石油井口闸阀阀体三维参数化设计.pdf

石油天然气 学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 1 2 月 第 3 1卷第 6期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J P I D e c ． 2 0 0 9 V o 1 ． 3 1 N o ． 6 石油 井 口闸阀阀体 三维参数化设计 周思柱 ，景华斌 ，范 杰 长江 大学 机械工程学院， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 [ 摘要]通过分析石油井 口闸阀结构特 点与工作原理 ，以闸阀 阀体作为 案例研究 了三维参 数化模型构建 过 程 ，利用 C A X A 实体设计的 自定义参数化零件功 能， 构造相关三维模型并定义相关变量 ， 完成驱动单元参 数化模 型的构建 。利用 C A XA 实体设 计参 数化库功能存放参 数化零件 ，调用参 数化库 中的参数化零件 进 行 参 数赋 值 与驱 动 ， 实现 了 4 i n 2 0 0 0 p s i闸 阀 阀体 参 数 化 设 计 。 [ 关键词]石油井 口装置；闸阀；参数化设计 ； C A XA 实体设计 [ 中图分类号]TE 9 2 1 ． 4 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 9 0 6 0 1 5 4 0 4 随着世 界石油 工业 的飞速 发展 ，井 口装置作 为石 油钻采 装备 中最重 要 的装 置之 一也得 到 了迅 速 的发 展u 。井 口装 置主要 由总闸 门 、油嘴 、生产 闸 门 、油管 四通 或三 通 、套 管 闸 门 、清 蜡 闸 门等部 件 组成 。 其 作用 是控 制和调 节油井 的 自喷生产 ，引导喷 出 的油气 进入 输 油管 线 ，保 证 录取 油压 、套 压 、计 量油 、 气 产量 、取样 及清蜡 等 工作 。而 闸阀又是 井 口装 置最重 要 的部分 ，闸 阀性能 的好坏 以及使 用寿命 的长短 都 对井 口装 置有很 大 的影响 。因此 国外在 闸 阀的现代化 设计 、可靠 性和 控制性 等方 面都投 入 了大 量 的人 力 和物 力进行 研究 。国内近 2 0年来 ，油气 专用 闸 阀走过 了技术 引 进 、消化 、 自行 发展 三 步 曲 ，技 术 日 趋 成熟 ，已经具备 大规模 生产 的能力 ，为 发展我 国的油 气专用 闸阀工业 打下 了 良好基 础 。但是采 用先进 的设计 技术 ，利用 现代化 的设 计软件 进行 三维快 速参数 化 系列设计 ，尚处于起 步 阶段 。 1 石油井 口闸阀的结构特点 闸阀 如 图 1 是 闸板在 阀杆 的带动 下 ，沿 阀座 密封 面作相对 运 动而 达到 开 闭 目的 的阀 门。根 据石 油 井 口装 置 的特殊要 求 ，按 照 阀杆上 面螺纹 位置 ，常用 2大 类 阀 门o一 类是 明杆 闸阀 ，阀杆 的升 降是 通 过在 阀盖或 支架上 的阀杆螺母 旋转 实现 的 。这 种机构 对 阀杆 润 滑有利 ，闸板 开度 清楚 ，阀杆螺母 不受 介质的腐蚀，使用广泛。但它在开启时需要一定的空间，螺纹容易沾上灰尘 ，加快螺纹的磨损。另一类 是 暗杆 闸阀 如 图 1 ，闸板 的升 降是靠旋 转 阀杆带 动 闸板上 的 阀杆 螺母 来 实 现 的 ，阀杆 只能旋 转 ，而 没 有上 下位移 。这种 结构 的 阀门高度 尺寸小 ，它 的启 闭行程 因不 可见而难 以控 制 ，需 要增 加指示 器 ，阀 杆螺纹及 阀杆螺母与介质接触要受介质温度和腐蚀性的影响，因而适用于非腐蚀性介质以及外界环境条 件 较差 的场合 。 常用 的 阀板结构 形式 也有 2大类 ] 一类 是平行 式 闸阀 ，闸板密 封面 与通道 中心线 垂直 ，且与 阀杆 的轴线平 行 。另一类 是楔 式 闸板 ，密 封面 与阀杆 的轴线 对称成 一 角度 ，这种 闸 阀制 造 和维修 都较 平行 式 复 杂 。 