基于SolidWorks的旋塞閥流道截面積計算方法研究

丁文義，王洪申，王博文，張家振

(1. 蘭州理工大學 機電工程學院， 甘肅 蘭州 730050； 2. 浙江維都利閥門制造有限公司， 浙江 溫州 325011)

0 引言

在生產使用過程中，控制流量所要把握的“度”，可以通過流體流過的流道截面面積得到初步的控制[5]。閥門生產企業在設計、生產、校驗中需用到流道截面積數據，客戶在提供產品需求時通常會有旋塞轉過角度所對應打開截面面積的設計要求，因此計算旋塞閥在打開不同角度下流道截面面積十分重要。但對于旋塞上設有密封襯套的旋塞閥，圓錐形旋塞轉過不同角度所打開的流道截面面積很難快速準確地計算，且旋塞轉過不同角度與閥體流道形成的流道面都會有幾何上的變化，這也為流道截面積的計算增添了難度。圓錐形旋塞打開處的流道截面因有一定角度無法得到確定的值，鑒于這種情況，本文提出基于SolidWorks軟件三維建模方式的模擬計算旋塞閥旋塞轉過不同角度打開流道截面積方法。

1 三維建模及流道截面分析

1.1 建立三維模型

本文研究對象為密封襯套旋塞閥結構，旋塞與密封襯套為圓錐形，錐度為2°。因所求面積為旋塞轉過一定角度旋塞上流道打開面積，故將旋塞流道與閥體流道的分析簡化為旋塞流道與密封襯套流道形成的模型分析，密封襯套固定不動，旋塞進行相應轉動，兩者形成的流道截面面積即為所求流道截面面積。

在SolidWorks中建立旋塞與密封襯套的三維模型，進行裝配，圖1(a)、圖1(b)分別為旋塞和密封襯套的三維模型，圖1(c)是裝配體。

圖1 旋塞與密封襯套零件模型與裝配體

在圖1(c)的裝配中可以看出旋塞在旋轉一定角度后與密封襯套形成了一定的流通面積，此面積形狀不規則，且隨著轉過的角度變化。因旋塞與密封襯套都是圓錐形，上下都為圓弧，此流通面積為弧面，且與豎直方向有一定角度。此弧面兩條邊線所在平面上的截面，就是所要求的旋塞閥旋塞打開面積。

1.2 流道截面分析

為了直觀地分析旋塞閥旋塞轉過一定角度旋塞打開流道截面所在平面的位置變化，將圖1(c)模型進行了簡化，將旋塞及密封襯套頂部、底部圓弧和圓角消去，只表達旋塞打開流道截面隨著旋塞轉動所在平面的變化。

圖2(a)為圓錐形示意圖，錐度為2°。流體流過方向為ab，隨著旋塞按方向MN轉動，旋塞打開流通面也隨之發生變化。旋塞轉過α角后與密封襯套間形成了一個流通面，此流通面為弧面ABGF。所求的流道截面是位于弧面ABGF對應的平面ABGF之上。旋塞繼續轉動，轉過β角，流通面變為弧面ACHF，流道截面在ACHF平面上。隨著旋塞旋轉角度的變化，流道截面也隨之改變[5]。

計算轉過α角的旋塞打開流道截面的大小，需要在平面ABGF上求解計算。轉過β角，計算打開的流道截面面積的平面變為平面ACHF。旋塞轉過不同角度，計算的流道截面會位于不同的平面上。所求流道截面所在平面的變化，不僅增加了計算流道截面面積的時間，還增大了難度。若將所求流道截面圖形投影到所對應的豎直平面內，因旋塞與密封襯套為圓錐形，雖然可以減少計算時間，但結果會存在誤差。

圖2 流道截面面積變化示意圖及旋塞轉過50°時流道截面

綜上兩種原因，求旋塞轉過某個角度，旋塞打開流道截面面積大小的計算已如此復雜，計算旋塞轉過不同角度時旋塞打開的流道截面面積大小難度將會更大，計算更為繁瑣。因此研究旋塞閥旋塞打開流道截面面積大小計算的方法很有意義。

從表1可知，隨著法蘭盤厚度的增加，安全系數增大，同時當安全系數(n)=4時，法蘭盤的厚度值應在14.5～17.25 mm之間.為了進一步優化，取法蘭盤厚度t=14～17 mm，通過響應面優化，得到法蘭盤厚度與安全系數的對應關系如圖10所示.

