浅谈一种反冲洗阀结构原理的分析与动画演示

张晓洋，张彦斌，韩文超，贺少旭

（河南科技大学机电工程学院，河南 洛阳 471003）

使用三维建模软件能够对阀门产品进行参数化设计，也可以对三维模型的一系列参数进行仿真优化。配合使用3DsMAX，可以在solideworks参数模型的基础上发挥3DsMAX强大的产品及场景渲染功能，加强对产品工业效果的渲染和视觉化表达，更直观形象地表达阀门的结构原理等工业信息。马磊等使用Pro/E软件构建了产品的三维模型后，转换文件格式导入动画渲染软件中完成了对产品的渲染表达，提供了一种可行的产品表达的思路。芮鹏等使用3DsMAX动画渲染软件演示了一种新型矿用阻车器的结构及原理，证明了使用动画渲染软件表达机械产品的外观信息是可行的。本文设计出一种用于农田节水灌溉设备的新型两位三通反冲洗阀门，基于Solidworks软件对其进行参数建模，配合3DsMAX的外观渲染和动画演示功能，对阀门的结构原理进行仿真和演示。

1 新型反冲洗阀门的原理

1.1 反冲洗阀门的比较分析

传统的反冲洗设备往往采用四阀门组合控制的结构，如图1所示，图1（a）中出水管路上的两个阀门打开，控制排污口和反向出水的阀门关闭，此时，只有出水管路连通，水流通过过滤装置，系统处于过滤模式；图1（b）中出水管路上的两个阀门关闭，控制排污口和反向出水的阀门打开，此时，只有反向出水的管路连通，水流反向通过过滤环节，直至从排污口排出，系统实现反冲洗。传统的反冲洗设备控制多阀门实现变位工作，同时启闭时，易引起过大的流量系数脉动，产生漩涡、汽蚀，磨损、腐蚀管路。

图1 传统四阀门组合控制的反冲洗装备的原理示意图

一种新型隔膜两位三通反冲洗阀门，该型阀门两位三通的结构集成了出水管路和反冲洗排污管路，相较传统四阀门组合控制的设备，结构上使用单个该型反冲洗阀即可实现流量变位控制，减少控制阀数量，极大地简化了设备的结构。控制效果上，启闭过程管线稳定性提高，换向速度快，停机概率低，与管道输流过程紧密嵌合，极大地节约了反冲洗过程的设备调节时间，换向过程以管线压力或压缩空气驱动，简化了控制方法，降低了控制成本。同时，避免了传统设计多个阀门同时启闭控制时的设备损耗，降低了装备成本，提高了工作效率。借鉴这类阀门的原理设计了一种新型反冲洗阀。

1.2 新型反冲洗阀的结构描述

新型两位三通反冲洗阀(见图2)主要由阀体、控制腔（控制反冲洗启闭）、阀芯以及其他附件组成。阀体的设计集成了进口、出口、管道阻隔壁、反冲洗排污口，决定了阀门反冲洗控制的方式。气腔使用固定隔膜，通过橡胶隔膜易变形的特点来控制阀芯的行程位置。相对很多活塞结构接触密闭的反冲洗阀，该型阀门两位三通结构具有高的气密性，控制效果更强。阀芯为不锈钢杆件驱动，力学性能优异，耐腐蚀而适应性强。不锈钢阀杆和自润滑材料直接接触配合，保证了气密性要求，符合阀门应用时的清洁需求，具有优良的动力性能和较高的驱动控制效率。

图2 反冲洗状态下的阀门结构简图

1.3 新型反冲洗阀的工作原理

新型反冲洗阀门是通过控制腔内相对压强的变化来控制阀杆移动，改变阀芯位置，从而切换阀门的工作模式。控制腔内的相对压强由最小值增大并超过控制高压，阀杆带动阀芯下移至完全关闭反冲洗排污口，此时，阀门进水口和出水口完全连通，阀门处于供水状态；控制腔内的相对压强由超过控制高压的状态减小至最小压强，阀杆上移，带动阀芯到达进水口与阀门腔体分界处并完全密封，此时，出水口与反冲洗口完全连通，出水口后的相对压强反向，出水口压强高于反冲洗口，阀门处于反冲洗模式。阀门工作状态的转换控制由控制腔相对压强引起。控制腔相对压强可以与系统连通，调整进水端的流量、压强，即可以引起控制腔内相对压强的定向变化，进而可以定向地对阀芯的位置进行准确的调整，完成对阀门工作模式的自动调整。

2 新型阀门参数模型的建立

2.1 阀门参数建模方法简述

使用SolidWorks软件完成对阀门的参数建模，该软件支持自下向上（Down-Top）的和自上而下（Top-Down）的设计流程。SolidWorks中自下而上的设计方法是指完成对每个零件的单独建模后，进行装配，最终通过得到的零件或装配体绘制工程图的工业生产文件。自上而下是指在软件的装配体环境中，根据设计的装配结构分别完成每个零件建模再进行装配。

