基于C#.NET的三偏心蝶阀干涉分析软件的研究

    1 引言
    蝶阀由于其结构简单，启闭速度快，密封可靠，尤其是硬密封蝶阀在高温、高压介质的适用性，被广泛应用于石油、化工、冶金、电力等行业。其中具有代表性的三偏心硬密封蝶阀是在双偏心蝶阀的基础上，使蝶板的中心偏置一定的角度，形成三偏心密封结构。该结构不仅具有双偏心蝶阀摩擦力矩小，开启灵活等优点［1］，同时由于其偏心锥角的作用，在阀门关闭时能够实现自锁，因此，三偏心硬密封蝶阀在现代阀门工业中得到了快速发展。
    三偏心蝶阀的轴向偏心、径向偏心和角度偏心是决定蝶板在启闭过程中是否与阀座产生运动干涉的主要因素，由于其密封副各接触点运动轨迹复杂，不合理的偏心结构，易于使蝶板在启闭过程中产生卡阻。本文通过对三偏心蝶阀的阀板运动轨迹进行分析，找出其产生干涉的原因，利用C#．NET高级编程语言，设计三偏心蝶阀干涉的分析程序，通过求解蝶板密封面上每个坐标的干涉角度θ，判断蝶板运动是否发生干涉，并能优化计算蝶板最小偏心值，为设计人员提供一种准确、快捷的设计方法。
    2 三偏心蝶阀的运动干涉条件
    三偏心蝶阀的蝶板是在圆锥体上斜截得到的一定厚度的椭圆形截面实体，如图1所示。3个偏心的第一偏心是指阀座密封面或蝶板厚度方向的等分线与阀杆中心相对偏心（长度H）；第二偏心是指阀杆中心与阀门通道中心的相对偏心（长度E）；第三偏心是指圆锥形密封面的中心线与阀门通道中心线的相对偏心（角度γ）［2，3］。直线AB表示阀座密封面上某点m在某个平面处的切线方向；υ代表蝶板在该点的速度方向；速度方向和切线AB的夹角为θ，θ逆时针方向为正，顺时方向针为负。文中称θ为启闭性能指示角。

图1 三偏心蝶阀密封结构

    蝶板逆时针方向转动，蝶板开启。当速度方向υ位于切线AB方向的下方时，密封副不发生干涉，θ≥0；当速度方向位于切线AB方向的上方时，密封副发生干涉，θ＜0。由此可知，当θ＜0时，密封副运动存在干涉。因此，在设计过程中，确定合理的三个偏心量，保证θ≥0，从而解决干涉问题。
    3 运动干涉分析
    3.1 启闭性能指示角的角度刨切计算模型
    为了计算启闭性能指示角并判断三偏心蝶阀的干涉情况，建立三偏心蝶阀启闭性能指示角的角度刨切计算模型。
    先将密封面沿着阀体通道中心线的垂直方向等分为n份，得到n+1个相互平行的椭圆形平面（S平面），如图2所示。

图2 密封面的角度刨切

♂ 
    建立椭圆方程［4］：
        （1）
    式中 H0———圆锥顶点到蝶板密封面的中性面之间的距离，mm
    α———圆锥半角，°
    γ———偏心角，°
    然后以O点为圆心，将每个椭圆平面按等角度平分为n等份进行等角度刨切，从而得到椭圆曲线和直线OA的交点m，计算m点的启闭性能指示角。其中直线OA的方程为：
       （2）
    联立式（1）、（2），解得x、y：
         （3）
          （4）
    当φ=90°，x=0时：
        （5）
    输入已知设计参数D1、T、E、H、α、γ，即可确定m点的坐标（xi，y，z）。其中D1代表蝶板密封面中径的长轴，T为蝶板密封面的宽度。
    3.2 计算启闭性能指示角
    建立蝶板运动关系，计算m点的启闭性能指示角［4］。如图3所示，O1为阀杆旋转中心，v为m点绕O1旋转运动时的速度方向，θ是运动方向与m点切线的夹角，即该点的启闭性能指示角［3］。

