基于proe的球阀的设计.docx

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基于proe的球阀的设计

毕业论文

题目基于PRO/E的球阀的设计

姓名：

___________

学号：

__________

所在院系：

____机电工程学院____

所学专业：

____机械制造与自动化

指导教师：

________________

毕业设计（论文）任务书

课题名称

基于PRO/E的球阀的设计

系别

机电工程学院

专业

机械制造与自动化

学生姓名

学号

指导教师

单位/职称

机电系/讲师

完成时间

2011·12·20

成果形式

毕业设计

基于PRO/E的球阀的设计

课题描述：

通过对球阀的设计，了解机械结构的组成原理和设计思路，熟练应用PRO/E软件进行三维实体的绘制和虚拟装配，并对其中主体零件进行相应的工艺分析。

课题要求：

①充分结合所学知识，对机械结构的设计原则和方法、pro/e的设计过程，零件的工艺分析做全面的阐述。

②通过对球阀零件图的了解，进行相应的三维设计，完成所有图形的三维设计之后，进行零件的虚拟装配，装配完成之后进行爆炸图的绘制，并选取其中相应的主体零件进行工艺分析，写出相应的加工方案。

注：

（1）读懂相应的零件图形，并进行正确图形绘制

（2）在零件装配过程中了解球阀的工作原理，并叙述其原理

（3）简述球阀的装配过程

（4）选择主体零件生成二维图形，形成完整规范的零件图

（5）对该主体零件进行工艺分析，工序划分，刀具选择

论文字数在7000以上字。

指导步骤：

①回顾机械设计制造内容。

②对球阀进行三维创新设计，虚拟装配

③对相应零件进行工艺分析

毕业设计（论文）评审表

拟选题目：

基于PRO/E的球阀的设计

选题依据及研究意义：

学习阀门设计的基础知识，复习机械制图、工程力学、公差配合、材料力学等基础知识；通过对阀门实物的测绘了解各类阀门的内部结构与功能，了解阀门各个零件的加工工艺、装配过程，初步了解阀门的使用及维修，清晰的认识阀门的设计和加工流程，锻炼自己的专业能力，特别在机械制图、材料力学和工程力学等方面能有提高。

在解决问题的过程中提升了自己的水平，懂得了知识和技术的重要性提高创新的能力。

选题的研究现状：

球阀是上世纪50年代问世的一种新型阀门。

在短短的30多年里，球阀已发展成为一种主要的阀类，它在航空航天、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。

球阀不仅在一般工业管道上得到了广泛应用，而且在核工业、宇航工业的液氧与液轻输送管线上普遍采用。

研究的主要内容、创新点及重难点：

（1）建立球阀的三维模型

通过pro/e三维软件对球阀零件进行实体建模，并进行装配。

（3）球阀结构及原理分析

对球阀的三维模型进行适当简化，分析个零件结构的配合组装，以及球阀的工作原理和工作状态。

研究进程与安排：

第一周用pro/e完成球阀零件三维建模。

第二周完成球阀装配。

第三周整理论文材料。

第四周答辩。

主要参考文献：

[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.

[3]李雪梅,丁峰.气控流量调节阀的设计与应用[J].流体传动与控制,2006.

[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.

[6]庞明军,张锁龙.大口径球阀的阀体设计和三维数值模拟[J].化工机械,2005.

其他说明：

指导老师意见

指导老师签名：

年月日

指导老师小组意见

指导老师小组负责人：

年月日

系部主任审核意见：

1.通过；2.完善后通过；3.未通过；

负责人：

年月日

摘要

球阀，GB/T21465-2020《阀门术语》中概念为：

启闭件（球体）由阀杆带动，并绕阀杆的轴线作旋转运动的阀门。

要紧用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流体的调剂与操纵，其中硬密封V型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，专门适用于含纤维、微小固体颗料等介质。

而多通球阀在管道上不仅可灵活操纵介质的合流、分流、及流向的切换，同时也可关闭任一通道而使另外两个通道相连。

本类阀门在管道中一样应当水平安装。

球阀问世于20世纪50年代，随着科学技术的飞速进展，生产工艺及产品结构的不断改良，在短短的40年时刻里，已迅速进展成为一种要紧的阀类。

在西方工业发达的国家，球阀的利用正在逐年不断的上升，在我国，球阀被普遍的应用在石油炼制、长输管线、化工、造纸、电力、市政、钢铁等行业，在国民经济中占有举足轻重的地位。

球阀由阀盖、阀体、阀杆、球体和扳手组成，普遍应用与化学工业，它是操纵流体流通的“开关”。

本文要紧简单论述一下用于无侵蚀性石油管路中的球阀阀体的数控加工方式，公称压力为4牛/平方毫米，工作温度≤

C.

