桁架过流式三偏心蝶阀的干涉分析
2021-04-19韦彦强何世权吴倩倩刘帅帅
韦彦强 何世权 吴倩倩 刘帅帅
（南京工业大学机械与动力工程学院）
蝶阀作为一种流体管道控制部件， 由于体积小、质量轻且性能好，在各领域被广泛应用。三偏心蝶阀各方面的性能都要优于其他偏心种类的蝶阀，很大程度上解决了传统蝶阀的泄漏与磨损问题，因此三偏心蝶阀近年来一直被广泛关注［1］。 目前，市面上有多种三偏心蝶阀的结构类型，但如果三偏心结构设计存在缺陷，将会对阀门的各方面性能有很大影响， 从而影响实际生产。 此前已有学者利用SolidWorks软件对蝶阀是否发生干涉进行了检验。在此，笔者基于MATLAB设计了一种可以快速检验三偏心蝶阀是否干涉的程序，以提供一种可以快速检验三偏心蝶阀设计是否合格的方法。
1 几何模型
以DN350mm、PN2.5MPa、 阀体材料为Q345A的桁架过流式三偏心蝶阀为研究对象，根据模型基本参数， 通过SolidWorks三维建模软件建立对夹式金属密封蝶阀三维模型如图1所示［2］。
图1 桁架过流式三偏心蝶阀三维模型
2 回转中心的确定
2.1 蝶板厚度的计算
蝶板厚度E的计算公式为：
式中 DN——蝶阀的公称通径，mm；
pN——公称压力，MPa；
pt——水锤压力，MPa；
［σb］——材料的许用拉应力，MPa；
μ——磨蚀余量，mm。
代入相关数据计算得到E=20mm。
2.2 蝶板锥度的计算
密封副的摩擦系数与蝶板的锥度关系紧密，由密封副的材料可知，密封副摩擦系数fm选取0.4，tan2θ≤fm，计算得出锥度θ=10.9°，取θ=12.5°，则蝶板中性面椭圆的长半轴A、短半轴B分别为：
其中，A0为蝶板大端椭圆长半轴。
2.3 回转中心的选定
图2为三偏心蝶阀的结构示意图。 蝶板的密封接触面为ABCD面，U为蝶板的回转中心， 当蝶板关闭时，A、D两点最先进入阀座密封面，若A点的运动轨迹一直在AB之上，说明蝶板在启闭过程中无干涉，同时D点运动轨迹应一直保持在CD以下。 过A、D两点分别作AB和CD的垂线AF与DG并相交于M点，回转中心需在DMF面内。为了保证轴头两端无干涉，回转中心必须在流道中心线的上方， 图示阴影部分即为回转中心的合适区域，其中N为x轴与DG的交点，P为x轴与轴向偏心的交点，Q为x轴与AF的交点［3～7］，φ 为角偏心，γ 为半锥线，γ1为半锥线1，e为偏心距。
图2 桁架过流式三偏心蝶阀结构示意图
3 干涉分析
3.1 阀门干涉的原理
当三偏心蝶阀的蝶板关闭时，阀座的密封面与阀板的密封面正好完全接触；当三偏心蝶阀蝶板开启时，阀板密封面离开阀座密封面。 由于阀板的启闭是可逆的，所以在三偏心蝶阀的启闭过程中， 阀板能自由抵紧和离开阀座而不产生干涉，但若设计未达到要求，将会发生干涉现象。
由2.3节的分析可知，回转中心必须在DMF面内，否则将会发生干涉。设在DMF面上有一点i，该点与A、D、Q3点连线的斜率分别记为kiA、kiD和kiQ，若所有点满足kiA≤kiQ且kiD≤kND，则该三偏心蝶阀不发生干涉，反之，若有一点不满足，则该三偏心蝶阀发生干涉［8～12］。
将DMF面上的某条直线离散为n个点， 该三偏心蝶阀不发生干涉的充分必要条件为kiA≤kiQ且kiD≤kND（1≤i≤n），具体表达式为：
其中， 变量H为回转中心到阀板的距离，γ=arctan（tan2θtanφ）。
3.2 图形用户界面干涉程序的设计及检验
图形用户界面 （Graphical User Interface，GUI）是MATLAB实现人机互动的重要模块。 由于设置的离散点与相关变量较多， 所以采用GUI界面来实现干涉检验程序的开发［13，14］。
干涉程序的设计思路为：将回转中心所在区域面DMF分为m条直线，分别将直线离散为n个点，判断每条直线上的点是否满足式（4）；若满足，则计算下一条直线，直到所有直线计算完成；若所有的点都满足式（4），则说明三偏心蝶阀没有发生干涉现象［15，16］。干涉检验程序流程如图3所示。
图3 干涉检验程序流程
在MATLAB中将图3的流程编写成对应的程序， 并在GUI界面里输入桁架式三偏心蝶阀的参数进行干涉检验，验证结果如图4所示。 由图4可知，回转中心所在区域划分成100条直线，每条线离散为200个点，共检验20 000个点，发现无一点干涉，证明此三偏心蝶阀无干涉现象。
图4 干涉检验结果
4 结论
4.1 根据三偏心蝶阀的干涉原理，提出了确定回转中心位置的方法，并推导了三偏心蝶阀的相关参数与干涉之间的关系。
4.2 基于MATLAB设计了可以快速检验三偏心蝶阀是否干涉的程序，提供了一种可以快速检验各类三偏心蝶阀设计是否合格的方法，对三偏心蝶阀的结构设计工作具有一定的指导意义。
4.3 笔者设计了一种三偏心蝶阀干涉检验程序，验证了其可行性以及所用三偏心蝶阀结构的合理性。
