基于SolidWorks的旋塞閥流道截面積計(jì)算方法研究

丁文義，王洪申，王博文，張家振

(1. 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050； 2. 浙江維都利閥門制造有限公司， 浙江 溫州 325011)

0 引言

在生產(chǎn)使用過(guò)程中，控制流量所要把握的“度”，可以通過(guò)流體流過(guò)的流道截面面積得到初步的控制[5]。閥門生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、校驗(yàn)中需用到流道截面積數(shù)據(jù)，客戶在提供產(chǎn)品需求時(shí)通常會(huì)有旋塞轉(zhuǎn)過(guò)角度所對(duì)應(yīng)打開(kāi)截面面積的設(shè)計(jì)要求，因此計(jì)算旋塞閥在打開(kāi)不同角度下流道截面面積十分重要。但對(duì)于旋塞上設(shè)有密封襯套的旋塞閥，圓錐形旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度所打開(kāi)的流道截面面積很難快速準(zhǔn)確地計(jì)算，且旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度與閥體流道形成的流道面都會(huì)有幾何上的變化，這也為流道截面積的計(jì)算增添了難度。圓錐形旋塞打開(kāi)處的流道截面因有一定角度無(wú)法得到確定的值，鑒于這種情況，本文提出基于SolidWorks軟件三維建模方式的模擬計(jì)算旋塞閥旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度打開(kāi)流道截面積方法。

1 三維建模及流道截面分析

1.1 建立三維模型

本文研究對(duì)象為密封襯套旋塞閥結(jié)構(gòu)，旋塞與密封襯套為圓錐形，錐度為2°。因所求面積為旋塞轉(zhuǎn)過(guò)一定角度旋塞上流道打開(kāi)面積，故將旋塞流道與閥體流道的分析簡(jiǎn)化為旋塞流道與密封襯套流道形成的模型分析，密封襯套固定不動(dòng)，旋塞進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者形成的流道截面面積即為所求流道截面面積。

在SolidWorks中建立旋塞與密封襯套的三維模型，進(jìn)行裝配，圖1(a)、圖1(b)分別為旋塞和密封襯套的三維模型，圖1(c)是裝配體。

圖1 旋塞與密封襯套零件模型與裝配體

在圖1(c)的裝配中可以看出旋塞在旋轉(zhuǎn)一定角度后與密封襯套形成了一定的流通面積，此面積形狀不規(guī)則，且隨著轉(zhuǎn)過(guò)的角度變化。因旋塞與密封襯套都是圓錐形，上下都為圓弧，此流通面積為弧面，且與豎直方向有一定角度。此弧面兩條邊線所在平面上的截面，就是所要求的旋塞閥旋塞打開(kāi)面積。

1.2 流道截面分析

為了直觀地分析旋塞閥旋塞轉(zhuǎn)過(guò)一定角度旋塞打開(kāi)流道截面所在平面的位置變化，將圖1(c)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將旋塞及密封襯套頂部、底部圓弧和圓角消去，只表達(dá)旋塞打開(kāi)流道截面隨著旋塞轉(zhuǎn)動(dòng)所在平面的變化。

圖2(a)為圓錐形示意圖，錐度為2°。流體流過(guò)方向?yàn)閍b，隨著旋塞按方向MN轉(zhuǎn)動(dòng)，旋塞打開(kāi)流通面也隨之發(fā)生變化。旋塞轉(zhuǎn)過(guò)α角后與密封襯套間形成了一個(gè)流通面，此流通面為弧面ABGF。所求的流道截面是位于弧面ABGF對(duì)應(yīng)的平面ABGF之上。旋塞繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)β角，流通面變?yōu)榛∶鍭CHF，流道截面在ACHF平面上。隨著旋塞旋轉(zhuǎn)角度的變化，流道截面也隨之改變[5]。

計(jì)算轉(zhuǎn)過(guò)α角的旋塞打開(kāi)流道截面的大小，需要在平面ABGF上求解計(jì)算。轉(zhuǎn)過(guò)β角，計(jì)算打開(kāi)的流道截面面積的平面變?yōu)槠矫鍭CHF。旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度，計(jì)算的流道截面會(huì)位于不同的平面上。所求流道截面所在平面的變化，不僅增加了計(jì)算流道截面面積的時(shí)間，還增大了難度。若將所求流道截面圖形投影到所對(duì)應(yīng)的豎直平面內(nèi)，因旋塞與密封襯套為圓錐形，雖然可以減少計(jì)算時(shí)間，但結(jié)果會(huì)存在誤差。

圖2 流道截面面積變化示意圖及旋塞轉(zhuǎn)過(guò)50°時(shí)流道截面

綜上兩種原因，求旋塞轉(zhuǎn)過(guò)某個(gè)角度，旋塞打開(kāi)流道截面面積大小的計(jì)算已如此復(fù)雜，計(jì)算旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度時(shí)旋塞打開(kāi)的流道截面面積大小難度將會(huì)更大，計(jì)算更為繁瑣。因此研究旋塞閥旋塞打開(kāi)流道截面面積大小計(jì)算的方法很有意義。

從表1可知，隨著法蘭盤厚度的增加，安全系數(shù)增大，同時(shí)當(dāng)安全系數(shù)(n)=4時(shí)，法蘭盤的厚度值應(yīng)在14.5～17.25 mm之間.為了進(jìn)一步優(yōu)化，取法蘭盤厚度t=14～17 mm，通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化，得到法蘭盤厚度與安全系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖10所示.

