淺談一種反沖洗閥結(jié)構(gòu)原理的分析與動(dòng)畫演示

張曉洋，張彥斌，韓文超，賀少旭

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

使用三維建模軟件能夠?qū)﹂y門產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，也可以對(duì)三維模型的一系列參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。配合使用3DsMAX，可以在solideworks參數(shù)模型的基礎(chǔ)上發(fā)揮3DsMAX強(qiáng)大的產(chǎn)品及場(chǎng)景渲染功能，加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品工業(yè)效果的渲染和視覺化表達(dá)，更直觀形象地表達(dá)閥門的結(jié)構(gòu)原理等工業(yè)信息。馬磊等使用Pro/E軟件構(gòu)建了產(chǎn)品的三維模型后，轉(zhuǎn)換文件格式導(dǎo)入動(dòng)畫渲染軟件中完成了對(duì)產(chǎn)品的渲染表達(dá)，提供了一種可行的產(chǎn)品表達(dá)的思路。芮鵬等使用3DsMAX動(dòng)畫渲染軟件演示了一種新型礦用阻車器的結(jié)構(gòu)及原理，證明了使用動(dòng)畫渲染軟件表達(dá)機(jī)械產(chǎn)品的外觀信息是可行的。本文設(shè)計(jì)出一種用于農(nóng)田節(jié)水灌溉設(shè)備的新型兩位三通反沖洗閥門，基于Solidworks軟件對(duì)其進(jìn)行參數(shù)建模，配合3DsMAX的外觀渲染和動(dòng)畫演示功能，對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)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(tǒng)的反沖洗設(shè)備往往采用四閥門組合控制的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，圖1（a）中出水管路上的兩個(gè)閥門打開，控制排污口和反向出水的閥門關(guān)閉，此時(shí)，只有出水管路連通，水流通過過濾裝置，系統(tǒng)處于過濾模式；圖1（b）中出水管路上的兩個(gè)閥門關(guān)閉，控制排污口和反向出水的閥門打開，此時(shí)，只有反向出水的管路連通，水流反向通過過濾環(huán)節(jié)，直至從排污口排出，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反沖洗。傳統(tǒng)的反沖洗設(shè)備控制多閥門實(shí)現(xiàn)變位工作，同時(shí)啟閉時(shí)，易引起過大的流量系數(shù)脈動(dòng)，產(chǎn)生漩渦、汽蝕，磨損、腐蝕管路。

圖1 傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)集成了出水管路和反沖洗排污管路，相較傳統(tǒng)四閥門組合控制的設(shè)備，結(jié)構(gòu)上使用單個(gè)該型反沖洗閥即可實(shí)現(xiàn)流量變位控制，減少控制閥數(shù)量，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)。控制效果上，啟閉過程管線穩(wěn)定性提高，換向速度快，停機(jī)概率低，與管道輸流過程緊密嵌合，極大地節(jié)約了反沖洗過程的設(shè)備調(diào)節(jié)時(shí)間，換向過程以管線壓力或壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了控制方法，降低了控制成本。同時(shí)，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多個(gè)閥門同時(shí)啟閉控制時(shí)的設(shè)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(shè)計(jì)了一種新型反沖洗閥。

1.2 新型反沖洗閥的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)集成了進(jìn)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(diǎn)來控制閥芯的行程位置。相對(duì)很多活塞結(jié)構(gòu)接觸密閉的反沖洗閥，該型閥門兩位三通結(jié)構(gòu)具有高的氣密性，控制效果更強(qiáng)。閥芯為不銹鋼桿件驅(qū)動(dòng)，力學(xué)性能優(yōu)異，耐腐蝕而適應(yīng)性強(qiáng)。不銹鋼閥桿和自潤(rùn)滑材料直接接觸配合，保證了氣密性要求，符合閥門應(yīng)用時(shí)的清潔需求，具有優(yōu)良的動(dòng)力性能和較高的驅(qū)動(dòng)控制效率。

