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。