压的计算:其计算方法和计算式同单向密封球阀的阀座计算式。2）体腔内介质压力对阀座产生的比压的计算:出口端密封的固定球球阀的基本特点是: 当阀门关闭后，密封力是由中腔介质压力产生的，用以保证球阀密封。这样

28、就减少了球体支承轴承的载荷。图 8 双向密封全焊接固定球球阀1阀体；2支撑板；3滑动轴承；4轴承；5球体；6阀座支承圈；7键；8阀10杆；9防静电装置；10阀座注脂孔；11O 形圈；12弹簧其结构如图 8 所示，与进口密封相比，结构上的主要区别在于活动套筒阀座密封直径 DHW 小于阀座密封面的平均直径 DMP 。阀座对球体的压力：1FQ= FZJ+ FTH (16)式中 FZJ介质经阀座压在球体上的力（N） ，按式（17）计算；FTH弹簧组压紧力（ N） ，按式（18）计算。22pp44JHWJHMWZJJD(17)2MWH式中 DJH活动套筒外径（mm） ；DHW密封外径（mm） ；DMW密

29、封面外径(mm)。FTH= FMY+ FMM (18)式中 FMY阀座密封圈对球体的预紧力(N)，按式(l9) 计算；FMM阀座支承圈上的 O 形圈与活动套之间的摩擦力(N)，按式(20)计算；（19）2MYminq4WMNY式中 DMN阀座密封面内径(mm)；qMYmin阀座预紧密封的最小比压，对于 PTFE, qMYmin=1.6MPa,则式（19）改写成 。2Y F0.4MWND（20）Mm FbHWMZf式中 DHM密封外径(mm)；O 形圈与阀座密封外径的接触宽度 (mm)；取 O 形圈断面半径的 ； 13ZO 形圈个数，取一个；qMF密封比压(MPa )， ；若 O 形圈断面积取

30、5.3mm，O 形0.46pq/1oMFmb圈密封与压力关系不大，故取 po=0MPa,则：q MF=1.35MPa；f橡胶 O 形圈与阀座密封套的摩擦系数。若取 f=0.4,则 3.140.831.604.5MHWHWFDD所以 QJTMJYF220.785.51.HHMNHp(21)21.607856MWWNDDpD11阀座密封面的实际工作比压（MPa）：qMHNA式中 N密封圈对球体的法向压力 (N)， ；NcosQFAMH密封圈环带面积(mm 2)， 12MHARl20.785p+160.785p.6coscosQMWHWNHFDDqRhRh2 2p+1.6.9sMWHMN5 体腔内介

31、质压力超过 1. 33p 时，阀座自动泄压的计算根据国家标准 GB/T 19672-2005, GB/T 20173-2006 和美国石油学会标准 API6D-2008 及国际标准化组织标准 ISO14313:2007 要求，当输送的介质为烃类介质，在阀门关闭或开启后，有可能把介质截留在阀体中腔，当温度升高时，压力会上升，当压力升高到额定压力的 1.33 倍时，中腔应有自动泄压装置。实现自动泄压的方法有三种：1） 中腔安装安全泄压阀，安全阀的整定压力为额定压力的 1.33 倍。当中腔压力超过额定压力的 1.33 倍时，安全阀自动开启，排放多余介质，当中腔压力降到 1.33倍额定压力后，安全阀自

32、动关闭。2） 在球体上安装一个止回阀，当中腔压力超过 1.33 倍额定压为时，止回阀自动开启，排放多余介质，当中腔压力降到 1.33 倍额定压力以下时，止回阀自动关闭。该止回阀开启压差较小，难以设计，又止回阀需安装在球体上，在球体上需铣出平面，若球面和平面相交处加工不圆滑,在球阀启闭过程中，会划伤密封面。3）按标准要求，该球阀设计成一个阀座单向密封，一个阀座双向密封。单向密封阀座设计为当中腔介质压力上升到 1.33 倍额定压力时，单向密封阀座被自动推开，排放多余介质，当压力下降到 1.33 倍额定压力以下时，阀座自动复位，仍起到密封作用。又因为出口端阀座为双向密封阀座，介质肯定不会泄漏到出口端

