闸阀参数化设计方法的研究与实践.pdf

6 石油机械 1 9 9 8生 B 1 一c o s 0 89 B 2 一s i n 9 泸 c 1 一[ ／ M e o s O c一 R o x 一 v c 2 ／ P e o s 0 8 ] c 2 一[ ／ M s i O c 一 e ,2 R s i n 0 A一 ／ P s i n 0 8 ] 代入上式并整理 ， 则有 A1 。 c Bl 。 ∞ C1 A2 。 c B2 。 ∞ C 2 联立求解得 。 c B 2 C 1一B1 C 2 ／ A 1 B 2一A 2 B 1 9 。 ∞ Al C 2一A 2 C 1 ／ A 1 B 2一A 2 B 1 1 O 悬点加速度 n [ LM ／ M] a c 口 [ L肘 ／ 肘] a C N 磊 [ ￡ 肘 ／ 肘] [ LM ／ M] t ∞ R ／ M [ s i n 一o B s i n O n一0 c ] e c 口 c e 咖c ； 1 1 显然 ， 上述 1 1个公式都是简单的初等数 学公 式 ， 利用这些公式确定悬点加速度方法简便 ， 可太大 减少计算的工作量。 应 用 举例 某厂生产的 c Y lJ Q - 3 3 7 H Q前置式气动平 衡抽油机， 其 曲柄半 径 R 5 7 0 n n ， 连 杆长度 P 4 2 0 0 n n ， 1 5 7 ． 0 6 。 ， 游梁后臂长度 M 1 7 8 0 r r ， 游 梁前臂长 度 L2 8 9 5 m m， 支架长 度 K4 5 6 1 ． 6 m m， 曲柄旋转角速度 1 2 r ／ rai n ， 逆 时针旋转 ， 求 日 2 1 0 。 时悬点加速度 n 。 1 ．求 0 A 0一 21 一 1 7 ． 0 6 5 2． 9 4 2 ．求 0 8 一 J K2 2 R K c o s 席 5 7 4 5 6 1 ． 6 2 25 7 0 4 5 6 1 ． 6 C O s 5 2 ． 9 4 4 2 4 2 ． 5 4 1 m n s i n R s i n O A ／ J s i n 5 7 0 s i n 5 2 ． 9 4 ／ 4 2 4 2 ． 5 4 6 ． 1 5 4 7 c o s 一 [ P J 一M ／ 2 P J ] c 0 s [ 4 2 O o 2 4 2 4 2 ． 5 4 7 1 7 ／ 2 4 2 10 4 2 4 2 ．5 4 ]2 4 ． 3 a o B 一 2 4 ． 3 3 7 06 ． 1 1 8 ．1 3 ．求 O c 1 8 I “一 D一1 D s i n - P s i n ／ M s i n ～ 4 2 o o s i n 2 4 ． 3 3 7 ／ 1 7 8 0 7 6 ． O c 1 8 I “ 一 一 l 8 一6 ． 1 5 一7 6 ． 9 7 ． 3 4 4 4 ．求速度 ． t 忉 1 2 r ／ rai n 1 ． 2 5 6 r a d ／ s ,r．o R s i n 一o B ／s i n 一0 c 1 ． 2 5 6O ． 5 7 s i l 1 ． 9 一培． 1 8 s i n 1 8 ． 1 一9 7 ． 3 4 4 o 一0 ． 4 1 6 m ／ s o R s i n O c一 ／s i n 0 8一O c 1 ． 2 5 6O ． 5 7 s | n 卯． 3 4 中 一兜． 9 s i n 1 8 ． 1 8 一9 7 ． 3 4 中一O ． 5 1 m ／ s 5 ．求 C点加速度 口 c A lc o s 0 c9 0 c o s 9 7 ． 3 4 4 o 9 0 P 一O ． 9 9 1 8 A 2s i n o c9 0 P s i r 9 7 ． 