基于C#.NET的三偏心蝶閥干涉分析軟件的研究
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(dòng)干涉，以C#高級語(yǔ)言為工具，開(kāi)發(fā)了三偏心蝶閥密封面干涉的設計軟件，經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(zhì)的適用性，被廣泛應用于石油、化工、冶金、電力等行業(yè)。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(kāi)啟靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]，同時(shí)由于其偏心錐角的作用，在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)能夠實(shí)現自鎖，因此，三偏心硬密封蝶閥在現代閥門(mén)工業(yè)中得到了快速發(fā)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(guò)程中是否與閥座產(chǎn)生運動(dòng)干涉的主要因素，由于其密封副各接觸點(diǎn)運動(dòng)軌跡復雜，不合理的偏心結構，易于使蝶板在啟閉過(guò)程中產(chǎn)生卡阻。本文通過(guò)對三偏心蝶閥的閥板運動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，找出其產(chǎn)生干涉的原因，利用C#.NET高級編程語(yǔ)言，設計三偏心蝶閥干涉的分析程序，通過(guò)求解蝶板密封面上每個(gè)坐標的干涉角度θ，判斷蝶板運動(dòng)是否發(fā)生干涉，并能優(yōu)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(dòng)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(shí)體，如圖1所示。3個(gè)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(xiàn)與閥桿中心相對偏心(長(cháng)度H);第二偏心是指閥桿中心與閥門(mén)通道中心的相對偏心(長(cháng)度E);第三偏心是指圓錐形密封面的中心線(xiàn)與閥門(mén)通道中心線(xiàn)的相對偏心(角度γ) [2，3]。直線(xiàn)AB表示閥座密封面上某點(diǎn)m在某個(gè)平面處的切線(xiàn)方向;υ代表蝶板在該點(diǎn)的速度方向;速度方向和切線(xiàn)AB的夾角為θ，θ逆時(shí)針?lè )较驗檎�，順時(shí)方向針為負。文中稱(chēng)θ為啟閉性能指示角。
圖1 三偏心蝶閥密封結構
蝶板逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，蝶板開(kāi)啟。當速度方向υ位于切線(xiàn)AB方向的下方時(shí)，密封副不發(fā)生干涉，θ≥0；當速度方向位于切線(xiàn)AB方向的上方時(shí)，密封副發(fā)生干涉，θ<0。由此可知，當θ<0時(shí)，密封副運動(dòng)存在干涉。因此，在設計過(guò)程中，確定合理的三個(gè)偏心量，保證θ≥0，從而解決干涉問(wèn)題。
3、運動(dòng)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(zhù)閥體通道中心線(xiàn)的垂直方向等分為n份，得到n+1個(gè)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(diǎn)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(diǎn)為圓心，將每個(gè)橢圓平面按等角度平分為n等份進(jìn)行等角度刨切，從而得到橢圓曲線(xiàn)和直線(xiàn)OA的交點(diǎn)m，計算m點(diǎn)的啟閉性能指示角。其中直線(xiàn)OA的方程為：
聯(lián)立式(1)、(2)，解得x、y：
當φ=90°，x=0時(shí)：
輸入已知設計參數D1、T、E、H、α、γ，即可確定m點(diǎn)的坐標(xi，y，z)。其中D1代表蝶板密封面中徑的長(cháng)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(dòng)關(guān)系，計算m點(diǎn)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(diǎn)繞O1旋轉運動(dòng)時(shí)的速度方向，θ是運動(dòng)方向與m點(diǎn)切線(xiàn)的夾角，即該點(diǎn)的啟閉性能指示角[3]。
圖3 運動(dòng)關(guān)系
由圖3中的幾何關(guān)系可得：
式中 y01，z01———閥桿中心的坐標
根據式(7)～(9)可求出m點(diǎn)的啟閉性能指示角，并判斷其干涉情況。即θ≥0當時(shí)，密封副不發(fā)生干涉;θ<0時(shí)，密封副發(fā)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(guò)設定變量的值來(lái)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(guān)，為了使閥門(mén)在關(guān)閉位置時(shí)實(shí)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(shí)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(guān)系得：