33、。中腔介质泄放到进口端或出口端按用户要求，因在阀体上有单向密封阀座和双向密封阀座的标牌，只要用户按标牌位置安装，一定能满足要求。腔体内介质压力超过 1.33 倍时，自动泄压阀座计算式如下：222MYmin1.3ppDq+444JHMWJHNWMNDi.JJ对于聚四氟乙烯密封圈，当设计 CL600 球阀时，q MYmin =0.2p。则 1.33（D 2JH- D2MW） （D 2JH- D2MN）+0.2（D 2MW- D2MN）1.33D2JH-1.33 D2MW D 2JH- D2MN+0.2D2MW- 0.2D2MN0.33D2JH1.53 D 2MW-1.2D2MN(23)1.53.0

34、MWNJH126 固定球球阀转矩的计算（1）单向密封阀座M= Mm+ MT+ Mu+ Mc式中 Mm阀座密封圈与球体间的摩擦转矩（Nmm） ；MT阀杆与填料间的摩擦转矩（Nmm） ；Mu阀杆台肩与止推垫间的摩擦转矩（Nmm） ；Mc轴承的摩擦转矩（Nmm） 。1）阀座密封圈与球体间的摩擦转矩的计算:Mm=Mm0+Mm1式中 Mm0进口端阀座密封圈与球体间的摩擦力矩（Nmm） ；Mm1出口端阀座密封圈与球体间的摩擦力矩（Nmm） ；考虑出口端阀座弹簧组的预紧比压。20 p3.816p1.6cos1cos2cosJHMWNQmT TRDDF 式中 FQ进口端阀座密封圈对球体的作用力(N) ；R球体

35、的半径(mm)；密封面对球体中心的倾角（） ；T密封圈与球体间的摩擦系数，对于 PTFE 取 T=0.05，RPTFE 取 T=0.070.12，尼龙取 T=0.100.15，填充尼龙取T=0.320.37，MOLON 取 T=0.060.10，DEVLON 取T=0.060.12，PEEK 取 T=0.100.15，橡胶（无润滑）T=0.30.4，橡胶（有润滑） T=0.15。1()(1cos2MYmFR0.43.0)WNJHTD2296(cscosMR（ ）式中 FMY阀座密封圈的预紧力(N)；FMM活动套筒 O 形圈与阀体阀座孔间的摩擦力(N)；R球体半径(mm)；密封面对球体中心的倾角

36、（） ；T密封圈与球体间的摩擦系数。Mm= Mm0+Mm12 22p3.86p1.6cos0.4.0.96(1cos)cos csJHWMNTMWNJHTDDRD （ ）（24）2()3.()7.68sTJHWNJHR 2）阀杆与填料间的摩擦转矩的计算：根据密封理论，当被密封部位的实际比压等于或大于所必须的密封比压时，就能达到密封要求，即：q=q0+qp1.2p0式中 q0填料压盖的压紧力产生初始的密封比压(MPa)；13qp介质压力 P 的作用力而产生的比压(MPa) ；q总的密封比压(MPa)。qp 的大小随压力 p 的变化而变化，当 qp 增大到一定值时，即使因磨损等原因，使预紧力消失（

37、即 q0=0） ，只要保证 qp=1.2p0，也能使填料具有良好的密封性能。填料料与阀杆之间的摩擦力 FT(N)，可按下式计算:1.2dhTTFZ式中 阀杆与填料间的摩擦系数；Z填料圈数；h单圈填料高度(mm)；p设计压力，取公称压力 PN 数值的 110 (MPa )；dT阀杆与填料接触部分直径（mm） 。填料若为 O 形橡胶密封圈，其摩擦力的计算如下： 0(.392)TF填料与阀杆之间摩擦转矩的计算：V 形及圆环形填料的摩擦转矩（ Nmm）:（25）221.d.6d2TTTMZhphpO 形密封圈与阀杆之间的摩擦转矩（ Nmm）:（26）20(.39)TTF式中 阀杆与 O 形密封圈接触部