3 4 4 9 --u -01 2 7 8 B1一c 0 s o B9 0 一o 0 s 1 8 ． 1 9 0 P O ． 3 1 2 B 2一s i n 9 0 P 一 1 8 ． 1 9 0 P 一O ． C 1 一[ ／ M e o s 先 一∞ R ∞s 一 t ／ P e o s ] 一 [ O ．4 l 乎1 ． J7 8 c 0 ．3 4 中一1 ． 2 5 铲 0 ． 5 7 c o s 5 2 ． 9 一 O ． 5 1 4 ． 2 c o s l 8 ． 1 8 ] 0 ． 6 1 3 1 I n ／ s 2 C 2 一[ v c 2 ／ M s in 0 c一 R s i n 0 一 ／ P s i n ] 一 [ o ．4 1 1 ． J7 8 B i栅 ． 3 4 4 o 一1 ． 2 5 6 2 0 ． 5 7 s i 2 ． 一 O ． 5 1 4 ． 2 Mn 1 8 ． 1 ]_0 ． 6 4 1 m ／ 。 c B 2 C l B 1 C 2 ／ A l B 2 一A 2 B1 一0 ． 9 50 ． 6 1 3 1 0 ． 3 1 20 ． 6 4 1 ／ O ． 9 9 l 8 0 ． 9 50 ． 1 2 7 80 ． 3 1 2 0 7 9 6 6 I I 】 ／ 6 ． 求悬点加速度 a l l 。 悬 [ 肘 ／ 肘] 0 ， [ 2 ． 9 8 5 1 ． 7 8 ／ 1 ． 7 8 ] 0 ． 7 粥5一2 ． 0 9 笠n s 2 该计算结果与采用 P． H． 施依先柯解析法计算的 结果一致。 这种计算方法纯属初等代数的范畴， 从而将 前置式游梁抽油机悬点加速度的计算太为简化。 参考文献 1 刘 全 有 译． 果 油 机 械 苏 联 Ⅲ眦卿P H H 田p n 。 砧 a J ∞ 叫啪哪e Ma 【 H m| 帕M ． 北京 石 油工业 出版杜 ． 1 9 5 7 7 17 7 本文编辑郑重 维普资讯 第 2 6卷第 9期 石油机械 1 9 9 8盘 一 闸阀参数化设计方法的研究与实践 冯定“ 张晓东张强 杨庆 一 一 江汉石油学院一 中原石油学校 T 尹 z 7． D 2 摘要长期以来，我国大多数闸阀设计和生产单位采用半经验和半理论传统设计方法设计制 造闸阀 ，与先进的国家相 比还有一定 的差距。为此，提 出用 计算机进行参数化设计 闸阀的思路。 在分析对 比日前 C A D软件 中的各种设计方法基础上，详细分析 了参数化设计 的 D X F文件 、S C R 文件、A D S 和 A u t0 1is p等4种方法，综合这4 种方法的优缺点提出用A u t 0 1 为工具实现参数化设 计。各零件的设计为参数驱动的概念模式，可由系列化的尺寸参数驱动产生具体模型，并以阀座 为倒阐述 了构型设计的过程。计算实例说 明，采用参数化设计方法，通过输入闸阀的公称通径和 最 大工 作压 力， 就可自 动完 成闭 问的 设 计、 图 纸的 绘制 和 相关 的 计算 。 C 、 ． 主 题 词盟计 兰 担 l 惫 塾 兰 5 碴 ’ l 同阀是石油工业生产 、开发过程中不可缺少的 期的要求 ，影响了产品的市场竞争能力。 重要设备。闸阀已由最初的单一结构型式发展成为 现在的 螺 纹式、 法 兰式 和卡 箍 式闸 阀， 密 封 形式为 闸阀设计方法分析与比较 平行式 和斜 楔 式，压力 等 级分 别 为 1 4 ，2 1 ，3 5 ， 7 0 ，1 0 5 ，1 4 0 ，2 1 0 ，4 0 0 MP a 。在 闸 阀 的 发 展 中， 用于计算机辅助设计 的主要有交互式设计和参 美国一直 占领先的优 势。在 6 0年代 ，美国就开始 数化设计两种方法。 研究 1 0 5 M P a的高压 闸阀，随着压力的增高 ，闸阀 1 ． 