基于C#.NET的三偏心蝶閥干涉分析軟件的研究

2013-07-19 張希恒蘭州理工大學(xué)

　　結(jié)合三偏心蝶閥密封面的啟閉性能角，建立等角度刨切計(jì)算模型，分析三偏心蝶閥蝶板運(yùn)動干涉，以C#高級語言為工具，開發(fā)了三偏心蝶閥密封面干涉的設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過干涉分析軟件的計(jì)算，得到三偏心蝶閥密封面的干涉情況，為設(shè)計(jì)人員提供準(zhǔn)確、快捷的一種設(shè)計(jì)方法。

1、引言

　　蝶閥由于其結(jié)構(gòu)簡單，啟閉速度快，密封可靠，尤其是硬密封蝶閥在高溫、高壓介質(zhì)的適用性，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力等行業(yè)。其中具有代表性的三偏心硬密封蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅具有雙偏心蝶閥摩擦力矩小，開啟靈活等優(yōu)點(diǎn)^[1]，同時由于其偏心錐角的作用，在閥門關(guān)閉時能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，因此，三偏心硬密封蝶閥在現(xiàn)代閥門工業(yè)中得到了快速發(fā)展。

　　三偏心蝶閥的軸向偏心、徑向偏心和角度偏心是決定蝶板在啟閉過程中是否與閥座產(chǎn)生運(yùn)動干涉的主要因素，由于其密封副各接觸點(diǎn)運(yùn)動軌跡復(fù)雜，不合理的偏心結(jié)構(gòu)，易于使蝶板在啟閉過程中產(chǎn)生卡阻。本文通過對三偏心蝶閥的閥板運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，找出其產(chǎn)生干涉的原因，利用C#.NET高級編程語言，設(shè)計(jì)三偏心蝶閥干涉的分析程序，通過求解蝶板密封面上每個坐標(biāo)的干涉角度θ，判斷蝶板運(yùn)動是否發(fā)生干涉，并能優(yōu)化計(jì)算蝶板最小偏心值，為設(shè)計(jì)人員提供一種準(zhǔn)確、快捷的設(shè)計(jì)方法。

2、三偏心蝶閥的運(yùn)動干涉條件

　　三偏心蝶閥的蝶板是在圓錐體上斜截得到的一定厚度的橢圓形截面實(shí)體，如圖1所示。3個偏心的第一偏心是指閥座密封面或蝶板厚度方向的等分線與閥桿中心相對偏心(長度H);第二偏心是指閥桿中心與閥門通道中心的相對偏心(長度E);第三偏心是指圓錐形密封面的中心線與閥門通道中心線的相對偏心(角度γ)^[2，3]。直線AB表示閥座密封面上某點(diǎn)m在某個平面處的切線方向;υ代表蝶板在該點(diǎn)的速度方向;速度方向和切線AB的夾角為θ，θ逆時針方向?yàn)檎槙r方向針為負(fù)。文中稱θ為啟閉性能指示角。

圖1 三偏心蝶閥密封結(jié)構(gòu)

　　蝶板逆時針方向轉(zhuǎn)動，蝶板開啟。當(dāng)速度方向υ位于切線AB方向的下方時，密封副不發(fā)生干涉，θ≥0；當(dāng)速度方向位于切線AB方向的上方時，密封副發(fā)生干涉，θ<0。由此可知，當(dāng)θ<0時，密封副運(yùn)動存在干涉。因此，在設(shè)計(jì)過程中，確定合理的三個偏心量，保證θ≥0，從而解決干涉問題。

3、運(yùn)動干涉分析

　　3.1、啟閉性能指示角的角度刨切計(jì)算模型

　　為了計(jì)算啟閉性能指示角并判斷三偏心蝶閥的干涉情況，建立三偏心蝶閥啟閉性能指示角的角度刨切計(jì)算模型。

　　先將密封面沿著閥體通道中心線的垂直方向等分為n份，得到n+1個相互平行的橢圓形平面(S平面)，如圖2所示。

圖2 密封面的角度刨切

　　建立橢圓方程^[4]：

　　式中 H0———圓錐頂點(diǎn)到蝶板密封面的中性面之間的距離，mm；α———圓錐半角，°；γ———偏心角，°

　　然后以O(shè)點(diǎn)為圓心，將每個橢圓平面按等角度平分為n等份進(jìn)行等角度刨切，從而得到橢圓曲線和直線OA的交點(diǎn)m，計(jì)算m點(diǎn)的啟閉性能指示角。其中直線OA的方程為：

　　聯(lián)立式(1)、(2)，解得x、y：

　　當(dāng)φ=90°，x=0時：

　　輸入已知設(shè)計(jì)參數(shù)D1、T、E、H、α、γ，即可確定m點(diǎn)的坐標(biāo)(xi，y，z)。其中D1代表蝶板密封面中徑的長軸，T為蝶板密封面的寬度。

　　3.2、計(jì)算啟閉性能指示角

　　建立蝶板運(yùn)動關(guān)系，計(jì)算m點(diǎn)的啟閉性能指示角[4]。如圖3所示，O1為閥桿旋轉(zhuǎn)中心，v為m點(diǎn)繞O1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時的速度方向，θ是運(yùn)動方向與m點(diǎn)切線的夾角，即該點(diǎn)的啟閉性能指示角[3]。

