浙江水利水电学院（设计）
Q0?QMJ?Q1?Q2?QJ?192940.44?8110.62?22384.63?40553.1
?Q0?138113.33 N
此时，密封圈材料密封面为危险截面，经校核，密封面上的压强为：
P0?Q0138113.33??71.52MPa???A?140MPa AMJ1931.1?设计在正常工作环境下特殊装置未开启时为安全。
③ 正常工作状况下密封力的计算——特殊装置开启瞬间
图7 特殊装置开启时密封力
本设计特殊装置在球体即将转动瞬间开启。当本设计特殊装置开启时，高压流体被导入到预设的储油室内(储油室相关内容将在下文着重介绍)，并给阀座一个指向流体流入方向的作用力QD，以达到减小球体转动时密封圈与球体间的作用力的设计目的。
QD?QT?QMJ?Q2''=13000?192940.44+Q2''
Q2''=22384.63?(3.14?D3?0.25?3.14?D3?42?3.81?0.1)?(3.14?D4?0.25?3.14?D4?42?3.81?0.1)?Q2''?22384.63?51.03(D3?D4) ?QD?228325.07?51.03(D3?D4)
又因 QD??422?PN?(D4-D3)
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22 ??PN?(D4-D3)?228325.07?51.03(D3?D4)
4?由上述关系式可得出D4和D3的相对关系：
2232.97D4?51.03D4?32.97D3?51.03D3?228325.07
选定D4?243.4mm，则D3?227.13mm。选定D3?227mm。
综上，取定以上保证球阀密封性的相关参数并以此为依据进行下面的设计。
4. 球阀主要零件的设计
4.1球体设计与计算
4.1.1 球体的结构设计
固定球球阀球体结构设计主要涉及球体尺寸、球体的定位结构、球体的传动结构、球体表面粗糙度的选定，球体材料初定为A105N。
其中球体直径已于上文算得SD?332mm，球体 内通道直径加工尺寸与阀门通径数值上相等，取
DL?DN?180mm，导流孔内壁粗糙度对流经流体压
力损耗有直接影响，其要求需尽量设高，综合考虑取
Ra?3.2?m。 图8 球体结构
在流体静压力很低的情况下，流体通道两端在启闭过程中与密封面材料有剪切作用力存在，故结构设计中对其进行倒圆角设计，取圆角半径R?1.5mm。球体表面和该倒圆角处都有明确的表面粗糙度要求，本设计取粗糙度值为。 Ra?0.4?m球体的定位主要有球体通道水平高度的定位和球体转动轴定位两部分。通道水平高度的定位由球体上下两个平行环面支持，平行环面与固定板配合保持球体竖直方向上的稳定，在保证球体工作压力下结构强度的基础上，其平行距离定为
241mm左右，同时为减小摩擦，配合平面分别安有止推垫。球体转动轴定位部分
有上下两个同轴圆柱突台保证，其不仅与固定板圆孔同轴配合，更由阀杆和固定轴固定保证同轴，其高度依据转动稳定性和强度原则进行选定，分别取29mm左
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右，其直径以毛胚材料限制和减轻质量等因素考虑，取为150mm，同时为减小摩擦，圆柱配合面分别安有滑动轴承。球体通过上圆柱突台和阀杆之间还有转矩传递，故上圆柱突台与阀杆的连接处以一方槽实现。 4.1.2 球体的力学计算
在高压使用环境下，由于阀座密封圈密封面被完全从球体表面推离，故球面与密封圈之间无摩擦力存在。实际球阀在启闭过程中球体的转矩分别由流体和摩擦力造成，其中摩擦转矩只与止推垫和滑动轴承的摩擦力有关：
MQ?MZ?MH
表2 球体设计相关符号定义
符号 MQ 定 义 球体的总摩擦转矩 突台止推垫提供的摩擦转矩 突台滑动轴承提供的摩擦转矩 突台止推垫作用外径 突台止推垫内径 开启瞬间流体压强 止推垫与接触材料（A105N）的摩擦系数 上下轴承收到的总推力（开启瞬间） 滑动轴承中径 描 述 MQ?MZ?MH MZ MH MZ??64?1(DT+dT)?PT 1MH?QC?dF??0 2DT?213.8mm dT?150.03mm PS???PN DT dT PS ?1 QC dF ?1?0.007 QC??42?d2?PN dF?151.07mm PT 突台止推垫上压强 PT?M球?g?4 ?(DT2-dT2)?0 突台滑动轴承与接触材料（A105N）的摩擦系数 压力释放瞬间系数（内部实验数据） ?0?0.004 ? ??0.487 18
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本设计球阀的球体摩擦转矩在球阀开启瞬间达到最大值，根据上表， 突台止推垫提供的摩擦转矩为：
???M球?g???MZ??1(DT+dT)?PT??0.007?(DT+dT)????646422??(DT-dT)??4?????3.1481?9.8=?0.007??? 3.1464??(213.8-150.03)??4??MZ?0.0126 N?mm=0.0000126 N?m
由此处可以得出，止推垫提供的摩擦转矩极小，可忽略。 再计算突台滑动轴承提供的摩擦转矩为：
11?2MH?QC?dF??0??(?d2?PS)?151.07?0.004
224?MH?197951.53 N?mm ?MQ?MZ?MH?MH?197.952 N?m
4.2球阀阀体和连接体的设计计算
球阀阀 体是一个受压件，它不仅受到内压力（流体压力）作用；而且还受到管道应力和其他方面的附加作用力。因此，其受力状态是复杂的。设计时对各方面的影响因素应予以充分考虑以免球阀在使用中遭受破坏，甚至产生严重的后果。因此，阀体壁厚的计算首先要保证有足够的安全性，在此前提下才考虑其经济性。
三段式球阀连接体用于连接阀体和管道，保证其强度的同时密封面要求有高度密封性。
4.2.1 阀体壁厚的设计计算
球阀阀体相当于一个压力容器，但其形状比其圆筒形容器要复杂得多，不同类型的球阀其阀体形状也不同，即使同一个阀体，各部分的尺寸也不完全一样，按照常规，要根据它的形状和尺寸分别计算壁厚，但这样的计算比较繁琐，加工时难度大，加工成本高，故本设计按均壁厚考虑。
本球阀设计使用环境为2500 LB高压环境，故其壁厚计算采用厚壁计算公式
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进行壁厚设计计算。其计算公式如下：
Sb?Sb'?C
Sb'?D(K0-1) 2整理上式：
Sb?D(K0-1)?C 2表3 阀体壁厚计算相关符号定义
符号 Sb Sb' K0 定 义 考虑附加余量的壁厚 按强度计算的壁厚 设计系数 考虑锻造偏差、工艺性和流体的腐蚀等因素的附加余量 描 述 Sb?Sb'?C Sb'?K0?D(K0-1) 2[?] [?]-3PNC 取D?358mm nb?4.25，ns?2.3 D [?] 阀体内腔的最大直径 材料的许用应力，取?bnb和?sns两者中较小值 ?b,?s nb,ns 常温下材料的拉伸强度和屈服强度 分别以抗拉强度为指标安全系数和以屈服强度为指标的安全系数 材料为A105N，则其拉伸强度为?b?485MPa,?s?250MPa； 则
?bnb??485250?114.12MPa，s??108.70MPa； 4.25ns2.3?[?]=108.70；
108.70-3?42?sns?108.70MPa
则K0??K0?1.74
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