快速阀的计算机辅助设计.docx
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快速阀的计算机辅助设计
毕业设计
题目快速阀的计算机辅助设计
二级学院
专业机械设计制造及其自动化
班级110214701
学生姓名学号110214701
指导教师
评阅教师
时间
摘要
本文介绍了快速阀的工作原理，通过转动手柄来使阀瓣上升或下降，实现阀门的开启或关闭,快速阀广泛用于液压系统中的液体流动和气动系统气体的排放的控制，而手动快速阀，其开启与断开迅速、结构紧凑、安装、调整、使用、维护方便。
非常适用于流体输送管道上的开闭装置，也适用于作为煤气或蒸汽管道的紧急安全关断装置。
本课题的主要内容有如下几点：
1、对快速阀的工作原理分析；
2、快速阀的零件图、装配图的分析以及绘制；
3、使用计算机对零件的三维建模；
4、快速阀的装配、爆炸视图、运动仿真、渲染等；
5、对本课题的学习经验总结；
关键词:
快速阀；设计；建模；装配；仿真；渲染
Abstract
Thispaperintroducestheprincipleoffastvalvebyturningthehandletothevalveflapupordowntoachievethevalvetoopenorclose,FastValvesarewidelyusedinhydraulicsystemsandpneumaticsystemsforliquidflowcontrolofgasemissions,andfastmanualvalve,openitanddisconnectthequick,compactstructure,installation,adjustment,use,andeasymaintenance.Idealforfluidpipesontheopeningandclosingdevices,alsoappliestogasorsteampipeastheemergencysafetyshutdowndevices.Themaincontentsofthispaperarethefollowing:
1.valveforfastanalysisofworks;
2,fastvalvepartsandassemblydrawingsofanalysisanddrawing;
3,usingathree-dimensionalcomputermodelingofthepart;
4,fastvalveassembly,explodedviews,motionsimulation,rendering,etc.;
5,forasummaryofthelearningexperienceofthesubject;
Keywords:
fastvalve;design;modeling;assembly;simulation;rendering
一、绪论……………………………………………………………………………1
二、快速阀的理论分析……………………………………………………………3
2.1快速阀的简介………………………………………………………………3
2.2快速阀的发展………………………………………………………………3
2.3快速阀的运用………………………………………………………………5
2.4快速阀的结构分析和工作原理……………………………………………6
2.5快速阀的组成………………………………………………………………6
2.6快速阀的工作原理…………………………………………………………7
2.7零件的材质和数量…………………………………………………………7
三、快速阀的零件建模分析………………………………………………………9
3.1软件介绍……………………………………………………………………9
3.1.1solidworks介绍…………………………………………………………9
3.2零件建模的理论分析………………………………………………………10
3.3零件相关参数的分析计算…………………………………………………10
3.3.1齿轮的设计计算…………………………………………………………10
3.3.2齿条的设计计算…………………………………………………………12
3.4快速阀各个零件的建模……………………………………………………12
3.4.1阀盖的创建………………………………………………………………13
3.4.2齿轮轴的创建……………………………………………………………15