关键词：

球阀；密封；进展；阀体；数控加工；固定球阀；Pro/E三维建模

摘要·······································································I

前言······································································1

第一章绪论·····························································2

课题研究的背景····················································2

国内外操纵阀的进展现状····································2

国内外的研究动态······································3

课题研究的领域····················································5

操纵阀在各生产领域中的应用·······························5

第二章球阀的简单分析·················································6

球阀的功用和用途··················································6

球阀的工作原理··············································6

球阀的要紧特点·····················································7

设计需达到技术要求·················································8

．1阀体························································8

、2球体························································8

．3阀杆························································9

第三章球阀的类型结构及其材料·····································9

球阀的类型······················································9

球阀的结构························································10

球阀中各结构组成部份的材料······································10

球阀的密封性·····················································10

．1阻碍球阀密封性的要紧因素··································11

第四章球阀的保护、保养、安装和利用等注意事项····················11

操作·······························································11

保护、保养、安装和利用注意事项····································11

可能发生的故障及排除方法·········································13

球阀的部份参数品级···············································13

要紧零部件材料和设计采纳标准····································13

第五章固定球阀实体模型的成立·····································14

阀体零件的实体构建···································16

结论·····················································27

致谢······································································28

参考文献································································29

前言

最近几年来，高等职业教育迅速进展。

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，质量稳固，专门适应多品种，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，通过三年的职业教育，依照教师的要求，综合运用所学知识，通过查找资料，可否保质保量地完成毕业设计任务，是查验毕业生合格与否标准。

本人通过周密试探，认真总结，认真挑选，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

课题研究的背景

国内外操纵阀的进展现状

从19世纪操纵阀应用在蒸汽机开始直到今天，操纵阀已经进展成为全世界年产值约为200亿美元的产业，而且随着全世界性工业化的进展，维持着稳固的增加。

目前，全世界的操纵阀市场犹如大部份工业品一样被三个经济体瓜分，别离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域，和以日本为代表的亚太地域。

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世界一半产值下降到此刻的30%左右，仍然是全世界的最大的阀门供给商。

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增强，阀门企业开始通过收购本土和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重，现在美国的阀门企业多数属于某个超大型跨国公司的一部份。

闻名的TYCO流体操纵公司是年度销售额340亿美元的TYCO国际的子公司；MASONEILAN公司是DRESSER工业公司的一部份，其年销售额超过3亿美元；1984年就在中国开展业务的FISHER操纵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取得了迅速的恢复，德国产品凭借其优良的质量迅速占据了欧洲市场，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维持着中小型私营企业的特点，目前方才开始类似美国的企业并购，但尚未形成类似美国的大的跨国公司。

德国的操纵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的地方。

SAMSON公司作为德国操纵阀行业的领军者，销售额超过4亿欧元，从1909年发明的波纹管开始，一直在操纵阀领域维持技术和质量的领先。

AUMA公司是世界上最大的专业生产操纵阀用的电动执行器的企业之一，销售额在亿欧元左右，其在电动执行机构上的技术领先使其维持着庞大的竞争优势。

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，操纵阀是其出口的要紧产品。

作为中国的近邻，日本的操纵阀企业早在60年代就来到中国，至今为止，日本的操纵阀企业是目前国内合伙企业的最大的合作外方。

YAMATAKE、KOSO等几家日本最闻名的操纵阀生产商目前和国内的多家公司进行了合伙，其产品由于价钱适中，质量较好，迅速占据了国内的中低端市场。

一样，在日本本国生产的操纵阀在制造质量和技术上领先于合伙企业，维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。

造成这种局面的缘故要紧有以下两个方面：

第一，从科研人员组成及经费投入情形来看，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。

第二，在劳动生产率方面，美国每人每一年万美元，日本每人每一年万美元，而我国平均每人每一年只有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加倍困难。

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，操纵阀生产行业正处于一个超级有利的进展时期。

这要紧得益于国家经济持续稳固进展，固定资产投资慢慢扩大。

尤其是西气东输、西电东送、南水北调等工程的动工建设，需要大量的操纵阀产品与之配套；再加上入世后，国际贸易门坎降低和发达国家调整产品结构，使我国操纵阀产品的加工制造面临更大的进展空间。

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，但它是近几年来进展最快的阀门品种之一。

专门是在美、德、日、法、意、西、英等工业发达国家，球阀的利用超级普遍，利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、优良的调剂性能和一阀多功能方向进展，其靠得住性及其他性能指标均达到较高水平，并已部份取代闸阀、截止阀、节流阀。

它在航天、石油化工、长输管线、轻工食物、建筑等许多方面都取得了普遍的应用。

阀体是球阀的要紧承载结构，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。

阀体结构的设计是不是合理，将直接阻碍球阀的利用性能。

因此，在对球阀进行动态分析时，其要紧的分析部件确实是阀体。

球阀阀体的结构分析和计算要紧有两种方式:

经典力学方式和有限元计算方式。

经典力学方式需要对受力系统作大量简化和假设，且计算繁杂、精度差，阻碍球阀结构的合理化和靠得住性[1]。

有限元法是在近几年代进展起来的强有力的数值分析方式，它通过运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份，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运算机硬件处置技术的高速进展，计算效率高，实际应用愈来愈普遍。