交互式设计 的结构也发生了巨大变化 ，由明杆变为暗杆、由楔 交互式设计是指用户根据 C A D系统提供 的各 形密封变为平行密 封，还 出现 了 R型钢 圈的连接 种绘图命令在键盘上输人命令 L i n e 、 C i r c l e ⋯⋯ ， 并 形式 ；7 0年代 ，闸阀的研究侧重于 材料 和工艺方 按提示信息输人必要 的设计参数， 在屏幕上显示所 面，现在 已形成 了同 阀零 件的系列材料 和工艺形 绘的图 如直线 、 圆⋯⋯ 。实用 中可以利用交互式 式 。8 o年代 ，闸阀 向着压力 更高和结构更 合理的 设计 的“ 块” 与“ 属性” 的功能， 将常用的基本 图素、 图 方向发展 ；9 0年代 ，闸阀的研究朝着 自动化设计 、 形专用符号等建立成各种类型的块 B L O C K ， 然后 结构紧凑 、体积小 、驱动扭矩小 、密封可靠、开关 利用块插人命 令 I N S E R T 将各 图块交互 插人 指定 位置 明显和压力等级更高的方 向发展。我国从 7 0 位置。在进行闸阀设计时， 用此方法可以实现对 自 年代开始 自行研制闸阀，由于材料、工艺和设计水 动生成的图的编辑 修改， 标注一些专用符 号。实现 平的限制 ，闸阀的设计和生产水平与国外还有一定 人机交互主要由如下两种方式 差距 ，长期以来大多数单位都采用半经验、半理论 1 命令行输入命令行输人方式就是将绘图 的传统设计方法，不能满足用户对产品性能和交货 过程使用的子程序编制成键盘命令 ，通过输人命令 奉课题属湖北省教委科研计划项 目 卵∞5 I 。 冯定． 副教授． 生于 1 9 6 3 年． 1 9 8 4 年毕业于江祝石油学院， 1 年于武汉工业大学获硕士学位． 现从事机械工程、 C A D和人工智能的科 研与教学工作。地址 4 3 4 1 0 2 湖北省荆州市。电话 o 7 8 4 3 O 6 7 1 。 收靖 13期 1 蛳一1 2 1 8 罄改稿 收到 日期 1 9 9 8 0 3一O 6 维普资讯 8 石油机械 1 9 9 8点 名来完成该命令。命令行输入方式的编程与操作比 较容易 ，但是用户必须记繁多的命令格式 ，有许多 不便 。 2 菜单点选菜单点选技术是事先把所有的 子程序编制成菜单 。当用户进行图形设计时，在显 示屏上显示出来 ，便于使用者调用。其编程技术较 复杂，但选择范围方便灵活，放较多地被人们 ，特 别是初学者所使用。 由于使用菜单点选技术方便灵活 ， 它越来越受 到软件开发人员的喜爱 ． 菜单 的形式也越来越多 ． 如 在 A u t o C A D中就有按钮菜单 B U兀D N S 、 辅助菜单 A U x 、 光标菜单 ra m 、 下拉菜单 P O P N 、 图标菜 单 I C O N 、 屏幕菜单 S C R E E N 和图形输入板数字化 仪菜单 T A B L E 等多种形式的菜单， 极大地 方便 了 用 户。 2 ． 参数化设计 参数化 设计 P a r m r * t r i e D e s i 辨 亦 称量 化设计 V a r i a t i o n D e s i g n ， 是美 国麻省理工学 院 G o s s a r d教 授提出的 ， 是 C A D领域里的一大研究热点⋯。参 数 化设计通 常是指软件设计者为设计 、 绘 图及修改图 形提供一个软件环境 ， 工程人员利用这个环境构造 参数化模型 ， 修改模型 中的任一尺寸 ， 均 可 引起形 状 、 大小或位置的变化， 实现尺寸驱动 2 j 。在具体实 施时 ， 用户将图形的尺寸与一定的设计条件 或约束 条件 相关联， 编制软件。即将图形的尺寸看作是设 计条件的函数， 当设计条件变化时， 图形尺寸便会得 到相应 的更新 。