3.4.3齿条的创建………………………………………………………………17
3.4.4内外阀瓣的创建…………………………………………………………17
3.4.5弹簧的创建………………………………………………………………18
3.4.6阀体的创建………………………………………………………………18
3.4.7下封盖的创建……………………………………………………………19
3.4.8垫片的创建………………………………………………………………19
3.4.9上封盖的创建……………………………………………………………20
3.4.10填料盖的创建…………………………………………………………20
3.4.11手柄的创建……………………………………………………………21
3.4.12螺栓、螺母、垫圈的创建……………………………………………21
四、快速阀的装配以及爆炸图……………………………………………………22
4.1快速阀的装配简介…………………………………………………………22
4.2快速阀的装配………………………………………………………………22
4.3爆炸图的创建………………………………………………………………23
五、快速阀的渲染和动画仿真……………………………………………………25
5.1渲染简介……………………………………………………………………25
5.2快速阀的渲染………………………………………………………………25
5.2.1设置光源…………………………………………………………………26
5.2.2设置模型外观……………………………………………………………26
5.2.3设置外部环境……………………………………………………………26
5.2.4设置贴图…………………………………………………………………27
5.3仿真简介……………………………………………………………………27
5.4快速阀的仿真………………………………………………………………28
六、快速阀工程图…………………………………………………………………30
6.1工程图简介…………………………………………………………………30
6.1.1AutoCAD介绍…………………………………………………………30
6.2各个零件的工程图…………………………………………………………31
6.3装配图工程图………………………………………………………………32
七、总结……………………………………………………………………………34
7.1课题总结……………………………………………………………………34
7.2设计心得体会………………………………………………………………34
八、致谢……………………………………………………………………………36
九、参考文献………………………………………………………………………37
绪论
快速阀作为管道快速截留装置，在工程工业中是一个极为重要的工件。
快速阀广泛用于液压系统中的液体流动和气动系统气体的排放的控制，然而手动快速阀，它的开启与断开迅速、结构紧凑、安装、调整、使用、维护方便。
非常适用于流体输送管道上的开闭装置，也适用于作为气体管道的紧急安全开关装置。
实际施工中阀的使用和调研，针对阀门的选型、制造、组装、性能测试、启闭作业、运行管理进行了研讨，随着工业的发展和现代生活水平的提高，阀的发展也十分迅猛，在液压技术中扮演着重要的角色。
从1795年世界上第一台水压机诞生，到现在液压技术已有200多年的历史。
至上世纪50～70年代，随着工业工程水平的极大提高，液压技术也得到了迅速的发展，成为实现现代传动和控制的关键技术，其发展速度仅次于电子技术。
特别是近年来流体技术与微电子、计算机技术相结合，使液压与气动技术进入了一个新的发展阶段。
随着计算机以及计算流体动力学理论的不断发展，采用CFD方法，来对液压阀内部的流场进行模拟仿真计算以及对阀内的流场可视化分析，已经成为液压技术领域一个新的研究热点。
在国民经济很多领域均需应用液压与气动技术，其水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志之一。
由于现代科学技术的不断飞速发展，液压技术充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，不仅能作为一种传动方式，而且也成为一种控制手段，现代控制工程中它是一种不可缺少的重要技术手段。
动力传动、能量转换以及传动控制仍然是21世纪全球经济的一个重要的组成部分，控制技术与流体传动也必然是其中极为积极和重要的角色。
