淺談一種反沖洗閥結構原理的分析與動畫演示

張曉洋，張彥斌，韓文超，賀少旭

（河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003）

使用三維建模軟件能夠對閥門產品進行參數化設計，也可以對三維模型的一系列參數進行仿真優化。配合使用3DsMAX，可以在solideworks參數模型的基礎上發揮3DsMAX強大的產品及場景渲染功能，加強對產品工業效果的渲染和視覺化表達，更直觀形象地表達閥門的結構原理等工業信息。馬磊等使用Pro/E軟件構建了產品的三維模型后，轉換文件格式導入動畫渲染軟件中完成了對產品的渲染表達，提供了一種可行的產品表達的思路。芮鵬等使用3DsMAX動畫渲染軟件演示了一種新型礦用阻車器的結構及原理，證明了使用動畫渲染軟件表達機械產品的外觀信息是可行的。本文設計出一種用于農田節水灌溉設備的新型兩位三通反沖洗閥門，基于Solidworks軟件對其進行參數建模，配合3DsMAX的外觀渲染和動畫演示功能，對閥門的結構原理進行仿真和演示。

1 新型反沖洗閥門的原理

1.1 反沖洗閥門的比較分析

傳統的反沖洗設備往往采用四閥門組合控制的結構，如圖1所示，圖1（a）中出水管路上的兩個閥門打開，控制排污口和反向出水的閥門關閉，此時，只有出水管路連通，水流通過過濾裝置，系統處于過濾模式；圖1（b）中出水管路上的兩個閥門關閉，控制排污口和反向出水的閥門打開，此時，只有反向出水的管路連通，水流反向通過過濾環節，直至從排污口排出，系統實現反沖洗。傳統的反沖洗設備控制多閥門實現變位工作，同時啟閉時，易引起過大的流量系數脈動，產生漩渦、汽蝕，磨損、腐蝕管路。

圖1 傳統四閥門組合控制的反沖洗裝備的原理示意圖

一種新型隔膜兩位三通反沖洗閥門，該型閥門兩位三通的結構集成了出水管路和反沖洗排污管路，相較傳統四閥門組合控制的設備，結構上使用單個該型反沖洗閥即可實現流量變位控制，減少控制閥數量，極大地簡化了設備的結構。控制效果上，啟閉過程管線穩定性提高，換向速度快，停機概率低，與管道輸流過程緊密嵌合，極大地節約了反沖洗過程的設備調節時間，換向過程以管線壓力或壓縮空氣驅動，簡化了控制方法，降低了控制成本。同時，避免了傳統設計多個閥門同時啟閉控制時的設備損耗，降低了裝備成本，提高了工作效率。借鑒這類閥門的原理設計了一種新型反沖洗閥。

1.2 新型反沖洗閥的結構描述

新型兩位三通反沖洗閥(見圖2)主要由閥體、控制腔（控制反沖洗啟閉）、閥芯以及其他附件組成。閥體的設計集成了進口、出口、管道阻隔壁、反沖洗排污口，決定了閥門反沖洗控制的方式。氣腔使用固定隔膜，通過橡膠隔膜易變形的特點來控制閥芯的行程位置。相對很多活塞結構接觸密閉的反沖洗閥，該型閥門兩位三通結構具有高的氣密性，控制效果更強。閥芯為不銹鋼桿件驅動，力學性能優異，耐腐蝕而適應性強。不銹鋼閥桿和自潤滑材料直接接觸配合，保證了氣密性要求，符合閥門應用時的清潔需求，具有優良的動力性能和較高的驅動控制效率。

圖2 反沖洗狀態下的閥門結構簡圖

1.3 新型反沖洗閥的工作原理

新型反沖洗閥門是通過控制腔內相對壓強的變化來控制閥桿移動，改變閥芯位置，從而切換閥門的工作模式。控制腔內的相對壓強由最小值增大并超過控制高壓，閥桿帶動閥芯下移至完全關閉反沖洗排污口，此時，閥門進水口和出水口完全連通，閥門處于供水狀態；控制腔內的相對壓強由超過控制高壓的狀態減小至最小壓強，閥桿上移，帶動閥芯到達進水口與閥門腔體分界處并完全密封，此時，出水口與反沖洗口完全連通，出水口后的相對壓強反向，出水口壓強高于反沖洗口，閥門處于反沖洗模式。閥門工作狀態的轉換控制由控制腔相對壓強引起。控制腔相對壓強可以與系統連通，調整進水端的流量、壓強，即可以引起控制腔內相對壓強的定向變化，進而可以定向地對閥芯的位置進行準確的調整，完成對閥門工作模式的自動調整。

2 新型閥門參數模型的建立

2.1 閥門參數建模方法簡述

使用SolidWorks軟件完成對閥門的參數建模，該軟件支持自下向上（Down-Top）的和自上而下（Top-Down）的設計流程。SolidWorks中自下而上的設計方法是指完成對每個零件的單獨建模后，進行裝配，最終通過得到的零件或裝配體繪制工程圖的工業生產文件。自上而下是指在軟件的裝配體環境中，根據設計的裝配結構分別完成每個零件建模再進行裝配。