运行该 软件时输入少量 主要参数 指决定图形的特征参数 ， 图中其它尺寸关系由此参 数指出 ， 由计算机 自动计算图形之间的尺寸关系的 数据 ， 而 自动绘出图形。进行参数化设 计主要有以 下 4种方法 1 用 D X F文件为接 口实现参数化设计D X F D r a w i n g E x c h a n g e F i l e 文件是标 准图形交换文件 ， 是国际上 目前 比较通用的双向转换接 口之一 ， 用于 A u t ．A D和其它应用程 序进行 图形数据交换。D X F 是一种 ．a S C I I 码文件 ， 主要 由以下 5个段顺序组成 ①标题段 H E A D E R 此段包含与图形有关 的标题变量设置 ， 这些变量设置记 录了系统当前工 作环境。 ②表段 T A B L E s 此段包括 线型 表、 层表 、 字体表 、 视图表等几个子表 。 ③块段 B L o C K 此段包含所有块的定义。 ④实体段 E N 1 T 珈隆 记录了除块段出现 的 实体以外的所有绘 图实体 内容。 ⑤文件尾 D 表示文件结束 D X F文件实质上是 由一系列的组组成 ， 一个组 占两行 ， 第一行为组码 ， 第二行为组值。组码用 O 一 9 9 及 9 9 9的数组成。不同的数表示不 同的数据类 型 ， 在不同的段 中代表不 同的含义 ， 具有 严格 的定 义。用 D X F文件实现参数化绘图， 主要是用顺序建 立数据文件的方法 自动生成 D X F 文件。首先编制 基本图素的子程序 ， 然后调用各子程序 ， 拼装成绘制 所需要图形的程序 ， 生成图形。 2 用 S C R文件为接 口实现 参数 化设 计 S C R 文件 ， 即命令组文件， 也是一 种 A S c Ⅱ码文件 ， 它是 将绘图过程中所需要的各种命令依次写入后缀名为 S C R 的文件 中。在 CA D系统 中运行此文件 ， 即可 顺序执行其 中的命令 ． 生成图形 。这类似于 D O S操 作系统中的批处理命令。在 S C t t 文件 中， 其格式是 有严格要求的 ， 其中任何一个空格 ， 相当一个回车操 作， 表示各个命令或数据之间的间隔。 3 用 AD S 为接 口实现参数化设计A D S ， 即 A u t o C A D D e v e l o p m , , n t S y s t e m，是 一种 开发 A u t o ． C A D应用程 序的 C语 言程序设计 环境 。A D S除可 以使用普通 C语言 的函数外 ，又附加 了一组专 门 用于对 A u t o CA D进行操作的函数 AD S是在普通 C 语言编辑器的基础上扩充 的 c语言编程 环境 ．它 主要有以下两部分组成 ①普通 c语言编辑器。 ②A D s函数库及相应 的头 文件。这些 随 A u t o ． C A D一起 发行 ，主要 定义 了 A u t o C A D图形数 据操 作的函数。 与普通 c程序相 比 A D S程序主要有两个特点 一 是在程序 内部多了一些与 A u t o C A D接 口以及对其 操作的语言；二是在程序编译连接之后 ，生成的可 执行文件只能在 A u t o CA D内部才能运行 。 4 用 A u t 0 l 语言为接 口实现参数化设计 A u t o l l s p是 A u t o CA D中内嵌 的一种 L i s p语言 ，它是 在 C o m m o n L i s p的一个 子 集的基础 上添加 了用于 A u t o CA D图形数据操 作的函数。A u t o l i s p是一 种表 处理语言 ，它是 将程序建立 在一个 由函数、字符 串、整数和实数组成的表 的基础上 ，如图 1 所示。 以上 4种方法进行参数化设计的特点如表 1 所 示。