基于CATIA的定平水电站蝶阀三维模型装配设计

        0 引言
        作为水轮发电机组进水管路上的核心部件，蝶阀的主要功能是：机组检修时关闭阀门以切断水流，机组停机时，关闭阀门以减少水流漏损等。蝶阀的性能，对于整个机组的运行稳定性有着较大的影响。
        进水蝶阀的设计，最常用的方法是采用二维平面造型。即分别将蝶阀装配的各个部件，以三视投影图的方式，在二维平面上进行几何描述。然而，这种造型方法存在一定缺陷：首先，对于蝶阀设计而言，往往需要进行流场性能预测以及结构动力学分析。而传统的平面设计，只能针对结构单一、形状相对简单的机械进行分析，而对于结构较为复杂的机组蝶阀，却无法实现。其次，平面造型，只能描述进水蝶阀全关时的单一状态。蝶阀活门全开状态下，重锤是否会与取水管座、旁通阀座等部件发生干涉，界定相对困难。再者，产品生产过程中，铸件的重量计算要求务必准确，对于形状复杂的零件，二维造型很难精确计算出零件的体积。因此，需要采用较为先进的设计方式来解决传统方法无法解决的问题。
        采用CATIA软件，建立完善的蝶阀三维实体模型，能有效地实现产品的流场性能预测和强度分析，能精确地描述蝶阀运行的任何状态以及准确地计算所有零部件的质量。基于CATIA软件的三维造型功能，实现了越南定平水电站进水蝶阀的三维模型设计。
        1 蝶阀几何尺寸的确定
        定平水电站蝶阀结构设计，根据机组类型、最大工作水头、蜗壳进口断面直径等参数，采用卧轴、双平板、带重锤关闭的结构类型。蝶阀装配部件的几何尺寸选取，主要分为两个步骤进行：①计算各个装配部件的几何尺寸；②对选取的参数进行强度校核，以验证是否满足要求。
        1.1 蝶阀特征参数的计算
        在水轮发电机组中，表征蝶阀的特征参数主要有：公称直径D、活门厚度b、接力器直径Dj以及阀轴直径Df等。
        1）公称直径的计算。假设水轮发电机组的蜗壳进口断面直径为d，最大工作水头为Hmax，则蝶阀公称直径计算方程[1]为：

       
        其中，
        2）活门厚度的计算。由方程（1）求得阀门公称直径后，可得活门厚度计算方程为：

       
        3）接力器直径的计算。该电站阀门采用的是摇摆式接力器，故直径计算方程为：

       
        其中，P为接力器操作力，Pmin为最低工作油压
        以此类推，可以计算出活门直径（Dh）、阀轴直径（Df）、阀轴长度（L）、推拉杆直径（Dt）等表述蝶阀部件的特征参数。
        1.2 强度校核计算
        阀门相关参数选定之后，需要对每个部件都进行应力、静水力矩、动水力矩等强度运算，以检验设计尺寸是否符合强度要求。以阀轴强度计算为例，验证阀轴直径是否合理。
        阀轴剪应力方程为：

       
        故上述公式可以推断出阀轴断面剪应力：

       
        同理，可以得出应力方程：

       
        式中，
        由此，阀轴所受综合应力方程为：

       
        阀轴材料选用锻35，则极限屈服应力[2]为：[σ]=1200kgPcm2。假设活门直径为250cm，阀轴直径为30cm，阀轴长度为17.4cm，将参数分别代入公式（4）~（8），可得：σnp=959kg/Pcm2。故：σnp<[σ]，因此，阀轴强度满足要求。
        同理，可以对阀体、活门、接力器、重锤等零部件进行强度计算，以验证设计参数是否满足要求。若强度符合要求，则可以开始绘制三维实体模型。否则，则需要重新定义尺寸。
        2 蝶阀三维实体模型的构建
        利用已确定的相关参数，建立蝶阀三维实体模型。其基本的思路是：首先，单独绘制上、下游管路、阀体等主要零部件的三维模型。其次，在CATIA的装配模块中，利用各部件之间的相对几何对应关系，进行约束，从而完成对蝶阀的装配操作。
        2.1 蝶阀零部件的三维绘型
        进水蝶阀的主要装配零件，主要由上游管路、下游管路、阀体、活门、阀轴、重锤以及伸缩节这7部分组成。故在模型的建立过程中，需要分别对这7个装配部件进行建模。这一步骤模型的完成，主要在CATIA零件设计模块中，先利用草图功能进行平面绘型，再回到设计模块，利用模块中的实体旋转、拉伸、抽壳以及多截面曲线功能实现模型的构建。绘制完毕的三维模型见图1至图7。

图1 上游管路图

图2 下游管路图

图3 阀体图

图4 活门

        2.2 蝶阀三维模型装配设计
        将零件装配成完整的产品，主要是在CATIA装配设计模块中进行操作。进入操作界面后，首先，将需要装配的零件依次载入；其次，以阀体为基准，用固定部件功能将其固定；第三，利用各部件之间的几何对应关系，进行偏移、角度调整等约束，以完成装配。以阀体和活门装配为例，描述装配过程。
        在蝶阀中，阀体与活门之间存在着两点对应关系：1阀体与活门圆心相同；o活门两侧的阀轴孔圆心与阀体两侧的轴孔圆心同轴。针对上述情况，对阀体与活门采用两种约束。首先，对阀体与活门圆心轴进行一致性约束；其次，对阀体与活门两端所对应的阀轴孔圆心轴同样采用一致性约束，从而完成其装配，见图8。
        同理，利用各零部件之间的对应关系，设置相应约束，继而完成整个蝶阀的三维模型构建，见图9。

        2.3 干涉性检查
        水轮发电机组正常运行之时，活门处于全开状态，重锤以阀轴轴线为基准，旋转90°，位于上游管路右侧上方。因此，是否会与位于上游管路右侧上方45°方位的取水管座发生干涉，需要进行检查。利用装配模块中的旋转功能，以阀轴轴线为中心，将活门调整之全开位置，此时重锤的状态，见图10。

        由图10可知，重锤与取水管座并未发生干涉，因此，该蝶阀三维装配模型符合设计要求。
        3 结论
        针对越南定平水电站蝶阀设计，通过计算选取阀门的特征参数并进行强度校核；再绘制构成蝶阀的各个零部件三维模型；最后，利用CATIA的装配设计功能，实现了蝶阀三维实体模型的装配，为后续的力学特性计算、结构分析、以及产品的生产和运输提供了有力的理论依据。
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