γ=α-η (11)
式中 α———摩擦角，°，tgα=fm；η———圓錐母線(xiàn)與閥門(mén)流道中心線(xiàn)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(shí)，密封副不發(fā)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(xiàn)的交點(diǎn)和與閥體軸線(xiàn)的交點(diǎn)間距離，mm
只要給定α、γ、H，按照式(14)，結合密封面上任意點(diǎn)的坐標，就可以計算出每一點(diǎn)的最小徑向偏心。提取所有點(diǎn)中最小徑向偏心中的最大值，該最大值就是密封面不發(fā)生干涉的最小徑向偏心值。
4、運動(dòng)干涉程序設計
在實(shí)際操作中，通過(guò)求出蝶板密封面上每個(gè)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(guò)程比較復雜和繁瑣，工作量大，為了節省時(shí)間和提高工作效率，采用C#.NET語(yǔ)言開(kāi)發(fā)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(yǔ)言。能夠快捷、方便地開(kāi)發(fā)圖形設計、圖像處理及其多媒體技術(shù)的Windows應用程序(WPF) [5] 。運動(dòng)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(guò)程序設計，可以計算出三偏心蝶閥密封面上的任意一點(diǎn)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(gè)小單元格填涂顏色，并通過(guò)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(xiě)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(gè)數rr和刨切橢圓等分個(gè)數AA，在第一個(gè)S平面(0切面)上進(jìn)行角度剖切，計算出0切面上的所有點(diǎn)的坐標，根據的大小判斷該切面上的所有點(diǎn)是否干涉，依次循環(huán)，計算出1，2，…，rr切面上的點(diǎn)的坐標，并判斷是否干涉。
5、實(shí)例
5.1、操作界面
用戶(hù)通過(guò)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(fā)“計算”按鈕時(shí)，在窗口的右側顯示蝶板的三維模型，并通過(guò)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(diǎn)的坐標(x，y，z)及對應點(diǎn)的啟閉性能指示角和徑向偏心值，并判定蝶板運動(dòng)是否發(fā)生干涉，如圖5所示。同時(shí)在模型上單擊鼠標，可獲取單個(gè)點(diǎn)的計算值，并顯示該點(diǎn)的坐標。
5.2、實(shí)例分析
以DN200mm，PN1.6MPa的三偏心蝶閥為實(shí)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(gè)點(diǎn)的坐標，以及對應點(diǎn)的啟閉性能指示角、最小徑向偏心和是否干涉情況。如點(diǎn)(90.413，25.956，442.545)、(89.801，28.130，442.725)的θ<0，為干涉點(diǎn);點(diǎn)(93.637，4.888，441.127)、(78.409，53.508，446.595)的θ>0，為不干涉點(diǎn)。
圖5 密封面干涉云圖
表1 密封面上8個(gè)坐標點(diǎn)的干涉情況
若輸入其他參數，可計算整個(gè)不發(fā)生干涉的最小徑向偏心，此偏心值計算的蝶板扭矩是蝶板的最小扭矩。由此可以?xún)?yōu)化蝶板偏心值，為三偏心蝶閥驅動(dòng)裝置的選取提供了依據。
6、結論
(1)采用角度刨切法，計算了密封面任意點(diǎn)的坐標，建立了啟閉性能指示角計算模型;
(2)利用C#.NET編程語(yǔ)言編程，分析和判定了三偏心蝶閥運動(dòng)干涉;
(3)通過(guò)程序計算，能夠定量的確定密封面干涉點(diǎn)的位置和干涉角度，也能通過(guò)界面云圖確定密封面的范圍;
(4)調整三偏心參數，使θ≥0，由此可以確定三偏心蝶閥最小的徑向偏心，為三偏心蝶閥驅動(dòng)裝置的選取提供了依據;
(5)軟件從構建到計算結果輸出簡(jiǎn)單、直觀(guān)、易于掌握和使用。
參考文獻
[1]鹿彪，張立紅.金屬硬密封蝶閥的設計與研制[J].閥門(mén)，1996，(3)：2-6.
[2]郝承明.三偏心蝶閥密封結構的分析與研究[J].閥門(mén)，2001，(1)：1-28.
[3]梁瑞，姜峰，俞樹(shù)榮，等.三偏心結構蝶閥金屬密封副干涉幾何學(xué)分析[J].流體機械，2003，31(5)：22-24.
[4]彭廷紅，姚進(jìn)，楊濟華，等.三偏心蝶閥密封結構啟閉性能分析[J].閥門(mén)，2003，(1)：1-3，13.
[5]周禮.C#和.NET3.0第一步[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.