通过这 些方法 的比较 可以看出 ，A u t o l l s p是一 维普资讯 第 2 6 卷第9期 冯定等 闸闲参数化设计方法的研 究与实践 9 种编程及调试方 便，功能较 强，综合性能最好的 C A D开发语言。故在闸阀参数化设计系统中以 A u ． t o l i s p为接口语言进行设计。 j 釉 宴 敛 整 数 图 1 A u t o l i s p 语言的 构成 形式 表 1 4 种参数化设计的特点 项目 D x F S C R D S u t o ] i s p 运行速度 较快 慢 快 较快 编程难易 难 易 难 较 易 不 能 标 注 、 要 毳 覆 譬 襄 黎 箍’ 应 用 范 镯 不 能 填 充 填 充 计算能力 强 强 强 差 程序可读性 差 好 鞍好 较好 与 A utoC A D 通 过 D X T IN 和 只 能 通 过 辫艘 萎 变 互 能 力 D X F O LT 命 令 ＆ 吐 令 处理图形 可读取有 只能通过 直接读取和改 数据库 关数据 属性读取 写图形数据库 来回切 直接在内 调试过程 罪借助的高级语盲有关 换系统 部谓试 构 型设计 构型设 计主要决定物体的视图表现形式并找出 各部分的参数化关系。下面以阀座为例介绍零件的 构型设计方法。阈座通过螺纹，被上紧工具拧紧在 阀体上；一端顶在阀体进行密封 ，另一端和闸板相 配合形成金属接触面硬密封。 1 ． 控制尺寸的计算 阀座的结构 如 图 2所示 ，其 主要尺 寸有 d n ， d I I d 2 ，如 及 0 ， l ，r 2 ， ，其 中 d 0 为公称通 径是设计者输 人参 数；r 0 是根据阀体设计 时传输 过来的参数，是已知变量。为保持上紧工具的通用 性，对照已有的设 计将上紧槽结构尺寸保持不变 ． 即槽深为 2 ， 5 mm，槽宽为 5 mm 。而 d 3为加工槽 时 所留的退刀槽 ，对此进行相似设计 ，加 l r m n的逼 刀槽，可得 d 3 d o22 。 521d o 7 f i l m 1 对阀座尺寸的计算 比较复杂 ，它要通过保证阈 座内应力满足强度要求来设计 d 2 并 圆整，再取小 径大于 d 2 的最小标准螺纹型号的公称 直径 为 d l 。 笔者采用康托洛维奇变分法[ 3 ] 对阈座进行了应力分 析与计 算 ， d 2的 尺寸 可归 结 为最 大 工作 压 力 p 0 蛐P a 和公称通径 d 0 的函数， 为 d 2 ／d o 磊 20 16 ．2 2 将 d 2 圆整，并选择小径大于它的最小螺纹型 号的公称直径为 d 。 2为螺纹长度，由经验公式【 』 得 27 P r n m 3 其 中 P为螺距。参照已有的设计 ，取 l 和 3 分别为 1 l 音 r o r 2 rlx ln 4 c 3 昔 r o 一， 2 m m 5 利用公式 1 一 5 及设计者提供的最大工作压 力、公称通径以及上紧阀座所需的螺距 ，就可以设 计出如图 2所示的阈座基本结构。 2． 绘图 阈座比较简单 ，用一个半剖视 图及一个局部视 图即可表达 。在视图中选择一个基点 ，将其它各点 的坐标转化成基点的函数 ，这样便于对图形的位置 进行调整。按一定规律标注控制节点 ，使前后相邻 两点的距 离可便 于计算 ，为其参数化绘图作准备。 根据阀座的特点 ，其基点及控制节点的选择如图 3 所示。其中0 点是基点，其它为控制节点。 图 2 同座蛄构示意 图 图 3 同座基点厦控制 节点 下转第2 9 页 嵌 式 挑 维普资讯 第2 6卷第9期 刘扬松等 井架构件 的模糊可靠度评定方法 现评定危险构件受腐蚀 5 0 年时的模糊可靠度。 式 5 中的 n应取 当时实际测试的抗力均值 ，这 里无法通过测试得到 ，它应 比文献 [ 7 ]给出的抗 力均值 3 9 8 ． 