38、分的直径（ mm） ；d橡胶对金属的摩擦系数， =0.30.4；有润滑油时 =0.15；00 0d0O 形密封圈横截面直径（ mm） 。3）阀杆台肩与止推垫之间摩擦转矩的计算：阀杆在介质压力的作用下，其台肩紧贴并压紧止推垫，当阀杆旋转时，便产生了摩擦力。考虑到止推垫其主要作用是减小摩擦力，增加密封性能，为此按平均直径计算摩擦力，一般止推垫材料为聚四氟乙烯（PTFE） 。阀杆台肩与止推垫间摩擦力 Fu(N)：2(d)p16uTFD式中 DT台肩外径或止推垫外径（ mm） ；取较小者；dT阀杆直径（mm） ；摩擦系数。阀杆台肩与止推垫间摩擦转矩： 2u d1()p()216TTTDMF（ ） =（

39、27）3(d)p64TD4）阀杆轴承摩擦转矩的计算：固定球球阀的轴承承受着较大的径向作用力，旋转时14会产生大的摩擦力，为降低此摩擦力，在球体轴颈处或阀杆支承套外径处可以安装滑动轴承或滚动轴承，以减小摩擦力，降低开启或关闭时的转矩。在介质压力作用下，上下轴承受到的总推力 Fc(N):2cp4JHFD式中 DJH活动套筒外径（mm） ；p进口端介质工作压力（MPa） 。对于进口密封阀座，弹簧组产生的预紧力对轴承的径向作用力，可忽略不计。阀杆轴承摩擦转矩（Nmm）：（28）22cc1=d248ZJJHZcJHZcMFpdDpd式中 dZJ球体轴颈或支承套外径（mm） ；摩擦系数。对于 FS-1 自

40、润滑轴承， =0.040.20； JDB 固体镶嵌式润滑轴承，cc=0.16，对于滚动轴承 =0.002。c（2）双向密封阀座若出口端阀座结构和进口端阀座结构设计相同，即进出口端阀座为同一设计结构，则为双向密封阀座固定球球阀，其阀杆转矩计算同单向密封阀座球阀。（3）双阀座双向密封球阀1) 双方向进口端阀座密封转矩的计算，同单向密封阀座计算式。2) 双方向出口端阀座密封的转矩计算 (Nmm):M=Mm+ MT+ Mu +Mc出口端阀座密封圈与球体间的摩擦转矩(N mm)m1(cos)2QTFRM2.6(3.8)16(cos)4cosWHWMNTDpDR 2 2(1.)(.)(1)TMRp在两个阀

41、座同时密封时：Mm=2Mm1,则 （29）2 2(.6)(3.8)6(1cos)4cosTMWHWMNmRDpD 阀杆与填料间的摩擦转矩 MT:同单向密封阀座计算式。阀杆台肩与止推垫之间的摩擦力矩 Mu:其计算式同单向密封阀座计算式。轴承摩擦转矩 Mc:其计算式同单向密封阀座计算式。(4) 双阀座，一个阀座单向密封，一个阐座双向密封球阀。1) 单向密封阀座的转矩计算式同单向密封阀座计算式。2) 双阀座双向密封阀座的转矩计算式同双阀座双向密封球阀转矩计算式。(5) 双截断排放阀当阀门关闭时，进口端与出口端同时加介质压力，体腔通大气时的转矩计算式:M=Mm+ MT+ Mu Mc151) 阀座密封圈

42、对球体的摩擦转矩 Mm （Nmm）：Mm=2Mm02m0(3.8)16(1.6)cos)cosJHWNTRDpDpM (30)20. .(=2 4JHM2）阀杆与填料间的摩擦转矩 MT(Nmm):若填料为 V 形填料或圆环形填料，其计算式为 MT=0.6 ，由于中腔的介质压力为零。因此摩擦转矩为零。2TdZhp若填料为 O 形密封圈填料，其摩擦转矩的计算式为 ,由于中腔的介201(.39)Tddp质压力为零。则摩擦转矩为(31)2 22T011(.39)0.365TTddp3）阀杆台肩与止退垫间的摩擦转矩 Mu：由于双截断排放阀中腔没有介质压力，根据转矩计算式: ,因此摩擦转矩为零。3uM()