2 流道截面面積計算方法

2.1 方法思路

本文通過在SolidWorks中建立密封襯套和旋塞的三維模型，以模擬的方式借助SolidWorks中的功能來計算旋塞閥流道截面面積，結果準確，效率高。圖3為流道截面面積計算方法流程圖。

圖3 方法流程圖

2.2 計算過程

1) 模型的建立與簡化

在SolidWorks中建立旋塞與密封襯套的三維模型，并將之裝配，詳見圖1。在裝配體中可旋轉旋塞，查看不同角度(0°～90°)下旋塞打開流道面積情況。設定0°為完全封閉狀態。在建立好三維模型后，雖可直觀地看到旋塞打開面積的變化，但對于面積大小的測量計算無從下手，于是采取逆向思維，將流道轉換為實體，可更為方便地測量計算流道截面面積。因計算的只是旋塞打開的面積，所以將密封襯套腔內簡化，只保證了進出口的大小和形狀。圖4(a)為旋塞流道模型，圖4(b)為密封襯套流道模型，圖4(c)為旋塞流道模型與密封襯套流道模型裝配體。此時，兩流道模型角度為0°。

圖4 流道實體化三維模型

密封襯套流道固定不動，相當于旋塞閥閥體，旋轉旋塞流道模型(深色)可根據配合中的角度，按每次旋轉需要的角度旋轉。圖5裝配體模型旋轉50°。此時發現旋塞流道與襯套流道有共同的結合面，這個結合面就是所求流道截面對應的弧面。

圖5 旋塞流道模型旋轉50°

將旋轉好一定角度的兩流道模型的裝配體另存為SolidWorks格式part(*.prt;*.sldprt)的零件圖。打開此零件，在SolidWorks中進行布爾運算。選擇“組合”命令，在“組合的實體”中選擇2個零件，則組合的效果是保留2個零件公共的部分。圖6為旋塞轉過50°時旋塞流道與密封襯套流道共同實體部分。共同實體部分前端弧面即為實際旋塞打開流道截面對應的弧面。此弧面所對應的截面，因弧面的兩條邊線都在同一個圓錐面上，左邊邊線固定不動，是襯套的邊線；右邊邊線為旋塞流道的邊線，隨閥桿轉動同樣轉過相同的角度，兩條邊線的錐度都為2°，故兩條邊線在同一平面上。

圖6 旋塞流道與密封襯套流道共同實體

2) 流道截面面積計算

為獲得旋塞轉過50°后流道截面面積值，先以圖7(a)中弧面右側平面為草圖繪制平面，旋塞流道邊線為邊繪制拉伸切除草圖。以圖7(b)中所示上視基準面為草圖平面，將布爾運算求得的弧面頂端弧線轉換成實體，連接投影基準面上弧線的兩端點，確定拉伸切除方向。圖7(c)進行拉伸切除獲得旋塞旋轉50°時流道截面。圖7(d)為旋塞旋轉50°時流道截面。

圖7 流道截面獲取

求此截面面積。選擇“測量”命令，點擊所要測的截面，即可得到流道截面面積。圖8為旋塞轉過50°時，旋塞打開弧面處的截面面積，值為6751.92mm2。

圖8 流道截面面積

依照上述方法，可求得此模型旋塞轉過不同角度(0°～90°)時，旋塞打開的流道截面面積，見表1。

表1 旋塞轉過不同角度時打開流道截面面積及其所占百分比

3 結語

本文方法既可直觀旋塞閥閥體內部旋塞轉過不同角度時旋塞與密封襯套或閥體流道打開流道截面面積的變化，又可快速準確地獲得旋塞轉過不同角度下的旋塞打開流道截面面積數值，不需要耗費大量的精力和時間進行復雜的計算。無論是對于圓錐形還是圓柱形旋塞均可以快速準確地計算出打開流道截面積值，效率高，準確度高。