2.2 新型阀门模型建立的过程

在数字化设计技术的背景下，建立机械零件的三维模型逐渐成为表达机械产品工业信息的重要技术手段。设计的新型反冲洗阀在已经有阀门流量系数的设计要求的情况下，主要的规格尺寸已经确定，所以宜采用自上而下的设计思路。按照自下而上的流程，进入装配体界面后，先完成决定阀门流量系数的阀体的三维设计（见图3）。接着，根据控制压强的设计参数范围确定控制腔的空间容积，由此得出阀盖的尺寸参数、装配数据，据此完成阀盖的三维建模及装配。阀盖的装配确定了阀体工作空间的主要形态，由此就可以得到阀杆、阀芯、隔膜、调节弹簧等零件的三维模型数据和装配关系，即可进行所有设计零件的三维参数建模和装配模型，如图4所示。

图3 上阀体三维模型

4 新型反冲洗阀的三维装配模型

2.3 阀门参数信息的表达

零件及装配体工程图是机械产品设计表达、加工制造、工业生产信息表达的必要文件。SolidWorks可以根据已知零件模型和装配体模型制出工程图等工业生产的必要文件。本文以阀体零件的工程图（见图5）绘制过程为例进行阐述，通过新建命令或者直接由目标零件进入工程图界面后，选择视图配置方案，自动形成阀门的结构图形，可以极大地简化阀体零件工程图的绘制。使用软件提供的草图命令栏、文字注释工具，具有表达各类尺寸和技术要求的符号的标注命令，进行尺寸标注、技术要求标注，表达必要的工艺信息。

图5 阀体零件的工程图

除了传统的工程图外，SolidWorks还具有装配体爆炸图、运动算例等表达工业信息的文件制作功能。对装配体做爆炸图，操作快捷、表达直观准确，可以清晰地表达出零件的相对位置和装配信息，指导生产、组装。运动算例采取时间画帧的方式，动态显示阀门的工作过程，并生成相应的视频文件，有利于阀门工作原理的演示。

3 阀门模型的渲染和动画演示

3.1 阀门模型的渲染

使用SolidWorks等参数建模软件建立阀门的零件模型，其中包含零件的三维模型信息，装配体的位置、装配信息，加工制造的工艺信息等准确的机械加工所必须的工业生产参数。但在外观渲染、产品原理的动态演示等方面，却存在着视觉效果表达不完善、动态演示效果不佳，无法视觉化地表达一些产品材料的性质（如所述阀门的橡胶隔膜在工作过程中的变形）等的问题。

3DsMAX为代表的动画渲染软件有强大的模型外观渲染，光效、质感、纹理的视觉化表达，产品材质的仿真化演示等优点。使用SolidWorks参数建模后，引入3DsMAX动画渲染软件进行外观渲染和原理的动画演示，可以充分发挥两种不同的设计软件各自的优势。表达了阀门的加工制造的工业信息，呈现了阀门的产品效果。采用SolidWorks建模、转为stl文件导入3DsMAX的设计步骤，建模过程更便捷，只需要在stl文件导入3DsMAX软件后优化多边形信息、提高模型文件的还原度即可完整清晰地得到阀门的3DsMAX模型。且采用这种方式，SolidWorks软件会标记阀门各个零件模型的装配关系，将其中任意一个零件模型导入3DsMAX软件后，导入合并功能会自动引入被标记了装配关系的其他零件模型并自动装配，如图6所示。

图6 新型反冲洗阀的3DsMAX装配渲染效果

3.2 参数建模与动画渲染方法结合的优势

使用3DsMAX软件对SolidWorks软件建立的参数模型进行渲染。可以表达出橡胶、弹簧等特殊材质或结构的构件的变形情况，视觉化的演示阀门的工作效果。依靠3DsMAX的外观渲染功能，可以在色彩、纹理、材质上建立更加接近真实应用效果的阀门模型。同时，还可使用3DsMAX软件建立阀门工作环境的视觉化模型。在外观渲染的基础上，依靠3DsMAX软件强大的关键帧技术，使用3DsMAX软件制作阀门的工作过程的动画，也是表达和演示阀门结构及原理的有效方式。

与SolidWorks动画算例相较，3DsMAX软件通过明暗关系处理，“摄像机”“灯光”等命令，可以制作出纹理真实、色彩丰富、细节充实、环境关系协调的动画视频。两种设计工具结合使阀门的结构原理等工业信息更加视觉化、真实化，作为工业产品演示和宣传的重要方法。

4 结语

本文综合使用SolidWorks等参数设计软件和3DsMAX动画渲染软件，对所设计出的一种新型阀门进行工作原理表达和动画演示。这种设计方法既可以依靠参数设计软件满足产品设计、制造的工业生产方面的需求，又能发挥动画渲染软件所长，直观形象、视觉化地模拟出最终产品的外观、使用状态，可以动态地演示其各种工作情况。本文采用这种设计方法完成了一种新型反冲洗阀门的结构原理表达和动画演示，验证了此方法在工业产品设计、制造、表达中的实用性及价值，为工业产品设计、表达提供一种实用的方法。