圖2 反沖洗狀態(tài)下的閥門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(nèi)相對(duì)壓強(qiáng)的變化來控制閥桿移動(dòng)，改變閥芯位置，從而切換閥門的工作模式。控制腔內(nèi)的相對(duì)壓強(qiáng)由最小值增大并超過控制高壓，閥桿帶動(dòng)閥芯下移至完全關(guān)閉反沖洗排污口，此時(shí)，閥門進(jìn)水口和出水口完全連通，閥門處于供水狀態(tài)；控制腔內(nèi)的相對(duì)壓強(qiáng)由超過控制高壓的狀態(tài)減小至最小壓強(qiáng)，閥桿上移，帶動(dòng)閥芯到達(dá)進(jìn)水口與閥門腔體分界處并完全密封，此時(shí)，出水口與反沖洗口完全連通，出水口后的相對(duì)壓強(qiáng)反向，出水口壓強(qiáng)高于反沖洗口，閥門處于反沖洗模式。閥門工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制由控制腔相對(duì)壓強(qiáng)引起?？刂魄幌鄬?duì)壓強(qiáng)可以與系統(tǒng)連通，調(diào)整進(jìn)水端的流量、壓強(qiáng)，即可以引起控制腔內(nèi)相對(duì)壓強(qiáng)的定向變化，進(jìn)而可以定向地對(duì)閥芯的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整，完成對(duì)閥門工作模式的自動(dòng)調(diào)整。

2 新型閥門參數(shù)模型的建立

2.1 閥門參數(shù)建模方法簡(jiǎn)述

使用SolidWorks軟件完成對(duì)閥門的參數(shù)建模，該軟件支持自下向上（Down-Top）的和自上而下（Top-Down）的設(shè)計(jì)流程。SolidWorks中自下而上的設(shè)計(jì)方法是指完成對(duì)每個(gè)零件的單獨(dú)建模后，進(jìn)行裝配，最終通過得到的零件或裝配體繪制工程圖的工業(yè)生產(chǎn)文件。自上而下是指在軟件的裝配體環(huán)境中，根據(jù)設(shè)計(jì)的裝配結(jié)構(gòu)分別完成每個(gè)零件建模再進(jìn)行裝配。

2.2 新型閥門模型建立的過程

在數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的背景下，建立機(jī)械零件的三維模型逐漸成為表達(dá)機(jī)械產(chǎn)品工業(yè)信息的重要技術(shù)手段。設(shè)計(jì)的新型反沖洗閥在已經(jīng)有閥門流量系數(shù)的設(shè)計(jì)要求的情況下，主要的規(guī)格尺寸已經(jīng)確定，所以宜采用自上而下的設(shè)計(jì)思路。按照自下而上的流程，進(jìn)入裝配體界面后，先完成決定閥門流量系數(shù)的閥體的三維設(shè)計(jì)（見圖3）。接著，根據(jù)控制壓強(qiáng)的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍確定控制腔的空間容積，由此得出閥蓋的尺寸參數(shù)、裝配數(shù)據(jù)，據(jù)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(tài)，由此就可以得到閥桿、閥芯、隔膜、調(diào)節(jié)彈簧等零件的三維模型數(shù)據(jù)和裝配關(guān)系，即可進(jìn)行所有設(shè)計(jì)零件的三維參數(shù)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(shù)信息的表達(dá)

零件及裝配體工程圖是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)表達(dá)、加工制造、工業(yè)生產(chǎn)信息表達(dá)的必要文件。SolidWorks可以根據(jù)已知零件模型和裝配體模型制出工程圖等工業(yè)生產(chǎn)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(jìn)行闡述，通過新建命令或者直接由目標(biāo)零件進(jìn)入工程圖界面后，選擇視圖配置方案，自動(dòng)形成閥門的結(jié)構(gòu)圖形，可以極大地簡(jiǎn)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(dá)各類尺寸和技術(shù)要求的符號(hào)的標(biāo)注命令，進(jìn)行尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求標(biāo)注，表達(dá)必要的工藝信息。

圖5 閥體零件的工程圖

除了傳統(tǒng)的工程圖外，SolidWorks還具有裝配體爆炸圖、運(yùn)動(dòng)算例等表達(dá)工業(yè)信息的文件制作功能。對(duì)裝配體做爆炸圖，操作快捷、表達(dá)直觀準(zhǔn)確，可以清晰地表達(dá)出零件的相對(duì)位置和裝配信息，指導(dǎo)生產(chǎn)、組裝。運(yùn)動(dòng)算例采取時(shí)間畫幀的方式，動(dòng)態(tài)顯示閥門的工作過程，并生成相應(yīng)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(dòng)畫演示