2 流道截面面積計(jì)算方法

2.1 方法思路

本文通過(guò)在SolidWorks中建立密封襯套和旋塞的三維模型，以模擬的方式借助SolidWorks中的功能來(lái)計(jì)算旋塞閥流道截面面積，結(jié)果準(zhǔn)確，效率高。圖3為流道截面面積計(jì)算方法流程圖。

圖3 方法流程圖

2.2 計(jì)算過(guò)程

1) 模型的建立與簡(jiǎn)化

在SolidWorks中建立旋塞與密封襯套的三維模型，并將之裝配，詳見(jiàn)圖1。在裝配體中可旋轉(zhuǎn)旋塞，查看不同角度(0°～90°)下旋塞打開(kāi)流道面積情況。設(shè)定0°為完全封閉狀態(tài)。在建立好三維模型后，雖可直觀地看到旋塞打開(kāi)面積的變化，但對(duì)于面積大小的測(cè)量計(jì)算無(wú)從下手，于是采取逆向思維，將流道轉(zhuǎn)換為實(shí)體，可更為方便地測(cè)量計(jì)算流道截面面積。因計(jì)算的只是旋塞打開(kāi)的面積，所以將密封襯套腔內(nèi)簡(jiǎn)化，只保證了進(jìn)出口的大小和形狀。圖4(a)為旋塞流道模型，圖4(b)為密封襯套流道模型，圖4(c)為旋塞流道模型與密封襯套流道模型裝配體。此時(shí)，兩流道模型角度為0°。

圖4 流道實(shí)體化三維模型

密封襯套流道固定不動(dòng)，相當(dāng)于旋塞閥閥體，旋轉(zhuǎn)旋塞流道模型(深色)可根據(jù)配合中的角度，按每次旋轉(zhuǎn)需要的角度旋轉(zhuǎn)。圖5裝配體模型旋轉(zhuǎn)50°。此時(shí)發(fā)現(xiàn)旋塞流道與襯套流道有共同的結(jié)合面，這個(gè)結(jié)合面就是所求流道截面對(duì)應(yīng)的弧面。

圖5 旋塞流道模型旋轉(zhuǎn)50°

將旋轉(zhuǎn)好一定角度的兩流道模型的裝配體另存為SolidWorks格式part(*.prt;*.sldprt)的零件圖。打開(kāi)此零件，在SolidWorks中進(jìn)行布爾運(yùn)算。選擇“組合”命令，在“組合的實(shí)體”中選擇2個(gè)零件，則組合的效果是保留2個(gè)零件公共的部分。圖6為旋塞轉(zhuǎn)過(guò)50°時(shí)旋塞流道與密封襯套流道共同實(shí)體部分。共同實(shí)體部分前端弧面即為實(shí)際旋塞打開(kāi)流道截面對(duì)應(yīng)的弧面。此弧面所對(duì)應(yīng)的截面，因弧面的兩條邊線都在同一個(gè)圓錐面上，左邊邊線固定不動(dòng)，是襯套的邊線；右邊邊線為旋塞流道的邊線，隨閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)同樣轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度，兩條邊線的錐度都為2°，故兩條邊線在同一平面上。

圖6 旋塞流道與密封襯套流道共同實(shí)體

2) 流道截面面積計(jì)算

為獲得旋塞轉(zhuǎn)過(guò)50°后流道截面面積值，先以圖7(a)中弧面右側(cè)平面為草圖繪制平面，旋塞流道邊線為邊繪制拉伸切除草圖。以圖7(b)中所示上視基準(zhǔn)面為草圖平面，將布爾運(yùn)算求得的弧面頂端弧線轉(zhuǎn)換成實(shí)體，連接投影基準(zhǔn)面上弧線的兩端點(diǎn)，確定拉伸切除方向。圖7(c)進(jìn)行拉伸切除獲得旋塞旋轉(zhuǎn)50°時(shí)流道截面。圖7(d)為旋塞旋轉(zhuǎn)50°時(shí)流道截面。

圖7 流道截面獲取

求此截面面積。選擇“測(cè)量”命令，點(diǎn)擊所要測(cè)的截面，即可得到流道截面面積。圖8為旋塞轉(zhuǎn)過(guò)50°時(shí)，旋塞打開(kāi)弧面處的截面面積，值為6751.92mm2。

圖8 流道截面面積

依照上述方法，可求得此模型旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度(0°～90°)時(shí)，旋塞打開(kāi)的流道截面面積，見(jiàn)表1。

表1 旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度時(shí)打開(kāi)流道截面面積及其所占百分比

3 結(jié)語(yǔ)

本文方法既可直觀旋塞閥閥體內(nèi)部旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度時(shí)旋塞與密封襯套或閥體流道打開(kāi)流道截面面積的變化，又可快速準(zhǔn)確地獲得旋塞轉(zhuǎn)過(guò)不同角度下的旋塞打開(kāi)流道截面面積數(shù)值，不需要耗費(fèi)大量的精力和時(shí)間進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。無(wú)論是對(duì)于圓錐形還是圓柱形旋塞均可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算出打開(kāi)流道截面積值，效率高，準(zhǔn)確度高。