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

　　結合三偏心蝶閥密封面的啟閉性能角，建立等角度刨切計算模型，分析三偏心蝶閥蝶板運動干涉，以C#高級語言為工具，開發了三偏心蝶閥密封面干涉的設計軟件，經過干涉分析軟件的計算，得到三偏心蝶閥密封面的干涉情況，為設計人員提供準確、快捷的一種設計方法。

1、引言

　　蝶閥由于其結構簡單，啟閉速度快，密封可靠，尤其是硬密封蝶閥在高溫、高壓介質的適用性，被廣泛應用于石油、化工、冶金、電力等行業。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上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結構。該結構不僅具有雙偏心蝶閥摩擦力矩小，開啟靈活等優點^[1]，同時由于其偏心錐角的作用，在閥門關閉時能夠實現自鎖，因此，三偏心硬密封蝶閥在現代閥門工業中得到了快速發展。

　　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生運動干涉的主要因素，由于其密封副各接觸點運動軌跡復雜，不合理的偏心結構，易于使蝶板在啟閉過程中產生卡阻。本文通過對三偏心蝶閥的閥板運動軌跡進行分析，找出其產生干涉的原因，利用C#.NET高級編程語言，設計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的干涉角度θ，判斷蝶板運動是否發生干涉，并能優化計算蝶板最小偏心值，為設計人員提供一種準確、快捷的設計方法。

2、三偏心蝶閥的運動干涉條件

　　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m在某個平面處的切線方向;υ代表蝶板在該點的速度方向;速度方向和切線AB的夾角為θ，θ逆時針方向為正，順時方向針為負。文中稱θ為啟閉性能指示角。

圖1 三偏心蝶閥密封結構

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

3、運動干涉分析

　　3.1、啟閉性能指示角的角度刨切計算模型

　　為了計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點為圓心，將每個橢圓平面按等角度平分為n等份進行等角度刨切，從而得到橢圓曲線和直線OA的交點m，計算m點的啟閉性能指示角。其中直線OA的方程為：

　　聯立式(1)、(2)，解得x、y：

　　當φ=90°，x=0時：

　　輸入已知設計參數D1、T、E、H、α、γ，即可確定m點的坐標(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、計算啟閉性能指示角

　　建立蝶板運動關系，計算m點的啟閉性能指示角[4]。如圖3所示，O1為閥桿旋轉中心，v為m點繞O1旋轉運動時的速度方向，θ是運動方向與m點切線的夾角，即該點的啟閉性能指示角[3]。

圖3 運動關系

　　由圖3中的幾何關系可得：

　　式中 y01，z01———閥桿中心的坐標

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

　　3.3、蝶板的最佳偏心計算

　　(1)蝶板的錐頂角2α的計算

　　蝶板的錐頂角大小與所選密封材料的摩擦系數fm有關，為了使閥門在關閉位置時實現自鎖，根據機械原理知：

tg2α≤fm (10)

　　可以根據密封材料的摩擦系數fm計算出蝶板的錐頂角2α，然后結合實際情況選擇合理的角度。

　　(2)蝶板偏心角的計算

　　由圖1的幾何關系得：

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)徑向偏心的計算

　　當θ≥0時，密封副不發生干涉，結合式(7)～(9)得到：

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

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

4、運動干涉程序設計

　　在實際操作中，通過求出蝶板密封面上每個坐標的θ值分析三偏心蝶閥的干涉情況，需要計算的坐標數以千計。如果用手工計算，計算過程比較復雜和繁瑣，工作量大，為了節省時間和提高工作效率，采用C#.NET語言開發相應的設計軟件。C#.NET是以.NET框架為基礎的一種高級編程語言。能夠快捷、方便地開發圖形設計、圖像處理及其多媒體技術的Windows應用程序(WPF) ^[5] 。運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，通過程序設計，可以計算出三偏心蝶閥密封面上的任意一點的坐標和啟閉性能指示角。根據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 設計程序流程示意

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

5、實例

　　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的設計參數和等份數。當觸發“計算”按鈕時，在窗口的右側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的坐標(x，y，z)及對應點的啟閉性能指示角和徑向偏心值，并判定蝶板運動是否發生干涉，如圖5所示。同時在模型上單擊鼠標，可獲取單個點的計算值，并顯示該點的坐標。

　　5.2、實例分析

　　以DN200mm，PN1.6MPa的三偏心蝶閥為實例，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。設定等分平面次數n=90，橢圓等分次數，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，深色區域代表干涉部分(θ<0);表1列舉了任意采集的8個點的坐標，以及對應點的啟閉性能指示角、最小徑向偏心和是否干涉情況。如點(90.413，25.956，442.545)、(89.801，28.130，442.725)的θ<0，為干涉點;點(93.637，4.888，441.127)、(78.409，53.508，446.595)的θ>0，為不干涉點。