因此液压技术在机械类高等教育的课程中，已成为一门重要的专业基础课，而且也是一门能直接用于工程实际技术的学科。
液压技术是利用有压流体为介质来实现自动控制和各种机械的传动，它渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。
现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。
近年来，我国液压气动密封行业坚持技术进步，加快新产品开发，取得良好成效，涌现出一批各具特色的高新技术产品。
本课题重点研究的问题是分析快速阀的工作机理，了解各个零部件的制作和作用，然后进行快速阀装配图的拆分并绘制其各个部分的零件图，为了更好的观察快速阀的结构以及工作原理，利用SolidWorks软件对零件进行实体建模，然后装配，实体制作动画效果，使用solidworks的渲染功能对快速阀进行渲染和添加材质，让快速阀的更加逼真。
第二章快速阀的理论分析
快速阀为管道快速截留装置，本课题研究的快速阀为齿轮齿条机构，通过转动手柄来让阀瓣上升或下降，实现阀门的开启或关闭。
快速阀广泛用于液压系统中的液体流动和气动系统气体的排放的控制，然而手动快速阀，它的开启与断开迅速、结构紧凑、安装、调整、使用、维护方便。
非常适用于流体输送管道上的开闭装置，也适用于作为气体管道的紧急安全开关装置。
2.1快速阀的简介
快速阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。
当介质由阀瓣下方进入阀体时，操作力所需要克服的阻力，是齿轮轴和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力，关阀门的力比开阀门的力大，所以手柄的长度要足够长，以便只需要轻轻旋转即可达到启闭的效果。
近年来，自从密封的阀门出现后，快速阀的介质流向就改由阀瓣上方进入阀体，这时在介质压力作用下，关阀门的力小，而开阀门的力大，阀杆的直径可以相应地减少。
同时，在介质作用下，这种形式的阀门也较严密。
我国阀门“三化给”曾规定，快速阀的流向，一律采用自上而下。
本阀要水平安装，快速阀开启时，阀瓣的开启高度，为公称直径的25%～30%时，流量已达到最大，表示阀门已达全开位置。
所以快速阀的全开位置，应由阀瓣的行程来决定。
手动快速阀是指内外阀瓣沿阀座中心的法线方向移动的阀门。
根据阀瓣的这种移动形式，阀座通口的变化是与阀瓣行程成正比例关系。
由于快速阀的内外阀瓣开启或关闭行程相对较短，而且具有非常可靠的切断功能，又由于阀座通口的变化与阀瓣的行程成正比例关系，非常适合于对流量的调节。
因此，这种类型的阀门非常适合作为切断或调节以及节流用。
2.2快速阀的发展
从1795年世界上第一台水压机诞生，到现在液压技术已有200多年的历史。
至上世纪50～70年代，随着工业工程水平的极大提高，液压技术也得到了迅速的发展，成为实现现代传动和控制的关键技术，其发展速度仅次于电子技术。
21世纪流体传动与控制技术不断的发展和提高。
由于现代科学技术的不断飞速发展，液压技术充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，不仅能作为一种传动方式，而且也成为一种控制手段，现代控制工程中它是一种不可缺少的重要技术手段。
动力传动、能量转换以及传动控制仍然是21世纪全球经济的一个重要的组成部分，控制技术与流体传动也必然是其中极为积极和重要的角色随着计算机以及计算流体动力学理论的不断发展，对液压阀内部的流场进行模拟仿真计算以及对阀内的流场可视化分析，已经成为液压技术领域一个新的研究热点。
许多国内外学者对液压阀内部流场以及它的特性进行了许多的研究工作，对研究和完善阀的性能提供了理论基础。
他们应用了许多不同的数值方法，如有限元法、边界元法、流线法、代数应力法等分析了液压阀的流场，从而分析了阀内部流场各物理量的分布以及流体噪声、能量损失产生的原因，确定影响液压阀工作性能的主要原因。
快速阀只是阀类零件中的一小部分，随着工业的发展，各种各样的阀被设计出来，所用材料也不断更换，使阀的质量提高，安全性能高，操作简单化、自动化。
闸阀也是一种快速阀，闸阀是指关闭件（闸板）沿通路中心线的垂直方向移动的阀门,闸阀在管路中主要作切断用动，动作灵活可靠，密封性能优良。
低压手动杆铸钢闸阀，替代传统铸铁阀门，结构紧凑、设计合理、阀门刚性好，通道流畅、流量系数大流阻系数小,结构简单,便于维修。