2.2 新型閥門模型建立的過程

在數字化設計技術的背景下，建立機械零件的三維模型逐漸成為表達機械產品工業信息的重要技術手段。設計的新型反沖洗閥在已經有閥門流量系數的設計要求的情況下，主要的規格尺寸已經確定，所以宜采用自上而下的設計思路。按照自下而上的流程，進入裝配體界面后，先完成決定閥門流量系數的閥體的三維設計（見圖3）。接著，根據控制壓強的設計參數范圍確定控制腔的空間容積，由此得出閥蓋的尺寸參數、裝配數據，據此完成閥蓋的三維建模及裝配。閥蓋的裝配確定了閥體工作空間的主要形態，由此就可以得到閥桿、閥芯、隔膜、調節彈簧等零件的三維模型數據和裝配關系，即可進行所有設計零件的三維參數建模和裝配模型，如圖4所示。

圖3 上閥體三維模型

4 新型反沖洗閥的三維裝配模型

2.3 閥門參數信息的表達

零件及裝配體工程圖是機械產品設計表達、加工制造、工業生產信息表達的必要文件。SolidWorks可以根據已知零件模型和裝配體模型制出工程圖等工業生產的必要文件。本文以閥體零件的工程圖（見圖5）繪制過程為例進行闡述，通過新建命令或者直接由目標零件進入工程圖界面后，選擇視圖配置方案，自動形成閥門的結構圖形，可以極大地簡化閥體零件工程圖的繪制。使用軟件提供的草圖命令欄、文字注釋工具，具有表達各類尺寸和技術要求的符號的標注命令，進行尺寸標注、技術要求標注，表達必要的工藝信息。

圖5 閥體零件的工程圖

除了傳統的工程圖外，SolidWorks還具有裝配體爆炸圖、運動算例等表達工業信息的文件制作功能。對裝配體做爆炸圖，操作快捷、表達直觀準確，可以清晰地表達出零件的相對位置和裝配信息，指導生產、組裝。運動算例采取時間畫幀的方式，動態顯示閥門的工作過程，并生成相應的視頻文件，有利于閥門工作原理的演示。

3 閥門模型的渲染和動畫演示

3.1 閥門模型的渲染

使用SolidWorks等參數建模軟件建立閥門的零件模型，其中包含零件的三維模型信息，裝配體的位置、裝配信息，加工制造的工藝信息等準確的機械加工所必須的工業生產參數。但在外觀渲染、產品原理的動態演示等方面，卻存在著視覺效果表達不完善、動態演示效果不佳，無法視覺化地表達一些產品材料的性質（如所述閥門的橡膠隔膜在工作過程中的變形）等的問題。

3DsMAX為代表的動畫渲染軟件有強大的模型外觀渲染，光效、質感、紋理的視覺化表達，產品材質的仿真化演示等優點。使用SolidWorks參數建模后，引入3DsMAX動畫渲染軟件進行外觀渲染和原理的動畫演示，可以充分發揮兩種不同的設計軟件各自的優勢。表達了閥門的加工制造的工業信息，呈現了閥門的產品效果。采用SolidWorks建模、轉為stl文件導入3DsMAX的設計步驟，建模過程更便捷，只需要在stl文件導入3DsMAX軟件后優化多邊形信息、提高模型文件的還原度即可完整清晰地得到閥門的3DsMAX模型。且采用這種方式，SolidWorks軟件會標記閥門各個零件模型的裝配關系，將其中任意一個零件模型導入3DsMAX軟件后，導入合并功能會自動引入被標記了裝配關系的其他零件模型并自動裝配，如圖6所示。

圖6 新型反沖洗閥的3DsMAX裝配渲染效果

3.2 參數建模與動畫渲染方法結合的優勢

使用3DsMAX軟件對SolidWorks軟件建立的參數模型進行渲染。可以表達出橡膠、彈簧等特殊材質或結構的構件的變形情況，視覺化的演示閥門的工作效果。依靠3DsMAX的外觀渲染功能，可以在色彩、紋理、材質上建立更加接近真實應用效果的閥門模型。同時，還可使用3DsMAX軟件建立閥門工作環境的視覺化模型。在外觀渲染的基礎上，依靠3DsMAX軟件強大的關鍵幀技術，使用3DsMAX軟件制作閥門的工作過程的動畫，也是表達和演示閥門結構及原理的有效方式。

與SolidWorks動畫算例相較，3DsMAX軟件通過明暗關系處理，“攝像機”“燈光”等命令，可以制作出紋理真實、色彩豐富、細節充實、環境關系協調的動畫視頻。兩種設計工具結合使閥門的結構原理等工業信息更加視覺化、真實化，作為工業產品演示和宣傳的重要方法。

4 結語

本文綜合使用SolidWorks等參數設計軟件和3DsMAX動畫渲染軟件，對所設計出的一種新型閥門進行工作原理表達和動畫演示。這種設計方法既可以依靠參數設計軟件滿足產品設計、制造的工業生產方面的需求，又能發揮動畫渲染軟件所長，直觀形象、視覺化地模擬出最終產品的外觀、使用狀態，可以動態地演示其各種工作情況。本文采用這種設計方法完成了一種新型反沖洗閥門的結構原理表達和動畫演示，驗證了此方法在工業產品設計、制造、表達中的實用性及價值，為工業產品設計、表達提供一種實用的方法。