基于SolidWorks的旋塞阀流道截面积计算方法研究

丁文义，王洪申，王博文，张家振

(1. 兰州理工大学 机电工程学院， 甘肃 兰州 730050； 2. 浙江维都利阀门制造有限公司， 浙江 温州 325011)

0 引言

在生产使用过程中，控制流量所要把握的“度”，可以通过流体流过的流道截面面积得到初步的控制[5]。阀门生产企业在设计、生产、校验中需用到流道截面积数据，客户在提供产品需求时通常会有旋塞转过角度所对应打开截面面积的设计要求，因此计算旋塞阀在打开不同角度下流道截面面积十分重要。但对于旋塞上设有密封衬套的旋塞阀，圆锥形旋塞转过不同角度所打开的流道截面面积很难快速准确地计算，且旋塞转过不同角度与阀体流道形成的流道面都会有几何上的变化，这也为流道截面积的计算增添了难度。圆锥形旋塞打开处的流道截面因有一定角度无法得到确定的值，鉴于这种情况，本文提出基于SolidWorks软件三维建模方式的模拟计算旋塞阀旋塞转过不同角度打开流道截面积方法。

1 三维建模及流道截面分析

1.1 建立三维模型

本文研究对象为密封衬套旋塞阀结构，旋塞与密封衬套为圆锥形，锥度为2°。因所求面积为旋塞转过一定角度旋塞上流道打开面积，故将旋塞流道与阀体流道的分析简化为旋塞流道与密封衬套流道形成的模型分析，密封衬套固定不动，旋塞进行相应转动，两者形成的流道截面面积即为所求流道截面面积。

在SolidWorks中建立旋塞与密封衬套的三维模型，进行装配，图1(a)、图1(b)分别为旋塞和密封衬套的三维模型，图1(c)是装配体。

图1 旋塞与密封衬套零件模型与装配体

在图1(c)的装配中可以看出旋塞在旋转一定角度后与密封衬套形成了一定的流通面积，此面积形状不规则，且随着转过的角度变化。因旋塞与密封衬套都是圆锥形，上下都为圆弧，此流通面积为弧面，且与竖直方向有一定角度。此弧面两条边线所在平面上的截面，就是所要求的旋塞阀旋塞打开面积。

1.2 流道截面分析

为了直观地分析旋塞阀旋塞转过一定角度旋塞打开流道截面所在平面的位置变化，将图1(c)模型进行了简化，将旋塞及密封衬套顶部、底部圆弧和圆角消去，只表达旋塞打开流道截面随着旋塞转动所在平面的变化。

图2(a)为圆锥形示意图，锥度为2°。流体流过方向为ab，随着旋塞按方向MN转动，旋塞打开流通面也随之发生变化。旋塞转过α角后与密封衬套间形成了一个流通面，此流通面为弧面ABGF。所求的流道截面是位于弧面ABGF对应的平面ABGF之上。旋塞继续转动，转过β角，流通面变为弧面ACHF，流道截面在ACHF平面上。随着旋塞旋转角度的变化，流道截面也随之改变[5]。

计算转过α角的旋塞打开流道截面的大小，需要在平面ABGF上求解计算。转过β角，计算打开的流道截面面积的平面变为平面ACHF。旋塞转过不同角度，计算的流道截面会位于不同的平面上。所求流道截面所在平面的变化，不仅增加了计算流道截面面积的时间，还增大了难度。若将所求流道截面图形投影到所对应的竖直平面内，因旋塞与密封衬套为圆锥形，虽然可以减少计算时间，但结果会存在误差。

图2 流道截面面积变化示意图及旋塞转过50°时流道截面

综上两种原因，求旋塞转过某个角度，旋塞打开流道截面面积大小的计算已如此复杂，计算旋塞转过不同角度时旋塞打开的流道截面面积大小难度将会更大，计算更为繁琐。因此研究旋塞阀旋塞打开流道截面面积大小计算的方法很有意义。

从表1可知，随着法兰盘厚度的增加，安全系数增大，同时当安全系数(n)=4时，法兰盘的厚度值应在14.5～17.25 mm之间.为了进一步优化，取法兰盘厚度t=14～17 mm，通过响应面优化，得到法兰盘厚度与安全系数的对应关系如图10所示.