它的密封面采用不锈钢和硬质合金，使用寿命长。
采用柔性石墨填料、密封可靠、操作轻便灵活。
广泛适用于石油化工，冶金，水处理，火力发电厂等油品、水蒸汽管路上作接通或截断管路中介质的启闭装置[1]。
闸阀具有如下优点：
1）流体阻力小因为闸阀阀体内部介质通道是直通的，介质流经闸阀时不改变其流动方向，所以流体阻力小。
2）启闭力矩小，开闭较省力因为闸阀启闭时闸板运动方向与介质流动方向相垂直、与截止阀相比，闸阀的启闭较省力。
3）介质流动方向不受限制，不扰流、不降低压力，介质可从闸阀两侧任意方向流过、均能达到使用的目的。
更适用于介质的流动方向可能改变的管路中。
4）结构长度较短因为闸阀的闸板是垂直置于阀体内的，而截止阀阀瓣是水平置于阀体内的，因而结构长度比截止阀短。
5）密封性能好全开时密封面受冲蚀较小。
6）全开时，密封面受工作介质的冲蚀比截止阀小。
7）体形比较简单，铸造工艺性较好，适用范围广。
闸阀虽然具有不少优点，但是闸阀密封面易损伤启闭时闸板与阀座相接触的两密封而之间有相对摩擦，易损伤，影响密封件能与使用寿命，维修比较困难；启闭时间长，高度大由于闸阀启闭时须全开或全关，闸板行程大，开启用要一定的空间，外形尺寸高，安装所需空间较大。
结构复杂闸阀一般都有两个密封面，给加工、研磨和维修增加一些，困难零件较多，制造与维修较困难，成本比截止阀高[4]。
新型手动节流截止阀改变了以往节流阀只能节流而不能截止的功能,在现场使用更加安全可靠。
原有节流阀是靠阀瓣与阀座的密封面间隙来调节液（气）流的大小。
由手轮旋转阀杆螺母驱使阀杆上下移动,使得筒形阀瓣与阀座的间隙增大或减小,从而达到调节气（液）流大小的作用。
该型节流阀在调节至小流量节流时,由于筒形阀瓣与阀座间无缓冲,过流时噪声大,且节流效果很不理想,手轮转动一个小角度,节流阀的流量变化就相当大,在操作时很难控制,同时增加了操作的危险性。
该节流阀只能起到调节气（液）流大小的作用,而不能起截止的作用。
阀瓣工作时呈悬臂式状态,因此很容易损坏。
在高压工作状态下,使用寿命极短。
针对节流阀存在的问题,设计了一种新型节流截止阀。
该阀阀瓣的端部加工有一节流斜面,设定一定角度,解决了过去流量调节不灵敏的缺点。
阀瓣工作时仍伸入阀座孔内,起到了相互的定位作用,阀瓣与阀座在任何工作状态时都不会相互脱离,且阀瓣呈双支点式工作状态,阀瓣和阀座材料选用整体硬质合金,使阀瓣和阀座更耐腐蚀及冲刷。
密封材料选用高饱和氢化丁腈橡胶,密封更加可靠。
这样也大大延长了产品的使用寿命。
阀瓣和阀座上各加工有一个具有角度的密封斜面,两斜面接触后,阀门即处于截止状态。
阀杆与阀瓣的连接采用特殊的钢珠连接形式,解决了阀杆与阀瓣连接不牢固容易脱落的缺点。
这种阀调节范围较大,且调节平稳。
2.3快速阀的运用
手动快速阀由于结构简单、制造方便、成本低廉，现已广泛应用于排气、排水与排量的控制、燃气行业紧急切断、事故处理等各个领域，在各类机械产品中广泛应用，以增强产品的自动化程度、可靠性、动力性能，操作灵活、方便、省力，可实现多维度、大幅度的运动。
手动快速阀是适用于流体输送管道上的开闭装置，也适用于作为煤气或蒸汽管道的紧急安全关断装置。
本阀特点在于采用了异型橡胶垫密封，其密封性能良好。
同时还在于采用了齿轮齿条联动机构，本阀开启和关闭迅速，只需极短时间，阀柄设计巧妙，长短合适，手把造型独特，既好操作又省力。
因此可使流体介质的压力几乎全部转化为速度所需力。
手动快速开关阀门，使用中能利用流体的压力提高阀门的启闭速度，并且增加阀门关闭时的密封性．该阀门适用于一般流体管路中，特别适用于紧急情况下如救火、处理油田井喷等使用的管路，具有启闭速度快、密封性能好、不易磨损、制造成本低的特点，并且可以避免因忘记＂关死＂而出现的泄漏现象。
具体来讲，快速阀有以下几种用途：
（1）接通或截断管路中的介质。
（2）调节、控制管路中介质的流量。
（3）其他特殊用途。
如温度调节阀、过流保护紧急切断阀等。
在现代工业工程中，快速阀主要用于接通和截断管路中介质流动，其使用数量约占全部阀门总数的80％。
不过随着科技的进步当今行业大多都是使用自动化的快速阀，如：
电磁自动溢流阀、电磁自动快速阀。
手动快速阀的使用逐渐减少，但是并不意味着手动的快速阀将被取缔，毕竟手动快速阀操作简单，制造方便，成本低廉，还是很受经济不发达地方的青睐。
2.4快速阀的结构分析和工作原理
使用计算机辅助设计快速阀，对快速的结构分析和工作原理分析相当重要，了解快速阀的结构和工作原理后才能快速的建模、装配、仿真等工作，本章主要介绍快速阀的结构和工作原理，为后面的建模，仿真等工作打下基础。