3.1 閥門模型的渲染

使用SolidWorks等參數(shù)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(zhǔn)確的機(jī)械加工所必須的工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)。但在外觀渲染、產(chǎn)品原理的動(dòng)態(tài)演示等方面，卻存在著視覺效果表達(dá)不完善、動(dòng)態(tài)演示效果不佳，無法視覺化地表達(dá)一些產(chǎn)品材料的性質(zhì)（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(dòng)畫渲染軟件有強(qiáng)大的模型外觀渲染，光效、質(zhì)感、紋理的視覺化表達(dá)，產(chǎn)品材質(zhì)的仿真化演示等優(yōu)點(diǎn)。使用SolidWorks參數(shù)建模后，引入3DsMAX動(dòng)畫渲染軟件進(jìn)行外觀渲染和原理的動(dòng)畫演示，可以充分發(fā)揮兩種不同的設(shè)計(jì)軟件各自的優(yōu)勢(shì)。表達(dá)了閥門的加工制造的工業(yè)信息，呈現(xiàn)了閥門的產(chǎn)品效果。采用SolidWorks建模、轉(zhuǎn)為stl文件導(dǎo)入3DsMAX的設(shè)計(jì)步驟，建模過程更便捷，只需要在stl文件導(dǎo)入3DsMAX軟件后優(yōu)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(huì)標(biāo)記閥門各個(gè)零件模型的裝配關(guān)系，將其中任意一個(gè)零件模型導(dǎo)入3DsMAX軟件后，導(dǎo)入合并功能會(huì)自動(dòng)引入被標(biāo)記了裝配關(guān)系的其他零件模型并自動(dòng)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(shù)建模與動(dòng)畫渲染方法結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

使用3DsMAX軟件對(duì)SolidWorks軟件建立的參數(shù)模型進(jìn)行渲染?？梢员磉_(dá)出橡膠、彈簧等特殊材質(zhì)或結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(zhì)上建立更加接近真實(shí)應(yīng)用效果的閥門模型。同時(shí)，還可使用3DsMAX軟件建立閥門工作環(huán)境的視覺化模型。在外觀渲染的基礎(chǔ)上，依靠3DsMAX軟件強(qiáng)大的關(guān)鍵幀技術(shù)，使用3DsMAX軟件制作閥門的工作過程的動(dòng)畫，也是表達(dá)和演示閥門結(jié)構(gòu)及原理的有效方式。

與SolidWorks動(dòng)畫算例相較，3DsMAX軟件通過明暗關(guān)系處理，“攝像機(jī)”“燈光”等命令，可以制作出紋理真實(shí)、色彩豐富、細(xì)節(jié)充實(shí)、環(huán)境關(guān)系協(xié)調(diào)的動(dòng)畫視頻。兩種設(shè)計(jì)工具結(jié)合使閥門的結(jié)構(gòu)原理等工業(yè)信息更加視覺化、真實(shí)化，作為工業(yè)產(chǎn)品演示和宣傳的重要方法。

4 結(jié)語

本文綜合使用SolidWorks等參數(shù)設(shè)計(jì)軟件和3DsMAX動(dòng)畫渲染軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)出的一種新型閥門進(jìn)行工作原理表達(dá)和動(dòng)畫演示。這種設(shè)計(jì)方法既可以依靠參數(shù)設(shè)計(jì)軟件滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的工業(yè)生產(chǎn)方面的需求，又能發(fā)揮動(dòng)畫渲染軟件所長(zhǎng)，直觀形象、視覺化地模擬出最終產(chǎn)品的外觀、使用狀態(tài)，可以動(dòng)態(tài)地演示其各種工作情況。本文采用這種設(shè)計(jì)方法完成了一種新型反沖洗閥門的結(jié)構(gòu)原理表達(dá)和動(dòng)畫演示，驗(yàn)證了此方法在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、表達(dá)中的實(shí)用性及價(jià)值，為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、表達(dá)提供一種實(shí)用的方法。