图3 运动关系

    由图3中的几何关系可得：
        （7）
        （8）
        （9）
    式中 y01，z01———阀杆中心的坐标

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    根据式（7）～（9）可求出m点的启闭性能指示角，并判断其干涉情况。即θ≥0当时，密封副不发生干涉；θ＜0时，密封副发生干涉。用牛顿二次切分法求出精确的干涉范围，精度可以通过设定变量的值来确定。
    3.3 蝶板的最佳偏心计算
    （1）蝶板的锥顶角2α的计算
    蝶板的锥顶角大小与所选密封材料的摩擦系数fm有关，为了使阀门在关闭位置时实现自锁，根据机械原理知：
    tg2α≤fm   （10）
    可以根据密封材料的摩擦系数fm计算出蝶板的锥顶角2α，然后结合实际情况选择合理的角度。
    （2）蝶板偏心角的计算
    由图1的几何关系得：
    γ=α－η    （11）
    式中 α———摩擦角，°，tgα=fm
    η———圆锥母线与阀门流道中心线的夹角，°
    结合式（10）、（11）可得：
    0＜γ≤α/2    （12）
    （3）轴向偏心H的范围：
        （13）
    式中d———阀杆的直径，mm
    t———阀座密封面的厚度，mm
    （4）径向偏心的计算
    当θ≥0时，密封副不发生干涉，结合式（7）～（9）得到：
        （14）
    式中e———密封面中径所在圆与圆锥轴线的交点和与阀体轴线的交点间距离，mm
    只要给定α、γ、H，按照式（14），结合密封面上任意点的坐标，就可以计算出每一点的最小径向偏心。提取所有点中最小径向偏心中的最大值，该最大值就是密封面不发生干涉的最小径向偏心值。
    4 运动干涉程序设计
    在实际操作中，通过求出蝶板密封面上每个坐标的θ值分析三偏心蝶阀的干涉情况，需要计算的坐标数以千计。如果用手工计算，计算过程比较复杂和繁琐，工作量大，为了节省时间和提高工作效率，采用C#．NET语言开发相应的设计软件。C#．NET是以．NET框架为基础的一种高级编程语言。能够快捷、方便地开发图形设计、图像处理及其多媒体技术的Windows应用程序（WPF）［5］。运动干涉程序三维模型采用WPF程序编程。
    利用角度剖切的方法，通过程序设计，可以计算出三偏心蝶阀密封面上的任意一点的坐标和启闭性能指示角。根据启闭性能指示角的大小为三维模型上的每个小单元格填涂颜色，并通过颜色的不同显示出三偏心蝶阀密封面的干涉情况。
    根据上述的分析，编写三偏心蝶阀干涉分析软件的程序，其流程框图如图4所示。

图4 设计程序流程示意

    输入S平面的个数rr和刨切椭圆等分个数AA，在第一个S平面（0切面）上进行角度剖切，计算出0切面上的所有点的坐标，根据的大小判断该切面上的所有点是否干涉，依次循环，计算出1，2，…，rr切面上的点的坐标，并判断是否干涉。
    5 实例
    5.1 操作界面
    用户通过三偏心蝶阀干涉分析软件的操作界面的显示输入相应的设计参数和等份数。当触发“计算”按钮时，在窗口的右侧显示蝶板的三维模型，并通过彩色云图反映出蝶板上是否干涉的大致情况；在窗口的下方显示出蝶板密封面各点的坐标（x，y，z）及对应点的启闭性能指示角和径向偏心值，并判定蝶板运动是否发生干涉，如图5所示。同时在模型上单击鼠标，可获取单个点的计算值，并显示该点的坐标。

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    5.2 实例分析
    以DN200mm，PN1.6MPa的三偏心蝶阀为实例，分析其密封面干涉情况。其中α=12°、γ=8°、E=5mm、H=25.5mm、T=8mm、D1=190mm。设定等分平面次数n=90，椭圆等分次数，角度精度A=0.005°。
    三偏心蝶阀密封面干涉云图如图5所示，图中，深色区域代表干涉部分（θ＜0）；表1列举了任意采集的8个点的坐标，以及对应点的启闭性能指示角、最小径向偏心和是否干涉情况。如点（90.413，25.956，442.545）、（89.801，28.130，442.725）的θ＜0，为干涉点；点（93.637，4.888，441.127）、（78.409，53.508，446.595）的θ＞0，为不干涉点。

图5 密封面干涉云图
表1 密封面上8个坐标点的干涉情况

    若输入其他参数，可计算整个不发生干涉的最小径向偏心，此偏心值计算的蝶板扭矩是蝶板的最小扭矩。由此可以优化蝶板偏心值，为三偏心蝶阀驱动装置的选取提供了依据。
    6 结论
    （1）采用角度刨切法，计算了密封面任意点的坐标，建立了启闭性能指示角计算模型；
    （2）利用C#．NET编程语言编程，分析和判定了三偏心蝶阀运动干涉；
    （3）通过程序计算，能够定量的确定密封面干涉点的位置和干涉角度，也能通过界面云图确定密封面的范围；
    （4）调整三偏心参数，使θ≥0，由此可以确定三偏心蝶阀最小的径向偏心，为三偏心蝶阀驱动装置的选取提供了依据；
    （5）软件从构建到计算结果输出简单、直观、易于掌握和使用。
    参考文献
    ［1］鹿彪，张立红．金属硬密封蝶阀的设计与研制［J］．阀门，1996，（3）：2-6．
    ［2］郝承明．三偏心蝶阀密封结构的分析与研究［J］．阀门，2001，（1）：1-28．
    ［3］梁瑞，姜峰，俞树荣，等．三偏心结构蝶阀金属密封副干涉几何学分析［J］．流体机械，2003，31（5）：22-24．
    ［4］彭廷红，姚进，杨济华，等．三偏心蝶阀密封结构启闭性能分析［J］．阀门，2003，（1）：1-3，13．
    ［5］周礼．C#和．NET3．0第一步［M］．北京：清华大学出版社，2008．