43、64TD4）轴承的摩擦转矩 Mc (Nmm)：对于双截断排放阀，是两个阀座同时受两个方向的力，理论上讲作用力等于零。但实际上，由于制造精度等原因，还会存在一定的摩擦转矩，可按 0.1p 计算，因此：2c0.18JHZJTpd(32)D7 固定球球阀滑动轴承的承载能力固定球球阀球体轴颈和支承套外径上的滑动轴承在工作中承受着较大的径向力，轴承设计时应使面压值 qc (MPa)小于许用面压值q c(MPa)：qcq c设计面压值按一个轴承计算，受压面为轴承的投影面积，即 dFH，这样设计面压值为(33)2c8JHcFDpqd式中 dF球体轴颈和支承套外径(mm) ；DJH活动套筒外径(mm)；H轴承

44、长度 (mm)；H=(1 1.2)d F；qc许用面压值(MPa)，对于 SF-1 自润滑轴承 qc=100MPa；对于 JDB 固体镶嵌式润滑轴承q c=60.0MPa。8 固定球球阀阀杆与球体连接部分强度计由于阀杆与球体的连接部分是间隙配合，因此，在接触面上的比压分布是不均匀的，16如图 9 所示。由分析可知，计算时，可近似地采用挤压长 LZY=0.3a(mm)。而作用力矩的臂长 K=0.8amm, 则挤压应力 按式(34)计ZY算：（34）m20.1aZYZYMh式中 a如图 9 所示，正方形边长，矩形的边长（mm） ；h阀杆头部插入球体的深度(mm)；材料许用挤压应力(MPa)，按球图

45、 9 阀杆与球体连接部分的应力分布ZY体材料； a)正方形阀杆头部 b)矩形阀杆头部Mm阀体密封圈对球体的摩擦力矩(Nmm) 。按等强度条件考虑，即挤压应力等于扭转应力，一般取 h=1.8amm。但实际设计时，受到球体尺寸的限制，h 不能过大，为了减小挤压应力，往往加大接触面的尺寸，即加大尺寸a。零件中 a 和 h 尺寸的比例应选择适当。当 h 过大时影响球体尺寸，当头部插入过浅时，孔就迅速磨损，最好比例是，当零件受挤压和扭转时，按等强度条件选取，即:MFJ=MFN或 230.10.8zy结果 zy74ha式中 MFJ按挤压条件，球体方孔的许用力矩 (Nmm)；MFN按扭转强度条件，方形头部传

46、递的许用力矩(Nmm) ；h方头插入球槽深度(mm)；a方头边长(mm)；球体材料许用挤压应力(MPa)，按下式计算: =Rm/n, Rm 为材料抗拉强度(MPa );n 为安全系数，zy zy取 n=2.3；许用切应力(MPa)。9 固定球球阀阀杆强度验算如图 10 所示。为固定球球阀阀杆的典型结构，根据受力况，需校验-、- 、-、- 四个截面。（1）-断面处的扭应力 的计算- 断面形状如图 11 所示：(35)m1NMW式中 Mm阀座密封圈与球体之间的摩擦转矩(Nmm)；材料的许用扭转应力(MPa)，见表 4；17W1- 断面的抗扭截面系数(mm 3)；对于正方形断面(mm 3) ；31bW4.8对于矩形断面(mm 3)： ；式中 值根据 b/a 的比值按21W0.9ab表 5 选取。图 10 固定球球阀阀杆典型结构表 4 材料的许用扭转应力材料 /MPaN35 12040Cr 18038CrMoAL 19025Cr2MoV 18014Cr17Ni2 1651820Cr13 14512Cr18Ni9 9006Cr17Ni12Mo2Ti 95表 5 系数 的值b/a 1 1.2 1.5 2 2.5 3.0 4.0 6.0 8.00.208 0.219 0.231 0.246 0.258 0.267 0.