目前，国内外在结构动态领域的研究十分活跃，专门是美国、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进展方向之一。

而我国在这一领域的研究还比较掉队。

结构动态设计的

内容十分丰硕，涉及现代动态分析方式、运算机技术、产品结构力学理论、设计方式学等众多学科范围，目前尚未形成一套完整的结构动态设计理论方式和体系[2]。

结构动态设计的要紧内容包括两个方面：

一是成立一个符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式。

其进程是：

对知足工作性能要求的产品初步设计图样或需要改良的产品实物进行力学建模，并作动态特性分析，然后依如实际情形，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]。

我国操纵阀行业要进展就必然要实施技术创新，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操纵阀产品，以适应现代工业对操纵阀的需求。

有限元分析方式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实验研究相结合，呈现多样化的局面。

如江苏工业学院的张锁龙采纳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成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操纵阀进行了仿真设计及动态或静态的分析[9-17]。

能够看出，目前，国内己经把有限元法作为操纵阀的静态分析和动态分析的重要手腕，球阀各部份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。

课题研究的领域

．1操纵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

球阀的功用和用途

由于球阀通经常使用橡胶、尼龙和聚四氟乙烯作为阀座密封圈材料，因此它的利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，于塑料阀座之间彼此压紧来完成的（浮动球球阀）。

阀座密封圈在必然的接触压力作用下，局部地域发生弹塑变形。

这一变形能够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纳塑料制成，故在选择球阀的结构和性能上，要考虑球阀的耐火和防火，专门是在石油、化工、冶金等部门，在易燃、易爆介质的设备和管路系统中利用球阀，更应注意耐火和防火。

通常，在双位调剂、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，推荐利用球阀。

球阀也适用于轻型结构、低压截止（压差小）、侵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，需利用通过严格脱脂处置的球阀。

在输油管线和输气管线中的主管线需埋设在地下时，需利用全通径焊接式球阀。

在要求具有调剂性能时，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。

球阀的工作原理

球阀的工作原理是靠旋转球体来使畅通或闭塞。

球阀开关轻便，体积小，能够做成专门大口径，密封靠得住，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，在各行业取得普遍的应用。

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。

这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。

还应考虑利用年限、防火、防静电、外观及便于制造、安装利用、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。

球阀在管路中要紧用来做切断、分派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够关闭周密。

球阀最适宜做开关、切断阀利用，但近来的进展已将球阀设计成使它具有节流和操纵流量之用，如V型球阀。

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。

现在液体通路被球心阻塞，呈关闭断流状态。

转动扳手9，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、阀体接头内孔慢慢接通。

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，现在液体的阻力最小，流过阀的流量为最大。

转动扳手9处于不同位置时，流过阀的液体流量不同，从而起到操纵液体流量的作用。

球阀的要紧特点

球阀的要紧特点是本身结构紧凑，密封靠得住，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、酸和天然气等一样工作介质，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，在各行业取得普遍的应用。

球阀阀体能够是整体的，也能够是组合式的。

优势：

1．流体阻力小。

一样有缩经和全通径两种结构。

不管哪一种结构，球阀的流阻系数都是很小的。

专门是全通经球阀，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．紧密靠得住，两个密封面，而且目前球阀的密封面材料普遍利用各类塑料，密封性好，能实现完全密封。

在真空系统中也已普遍利用。

4．启闭迅速球阀在一样情形下只需要转动90°就可完成了全开或全关动作，因此很容易实现启闭，启闭时刻少，便于远距离的操纵。

5．维修方便，球阀结构简单，密封圈一样都是活动的，拆卸改换都比较方便。

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，可不能引发阀门密封面的侵蚀。

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．靠得住性高。

阀的靠得住性高要紧的缘故是：

一、球体与阀座是硬密封因此密封圈可不能因高温而融化，能够在高温的工作条件下适用。

二、阀杆设计成在工作环境中拆去填料压盖阀杆可不能飞出的结构，排除填料压盖松开而飞出的事故隐患；3、采纳防静电装置，适用于输送石油、天然气、煤气的管线。

9．由于球阀在启闭进程中有擦拭性，因此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，高温中不易利用。

设计需达到技术要求

．1阀体

1．阀体壁厚应符合ASME的要求。

2．法兰连接阀门的结构长度应符合ASME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的规定

4．阀门零件材料的抗侵蚀性应不低于阀体材料。

．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。

球体材料的抗侵蚀性应不低于阀体材料。

．3阀杆

阀杆应设计成当填料或填料压盖拆除后能避免内压使阀杆冲出的防阀杆冲

出装置。

阀杆材料的抗侵蚀性应不低于阀体材料。

第三章球阀的类型、结构及其材料

球阀类型

球阀的结构形式和品种规格超级之多，依照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：

其要紧特点是球体无支撑轴球体以阀门进出口两头的阀座为支撑。

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。

因此，固定球球阀的转矩小，阀座变形小，密封性