桁架過流式三偏心蝶閥的干涉分析

韋彥強(qiáng) 何世權(quán) 吳倩倩 劉帥帥

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

蝶閥作為一種流體管道控制部件， 由于體積小、質(zhì)量輕且性能好，在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。三偏心蝶閥各方面的性能都要優(yōu)于其他偏心種類的蝶閥，很大程度上解決了傳統(tǒng)蝶閥的泄漏與磨損問題，因此三偏心蝶閥近年來一直被廣泛關(guān)注［1］。 目前，市面上有多種三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)類型，但如果三偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，將會(huì)對(duì)閥門的各方面性能有很大影響， 從而影響實(shí)際生產(chǎn)。 此前已有學(xué)者利用SolidWorks軟件對(duì)蝶閥是否發(fā)生干涉進(jìn)行了檢驗(yàn)。在此，筆者基于MATLAB設(shè)計(jì)了一種可以快速檢驗(yàn)三偏心蝶閥是否干涉的程序，以提供一種可以快速檢驗(yàn)三偏心蝶閥設(shè)計(jì)是否合格的方法。

1 幾何模型

以DN350mm、PN2.5MPa、 閥體材料為Q345A的桁架過流式三偏心蝶閥為研究對(duì)象，根據(jù)模型基本參數(shù)， 通過SolidWorks三維建模軟件建立對(duì)夾式金屬密封蝶閥三維模型如圖1所示［2］。

圖1 桁架過流式三偏心蝶閥三維模型

2 回轉(zhuǎn)中心的確定

2.1 蝶板厚度的計(jì)算

蝶板厚度E的計(jì)算公式為：

式中 DN——蝶閥的公稱通徑，mm；

pN——公稱壓力，MPa；

pt——水錘壓力，MPa；

［σb］——材料的許用拉應(yīng)力，MPa；

μ——磨蝕余量，mm。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到E=20mm。

2.2 蝶板錐度的計(jì)算

密封副的摩擦系數(shù)與蝶板的錐度關(guān)系緊密，由密封副的材料可知，密封副摩擦系數(shù)fm選取0.4，tan2θ≤fm，計(jì)算得出錐度θ=10.9°，取θ=12.5°，則蝶板中性面橢圓的長半軸A、短半軸B分別為：

其中，A0為蝶板大端橢圓長半軸。

2.3 回轉(zhuǎn)中心的選定

圖2為三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)示意圖。 蝶板的密封接觸面為ABCD面，U為蝶板的回轉(zhuǎn)中心， 當(dāng)?shù)尻P(guān)閉時(shí)，A、D兩點(diǎn)最先進(jìn)入閥座密封面，若A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡一直在AB之上，說明蝶板在啟閉過程中無干涉，同時(shí)D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)一直保持在CD以下。 過A、D兩點(diǎn)分別作AB和CD的垂線AF與DG并相交于M點(diǎn)，回轉(zhuǎn)中心需在DMF面內(nèi)。為了保證軸頭兩端無干涉，回轉(zhuǎn)中心必須在流道中心線的上方， 圖示陰影部分即為回轉(zhuǎn)中心的合適區(qū)域，其中N為x軸與DG的交點(diǎn)，P為x軸與軸向偏心的交點(diǎn)，Q為x軸與AF的交點(diǎn)［3～7］，φ 為角偏心，γ 為半錐線，γ1為半錐線1，e為偏心距。

圖2 桁架過流式三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)示意圖

3 干涉分析

3.1 閥門干涉的原理

當(dāng)三偏心蝶閥的蝶板關(guān)閉時(shí)，閥座的密封面與閥板的密封面正好完全接觸；當(dāng)三偏心蝶閥蝶板開啟時(shí)，閥板密封面離開閥座密封面。 由于閥板的啟閉是可逆的，所以在三偏心蝶閥的啟閉過程中， 閥板能自由抵緊和離開閥座而不產(chǎn)生干涉，但若設(shè)計(jì)未達(dá)到要求，將會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。

由2.3節(jié)的分析可知，回轉(zhuǎn)中心必須在DMF面內(nèi)，否則將會(huì)發(fā)生干涉。設(shè)在DMF面上有一點(diǎn)i，該點(diǎn)與A、D、Q3點(diǎn)連線的斜率分別記為kiA、kiD和kiQ，若所有點(diǎn)滿足kiA≤kiQ且kiD≤kND，則該三偏心蝶閥不發(fā)生干涉，反之，若有一點(diǎn)不滿足，則該三偏心蝶閥發(fā)生干涉［8～12］。

將DMF面上的某條直線離散為n個(gè)點(diǎn)， 該三偏心蝶閥不發(fā)生干涉的充分必要條件為kiA≤kiQ且kiD≤kND（1≤i≤n），具體表達(dá)式為：

其中， 變量H為回轉(zhuǎn)中心到閥板的距離，γ=arctan（tan2θtanφ）。

3.2 圖形用戶界面干涉程序的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)

圖形用戶界面 （Graphical User Interface，GUI）是MATLAB實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的重要模塊。 由于設(shè)置的離散點(diǎn)與相關(guān)變量較多， 所以采用GUI界面來實(shí)現(xiàn)干涉檢驗(yàn)程序的開發(fā)［13，14］。

干涉程序的設(shè)計(jì)思路為：將回轉(zhuǎn)中心所在區(qū)域面DMF分為m條直線，分別將直線離散為n個(gè)點(diǎn)，判斷每條直線上的點(diǎn)是否滿足式（4）；若滿足，則計(jì)算下一條直線，直到所有直線計(jì)算完成；若所有的點(diǎn)都滿足式（4），則說明三偏心蝶閥沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象［15，16］。干涉檢驗(yàn)程序流程如圖3所示。

圖3 干涉檢驗(yàn)程序流程

在MATLAB中將圖3的流程編寫成對(duì)應(yīng)的程序， 并在GUI界面里輸入桁架式三偏心蝶閥的參數(shù)進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。 由圖4可知，回轉(zhuǎn)中心所在區(qū)域劃分成100條直線，每條線離散為200個(gè)點(diǎn)，共檢驗(yàn)20 000個(gè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)無一點(diǎn)干涉，證明此三偏心蝶閥無干涉現(xiàn)象。

圖4 干涉檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)三偏心蝶閥的干涉原理，提出了確定回轉(zhuǎn)中心位置的方法，并推導(dǎo)了三偏心蝶閥的相關(guān)參數(shù)與干涉之間的關(guān)系。

4.2 基于MATLAB設(shè)計(jì)了可以快速檢驗(yàn)三偏心蝶閥是否干涉的程序，提供了一種可以快速檢驗(yàn)各類三偏心蝶閥設(shè)計(jì)是否合格的方法，對(duì)三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

4.3 筆者設(shè)計(jì)了一種三偏心蝶閥干涉檢驗(yàn)程序，驗(yàn)證了其可行性以及所用三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)的合理性。