8 2 MP a要小。现根 据类 比法估算 n 3 7 0 ]V t P a ，取增扩系数 卢1 ． 1 5 ，r 2 卢 1 4 2 6 MP a ， 代人式 5 进行模糊 可靠度计算 。此时抗力论域 上的模糊子集 的隶属函数为 J 1 ≤ 3 7 0 r { 4 2 6 - x 3 7 0 ≤ 4 2 6 ￡ L 1 二 _ 4 2 6 在 5 0年时 ，按式 5 求得井 架危 险构件 3 2 5号杆和 3 2 9号杆的模糊可靠度为 5 0 3 7 0 [ 4 2 62 1 2 6 5 x 一 3 7 0 2 1 2 ．C⋯O I 一 ’ 一 【 e 一 一 l J 一 一 一 e 一 乎 】 0． 9 9 9 9 8 从以上计算可见，模糊 可靠度比文献 [ 7 ]求 得的普通可靠度 0 ． 9 9 9 0 7 6稍高。 本实例没有考虑井架构件实际中存在的初始缺 陷和使用缺陷 ，关于构件缺陷对可靠度的影响 ，尚 需作进一步探讨。 参考文献 1 刘扬松 ．李文方 ，胡 传孝 ．机械 系统 的模糊 可靠 性 ．石 油机械 ，1 9 9 8 ，2 6 3 1 O～ 1 3 ，1 7 2 朱 炜 ．井架 可靠度计算 ．石油机械 ，1 9 9 2 ，2 0 1 2 1 8 ～2 4 3 中国石 油学台 质量可靠性专业委员台 ．石油工 程质量可 靠性研究与应 用 ．北京石 油工业出版社 ．1 9 9 6 1 8 2 ～ 1 8 6 4 裴峻峰 ，陈荣振，张博文等．井架可靠性设计中抗力的 确定石油机 械 ，1 9 9 5 ，2 3 1 2 4～ 7 5 张爱林现役塔型井架结构 的模糊动态可 靠度评定 ．石 油工业技术监督 ，1 9 9 7 ，1 3 6 1 ～5 6 胡传孝 ，刹扬 松 ．机械 零件 的模 糊可靠 性 ．石 油机械 ， 1 9 9 7 ，2 5 9 3 1 ～3 5 7 裴姣 峰 ．杨其俊 ．评估石 油井架工作寿命及 可靠 性的新 方法 ．石油机械 ，1 9 9 7 ，2 5 5 1 7 ～1 8 ，4 4 本文编辑王志权 土接第 9页 结 论 综上所述 ，可得 出如下结论 闸阀参数化设计 的研究不仅可以提高设计能力 和设计水 平 ，加快 生产 图纸 的绘 制，结果精确 可 靠 ，效率高 ，而且可以提高计算机在石油机械中的 应用水平，打破传统的闸阔手工设计方法，促进闸 阀朝着设计 自动化、结构紧凑 、体积小、驱动扭矩 小、密封可靠 、开关位置明显和压力等级更高的方 向发展。同时 ，闸阔参数化绘图的研究还可为其它 型式的阀门提供 自动化设计方法。 参考文献 1 冯定 ，杨雄 ． B 盯 曲面快 速拟台及其 光顺 性证 明． 小 型微型计算机系统 ，1 9 9 6 ，1 7 3 3 7 4 1 2 I l g D i I l g ，C h e rt Z u o n g ．S t u d y o f o b j e c t o r i e n t e di n t e l l i g e n t C A D o f n p a t t a T h e4 t h I n te r n a t i o n a l C ． e r e r , c e 0 n C A D ／ ∞ ，W u h a a C h i n a ，O c t ． 2 3 ～2 5 ，1 9 9 5 8 1 4 -8 1 8 3 林 小橙 ． 有 限长厚壁圆筒空 间轴对称 应力分析 的康托 洛 维奇变分法 ． 工程力学 ．1 9 9 7 ，1 4 3 7 0 7 7 4 成大先 ，王德 夫 ，姜勇等 ．机械设 计手册 第二 版 ． 北 京化学工业出版社 ，1 9 9 3 5 ～1 1 【 本文编辑郑重 维普资讯