2 流道截面面积计算方法

2.1 方法思路

本文通过在SolidWorks中建立密封衬套和旋塞的三维模型，以模拟的方式借助SolidWorks中的功能来计算旋塞阀流道截面面积，结果准确，效率高。图3为流道截面面积计算方法流程图。

图3 方法流程图

2.2 计算过程

1) 模型的建立与简化

在SolidWorks中建立旋塞与密封衬套的三维模型，并将之装配，详见图1。在装配体中可旋转旋塞，查看不同角度(0°～90°)下旋塞打开流道面积情况。设定0°为完全封闭状态。在建立好三维模型后，虽可直观地看到旋塞打开面积的变化，但对于面积大小的测量计算无从下手，于是采取逆向思维，将流道转换为实体，可更为方便地测量计算流道截面面积。因计算的只是旋塞打开的面积，所以将密封衬套腔内简化，只保证了进出口的大小和形状。图4(a)为旋塞流道模型，图4(b)为密封衬套流道模型，图4(c)为旋塞流道模型与密封衬套流道模型装配体。此时，两流道模型角度为0°。

图4 流道实体化三维模型

密封衬套流道固定不动，相当于旋塞阀阀体，旋转旋塞流道模型(深色)可根据配合中的角度，按每次旋转需要的角度旋转。图5装配体模型旋转50°。此时发现旋塞流道与衬套流道有共同的结合面，这个结合面就是所求流道截面对应的弧面。

图5 旋塞流道模型旋转50°

将旋转好一定角度的两流道模型的装配体另存为SolidWorks格式part(*.prt;*.sldprt)的零件图。打开此零件，在SolidWorks中进行布尔运算。选择“组合”命令，在“组合的实体”中选择2个零件，则组合的效果是保留2个零件公共的部分。图6为旋塞转过50°时旋塞流道与密封衬套流道共同实体部分。共同实体部分前端弧面即为实际旋塞打开流道截面对应的弧面。此弧面所对应的截面，因弧面的两条边线都在同一个圆锥面上，左边边线固定不动，是衬套的边线；右边边线为旋塞流道的边线，随阀杆转动同样转过相同的角度，两条边线的锥度都为2°，故两条边线在同一平面上。

图6 旋塞流道与密封衬套流道共同实体

2) 流道截面面积计算

为获得旋塞转过50°后流道截面面积值，先以图7(a)中弧面右侧平面为草图绘制平面，旋塞流道边线为边绘制拉伸切除草图。以图7(b)中所示上视基准面为草图平面，将布尔运算求得的弧面顶端弧线转换成实体，连接投影基准面上弧线的两端点，确定拉伸切除方向。图7(c)进行拉伸切除获得旋塞旋转50°时流道截面。图7(d)为旋塞旋转50°时流道截面。

图7 流道截面获取

求此截面面积。选择“测量”命令，点击所要测的截面，即可得到流道截面面积。图8为旋塞转过50°时，旋塞打开弧面处的截面面积，值为6751.92mm2。

图8 流道截面面积

依照上述方法，可求得此模型旋塞转过不同角度(0°～90°)时，旋塞打开的流道截面面积，见表1。

表1 旋塞转过不同角度时打开流道截面面积及其所占百分比

3 结语

本文方法既可直观旋塞阀阀体内部旋塞转过不同角度时旋塞与密封衬套或阀体流道打开流道截面面积的变化，又可快速准确地获得旋塞转过不同角度下的旋塞打开流道截面面积数值，不需要耗费大量的精力和时间进行复杂的计算。无论是对于圆锥形还是圆柱形旋塞均可以快速准确地计算出打开流道截面积值，效率高，准确度高。