圖3 運(yùn)動關(guān)系

　　由圖3中的幾何關(guān)系可得：

　　式中 y01，z01———閥桿中心的坐標(biāo)

　　根據(jù)式(7)～(9)可求出m點(diǎn)的啟閉性能指示角，并判斷其干涉情況。即θ≥0當(dāng)時，密封副不發(fā)生干涉;θ<0時，密封副發(fā)生干涉。用牛頓二次切分法求出精確的干涉范圍，精度可以通過設(shè)定變量的值來確定。

　　3.3、蝶板的最佳偏心計(jì)算

　　(1)蝶板的錐頂角2α的計(jì)算

　　蝶板的錐頂角大小與所選密封材料的摩擦系數(shù)fm有關(guān)，為了使閥門在關(guān)閉位置時實(shí)現(xiàn)自鎖，根據(jù)機(jī)械原理知：

tg2α≤fm (10)

　　可以根據(jù)密封材料的摩擦系數(shù)fm計(jì)算出蝶板的錐頂角2α，然后結(jié)合實(shí)際情況選擇合理的角度。

　　(2)蝶板偏心角的計(jì)算

　　由圖1的幾何關(guān)系得：

γ=α-η (11)

　　式中 α———摩擦角，°，tgα=fm；η———圓錐母線與閥門流道中心線的夾角，°

　　結(jié)合式(10)、(11)可得：

0<γ≤α/2 (12)

　　(3)軸向偏心H的范圍：

　　式中d———閥桿的直徑，mm；t———閥座密封面的厚度，mm

　　(4)徑向偏心的計(jì)算

　　當(dāng)θ≥0時，密封副不發(fā)生干涉，結(jié)合式(7)～(9)得到：

　　式中e———密封面中徑所在圓與圓錐軸線的交點(diǎn)和與閥體軸線的交點(diǎn)間距離，mm

　　只要給定α、γ、H，按照式(14)，結(jié)合密封面上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以計(jì)算出每一點(diǎn)的最小徑向偏心。提取所有點(diǎn)中最小徑向偏心中的最大值，該最大值就是密封面不發(fā)生干涉的最小徑向偏心值。

4、運(yùn)動干涉程序設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際操作中，通過求出蝶板密封面上每個坐標(biāo)的θ值分析三偏心蝶閥的干涉情況，需要計(jì)算的坐標(biāo)數(shù)以千計(jì)。如果用手工計(jì)算，計(jì)算過程比較復(fù)雜和繁瑣，工作量大，為了節(jié)省時間和提高工作效率，采用C#.NET語言開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件。C#.NET是以.NET框架為基礎(chǔ)的一種高級編程語言。能夠快捷、方便地開發(fā)圖形設(shè)計(jì)、圖像處理及其多媒體技術(shù)的Windows應(yīng)用程序(WPF) ^[5] 。運(yùn)動干涉程序三維模型采用WPF程序編程。

　　利用角度剖切的方法，通過程序設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出三偏心蝶閥密封面上的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)和啟閉性能指示角。根據(jù)啟閉性能指示角的大小為三維模型上的每個小單元格填涂顏色，并通過顏色的不同顯示出三偏心蝶閥密封面的干涉情況。

　　根據(jù)上述的分析，編寫三偏心蝶閥干涉分析軟件的程序，其流程框圖如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)程序流程示意

　　輸入S平面的個數(shù)rr和刨切橢圓等分個數(shù)AA，在第一個S平面(0切面)上進(jìn)行角度剖切，計(jì)算出0切面上的所有點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)的大小判斷該切面上的所有點(diǎn)是否干涉，依次循環(huán)，計(jì)算出1，2，…，rr切面上的點(diǎn)的坐標(biāo)，并判斷是否干涉。

5、實(shí)例

　　5.1、操作界面

　　用戶通過三偏心蝶閥干涉分析軟件的操作界面的顯示輸入相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和等份數(shù)。當(dāng)觸發(fā)“計(jì)算”按鈕時，在窗口的右側(cè)顯示蝶板的三維模型，并通過彩色云圖反映出蝶板上是否干涉的大致情況;在窗口的下方顯示出蝶板密封面各點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y，z)及對應(yīng)點(diǎn)的啟閉性能指示角和徑向偏心值，并判定蝶板運(yùn)動是否發(fā)生干涉，如圖5所示。同時在模型上單擊鼠標(biāo)，可獲取單個點(diǎn)的計(jì)算值，并顯示該點(diǎn)的坐標(biāo)。

　　5.2、實(shí)例分析

　　以DN200mm，PN1.6MPa的三偏心蝶閥為實(shí)例，分析其密封面干涉情況。其中α=12°、γ=8°、E=5mm、H=25.5mm、T=8mm、D1=190mm。設(shè)定等分平面次數(shù)n=90，橢圓等分次數(shù)，角度精度A=0.005°。

　　三偏心蝶閥密封面干涉云圖如圖5所示，圖中，深色區(qū)域代表干涉部分(θ<0);表1列舉了任意采集的8個點(diǎn)的坐標(biāo)，以及對應(yīng)點(diǎn)的啟閉性能指示角、最小徑向偏心和是否干涉情況。如點(diǎn)(90.413，25.956，442.545)、(89.801，28.130，442.725)的θ<0，為干涉點(diǎn);點(diǎn)(93.637，4.888，441.127)、(78.409，53.508，446.595)的θ>0，為不干涉點(diǎn)。