何汶霖
（东方电气集团东风电机有限公司，四川 乐山 614000）
【摘要】阐述了双偏心蝶阀直接建模的弊端。结合某电站进水蝶阀的基本参数，完成了强度、直径等计算，并且在三维造型软件的装配设计模块中，分别构建蝶阀各个部件，再利用部件间的相对约束关系进行整体装配造型。为后续产品的结构强度分析、力学特性计算提供理论基础。
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关键词 蝶阀；装配；模型
Desigh of 3D Ｍodeling for Ｂutterfly Ｖalve in Dinh Binh Hydropower Station Ｂased on
HＥ Wen－lin
（DEC DongFeng Electric Machinery Co.，Ltd., Leshan Sichuan 614000, China）
【Abstract】In the process of butterfly valve desigh. First,choose the calculation parameters of valve. Second,draw the 3D parts. And then, set up a 3D modeling on the method of assembly in Assembling desigh module of . The result provides a basis for strength analysis.
【Key words】Butterfly valve; Assembly; Modeling
0引言
对于混流式水轮机而言，其水流进口端通常设置有蝶阀。它的主要功能[1]是：当机组正常停机时，阻断水流，并减小流体在机组中的沿程水头损失。由此可见，蝶阀的性能优劣，直接关系到整机的效率和运行的稳定性。故合理的设计，对于混流式水轮机的高效、稳定运行，具有举足轻重的意义。
传统的蝶阀设计方法，主要是直接进行CAD二维工程图造型。具体操作方式是：所有的蝶阀零部件，均以三视投影图的形式，在平面图上进行尺寸、精度的表述。该方法的优点在于设计图纸能够直接用于施工。但是，这种设计方式却也存在一些不足之处：（1）阀门的设计，强度性能和内部流场特点往往是非常关键的指标。而二维平面模型，数值计算只能用于简单、规则的零部件结构。对于双偏心蝶阀而言，结构及其复杂，二维模型几乎无法实现数值计算。（2）工程图的绘制，表现出的只是阀门关闭时刻得瞬时状态。而运行状态下，零部件之间是否会有干涉现象（如蝶阀活门全开时，重锤的位置是否会与取水管座等部件碰撞，便无法确定。（3）阀门设计，牵涉到招标运输等问题，因此机械部件的重量，必须计算精确。由于蝶阀的形状结构复杂，平面图上要计算出零部件的体积，相对困难。故采用先进的设计方法解决以上问题，显得十分必要。
利用三维造型软件，可以构建完整的蝶阀三维实体模型，即能够精确地实现产品的动力特性分析。同时，阀门在任意运行状态下的干涉性检查，零部件质量的计算，都可以在模型上实现。本文便是基于的三维建模，完成了某电站的双偏心进水蝶阀设计。
1模型几何尺寸的计算
双偏心蝶阀的设计，是以某电站的基本参数（如机组类型、工作水头、蜗壳流线图尺寸等）为依据来确定的。根据电站参数，拟确定阀门的结构为卧式、双平板、带重锤的形式。阀门的几何尺寸计算，通常分为两步：（1）分别计算各零件的几何尺寸；（2）几何尺寸是否满足要求，需再进行强度核算。
1.1蝶阀特征参数的计算
在混流式水轮发电机中，蝶阀的特征参数有：公称直径（Ｄ）、活门厚度（b）、接力器直径（dZ）以及阀轴直径（Df）等。
1.1.1公称直径D的确定
公称直径的计算，与机组的金属蜗壳进口直径和最大工作水头有关。本文中，若机组的蜗壳进口断面直径为d，最大工作水头为Hmax，则公称直径的计算表达式[1]为：
假设阀轴材料采用锻35号钢，根据文献[2]的标准，材料许用屈服极限为：[?滓]=1200kg/cm2。若活门直径D=250cm，阀轴直径Df=30cm，阀轴长度Lf=17.4cm，则由公式（4）~（8），可得：?滓np=959kg/cm2 。故：?滓np＜[?滓]，由此可知，阀轴强度符合要求。
同理，阀门的其余零部件（如阀体、活门、接力器等）均需强度核算，以便校核设计参数的准确性。若验算结果都满足要求，便可以进行后续建模过程。反之，则需要重新计算尺寸。
2蝶阀三维实体模型的建立
基本几何参数确定之后，建立三维实体模型的流程为：（1）建立各个零部件的三维实体模型（如上游管路、下游管路、活门等）。（2）进入的装配模块，根据相关部件的几何约束关系，定义相对位置，继而完成整体的造型工作。
2.1阀门零部件的三维造型
双偏心蝶阀的主要零部件有：上游管路、下游管路、阀体、活门、阀轴、重锤、伸缩节。因此本文在模型构建时，只需要建立这7个零部件的三维模型即可。具体操作在的零件设计模块[3]实现：（1）草绘平面模型；（2）切换至设计模块，进行实体旋转、拉伸、抽壳等操作，完成模型构建。建立的三维模型如图1至图7所示。
2.2蝶阀三维模型装配过程
将零件组装成整体的成品，是在的装配设计模块中实现。在操作界面当中，首先，逐级载入即将装配的零部件；其次，将阀体作为定位基准，固定其位置；第三，根据零部件之间的几何关联情况，利用偏移、角度旋转等命令完成装配。本文以阀体和活门装配为例，进行说明。
在双偏心蝶阀中，分析阀体和活门之间的关联特性：（１）二者同心；（２）活门两端的轴孔圆心和阀体两侧的轴孔圆心属同轴关系。由此可知，对这两个部件可以采用两种约束操作。（1）阀体和活门的圆心轴采用一致性约束；（2）二者相关联的阀轴孔圆心轴也进行同样的操作，继而装配过程完成（如图8所示）。
同理，根据其余各零部件的关系，逐级进行约束设置，完成整机的模型构建（如图9所示）。
2.3干涉性检查
当混流式水轮机在正常发电的时候，蝶阀活门的状态是全开。此时，重锤的位置处在阀轴轴线90的地方，即上游管路的右上方。而该片区域由于存在取水管座等部件，因此，二者会不会发生干涉，需要进行验证。将模型调整至活门全开位置，此时的状态如图10所示。
由图10所示，重锤和取水管座没有干涉现象。故该双偏心蝶阀模型设计满足要求。
3结语
在对某电站的蝶阀设计中，完成了模型特征参数的计算和强度校核工作；建立了蝶阀的主要零部件三维实体模型；最后，通过关联部件之间的几何关系，完成了整体三维实体模型的装配，为机组后续的有限元分析、重量的计算、产品的装配奠定了理论基础。
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参考文献
［１］哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京:机械工业出版社,1975.
［２］吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社,2002.
［３］杜黎蓉,林博正.V5 三维零件设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.
［４］王旭,胡洪,王莉君,等.基于有限元法2MW水平轴风力发电机叶片模态分析[J].机械制造,2015,53(1):9-11.
［５］李春,陈积强,马玉山,马明轩.蝶阀参数化建模的理论及应用[J].机械制造,2007,45(515):20-23.
［６］陈兵,李霄,樊玉光,杜兆年.三偏心蝶阀三维建模与启闭运动仿真[J].机械设计与制造,2005(6):126-127.
［７］张瑾.基于Pro /E和ANSYS的阀门实体建模与有限元分析[J].石油矿场机械,2008,37(1):43-45.
［责任编辑：邓丽丽］