2.5快速阀的组成
快速阀的组成如图2-1所示，图中标注为主要部件，整个阀零件还有螺钉、垫圈、螺母等配件。
图2-1快速阀三维结构图
1.阀盖2.齿轮轴3.上封盖4.填料盖5.手柄6.齿条7.内阀瓣8.下封盖
9.外阀瓣10.弹簧11.阀体
2.6快速阀的工作原理
快速阀为管道截流装置，本课题研究的为齿轮齿条机构，如图3-1-1所以，当转动手柄5时，内阀瓣7和外阀瓣9上升或下降，实现阀门的开启或关闭，阀瓣靠弹簧10的弹簧压力紧贴阀体内通道的两侧面。
内外阀瓣的上升位置由手柄转动的角度限制，手柄转动的角度由齿轮轴上扇形凸块限定。
2.7零件的材质和数量
表2-1
序号
名称
材料
数量
备注
1
阀盖
HT200
1
2
齿条
45
1
3
螺钉
6
GB5782-86M12
4
垫圈
6
GB92.2-8512
5
垫片
工业用纸
1
6
阀体
HT200
1
7
弹簧
65Mn
1
8
内阀瓣
38黄铜
1
9
外阀瓣
38黄铜
1
10
垫片
工业用纸
1
11
下封盖
HT150
1
12
螺钉
4
GB5782-86M10X22
13
齿轮轴
45
1
14
填料
15
垫片
工业用纸
1
16
上封盖
HT200
1
17
填料盖
HT150
1
18
手柄
HT150
1
19
垫圈
1
GB97.2-812
20
螺母
1
GB6172-85M12
21
螺母
2
GB6172-85M8
22
垫圈
2
GB93-878
23
螺栓
2
GB898-88M8X50
24
螺钉
4
GB5782-86M10X25
第三章快速阀的零件建模分析
3.1软件介绍
工业自动化向前发展的方向。
而依托用户的使用要求和使用习惯，迈向实在制造业高度繁荣、工业自动化蓬勃发展的今天，市场的变化、技术的更替都无时无刻不影响着用化无疑已经成为众多工业自动化供应商的主流选择，我们越来越重视在机械自动化技术，自动化技术对于机械制造业具有重要的意义。
计算机是实现自动化的一个重要工具，对于机械设计制造来说，机械类软件的应用极大的提高了工作效率和质量，加快了自动化进程。
目前常用三维造型软件很多，不同行业有不同的软件，各种三维造型软件各有所长，可根据工作需要选择。
现如今使用较多的三维软件如：
SolidWorks、UG、AutoCAD、CAXA电子图板和PRO/E等。
而本课题应导师要求，主要选择SolidWorks实现快速阀的建模，AutoCAD为辅助软件。
3.1.1solidworks介绍
20世纪90年代初，国际微型计算机市场发生了根本性的变化，微型计算机性能大幅提高，而价格却一降再降，微型计算机卓越的性能足以运行三维CAD软件。
Solidworks是一家专注于三维CAD技术的专业化软件公司，它把三维CAD作为公司唯一的开发方向，将三维CAD软件雕琢得尽善尽美是他们始终不渝的目的。
Solidworks自创办之日起，就非常明确自己的宗旨：
“三维机械CAD软件，工程师人手一套”。
[4]
Solidworks采用的是智能化的参变量式设计理念以及MicrosoftWindows图形化用户界面，具有表现卓越的几何造型和分析功能，操作灵活，运行速度快，设计过程简单、便捷，被业界称为“三维机械设计方案的领先者”，受到广大用户的青睐，在机械制图和结构设计领域已经成为三维CAD设计的主流软件。
Solidworks2012中共有三大模块，分别是零件、装配和工程图，其中“零件”模块中又包括草图设计、零件设计、曲面设计、钣金设计以及模具等小模块。
利用solidworks，设计师和工程师可以更有效地为产品建模以及模拟整个工程系统，加速产品的设计和生产周期，从而完成更加富有创意的产品制造。
[5]
3.2零件建模的理论分析
Solidworks提供了十分强大的、基于特征的试题建模功能。
通过拉伸、旋转、扫描、放样、特征的整列以及孔等操作来实现产品的设计；通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改；solidworks中提供的三维草图功能可以为扫描、放样等特征生成三维草图路径或为管道、电缆线和管线生成路径。
曲面建模功能通过带控制线的扫描曲面、放样曲面、边界曲面以及拖动可控制的相切操作，产生非常复杂的曲面，并可以直观地对已存在曲面进行修剪、延伸、缝合和圆角等操作。
对于本课题，通过对
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