不 管哪一 类 闸阀 ，其 结构 主要 由阀体 、阀盖 、支架 、阀杆 、手 轮 、填料 、阀 座 、闸板 等组 成 。阀体 是闸阀的主体 ，在进行闸阀系列三维参数化设计时，最主要的参数化设计部件是阀体 。为此，笔者重点 介绍在 C AX A环境下石油井 口闸阀阀体的三维参数化设计方法。 [ 收稿日期]2 0 0 91 0 1 6 [ 基金项目]湖北省教育厅重大科技项 目 z 2 o o 5 1 2 0 0 1 。 [ 作者 简介]周思柱 1 9 6 3 一 ，男，1 9 8 3年江汉石油学院毕业，博士，教授 ，博士生导师 ，现主要从 事石油天然气机械工程 的教学和科 研工作。 o上海第二石油机械 厂 ，西南石 油学 院 ． 国内外 高压采 油 气 井口装置 资料 汇编 ．机械 工业 部兰 州石 油机械 研究 所 ，1 9 8 6 4 2 ～ 5 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1卷第 6 期 周思柱等 石油井口闸阀阀体三维参数化设计 2 C AX A软件平 台分析 C A XA作 为我 国 自主知识 产权 软件 的优 秀代 表和 知名 品 牌口 ] ， C AX A 实体设 计软 件是 当今最 简 易 、快 捷 的适 合 于 机 械工 程方 面所 采 用 的 三 维设 计 软 件 之 一 ，它 融 合 了二 维 绘 图、三维设 计 与装 配 、动 画等功 能 的综 合设 计平 台 ，不 仅将 造型 、装配 、钣金 、动 画和 高级渲 染等 集成 在一 个易 于 掌握 的统一 操作 环境下 ，而且 由于采用 拖放 式 的实体 造 型功 能并 结合智 能捕 捉与三 维球定 位技 术 ，使得 没有其 他 造型 软 件在 实际效率方面能与其相匹敌。 利 用 C AX A 进 行 参 数 化设 计 ，可 以有 2种 方 式 ，一 是 首 先用 C Ax A 强大 的三维 建模 功能 ，建 立 三维 参 数化 模 型 ， 然 后利用 已经 建 好 的模 型 ，在 C AX A 中类 似 标 准 件 一 样 建 立 一个参数 化 的图库 ；如 果进 行一项 新 的设计 时可 以在 已经 建好 的 图库 中调 选 图形 ，然 后对 其参 数进 行改 变 ，就可 以参 数 化生成 相应 的模型 。二 是利用 在 C AX A 实体 设计 环 境 下 ， 图 1井 口 闸 阀 与 E x c e l 表格结 合进 行 ，基 于 E x c e l 表 格动 态链 接 ，进行结 构 的参 数化 设计 ，采 用基 于 二维 轮 廓 图形 或 图素 特征尺 寸 的参 数 化设计 方法 ，构建 三维参 数模 型并 将 其嵌 人 到 E x c e l 表格 中 ，通过 编 辑 零件 参 数 表 达式或智能 图素包 围盒尺寸建立模型和 E x c e l 相关单元格的关联关系，在 E x c e l 环境下通过修改或调用 数据对 几何模 型进 行参 数驱 动 。 3 石油井 口闸阀阀体参数化设计实例 3 ． 1闸阀 阀体 参数 化建 模 对 于石油井 口闸 阀的一般零 件 ，主要 通 过 拉 伸 、旋 转 和从 图库 中调 用 标 准件 等 即可 进行 参 数 化 造 型 。但 是 ， 对 于 复 杂 的 阀 体 零 件 ，要 运 用 C AX A 的 很 多 功 能 。 下 面 以 4 i n 2 0 0 0 p s i 1 p s i 一 6 8 9 4 ． 7 5 7 P a 闸阀最复杂的阀体实现参数化建模为例 ，说明其参数化过程 。 步骤 1 在空 白设计 环境 中 ，从标 准 工 具栏 图素里 选 择 圆柱 体 ，然 后 拖 放 至 空 白设 计 环 境 内 ， 选中这个圆柱体 ，点击右键对其进行参数编辑成直径为 2 6 4 mm、高度为 4 7 3 mm的圆柱体 ，对编辑好的 圆柱体 进行 旋转 、平移 图 2 。这个 圆柱体就 是 阀体 的主体 。 步骤 2 从 图素 中再选 中圆柱体 ，把 这个 圆柱体 放在 图 2圆柱 体 的上 面 ，使其 轴 线 与上 面 圆柱 体轴 线垂直 。然后 通过 三维球 使 这个 圆柱体 移动 到 图 2圆柱体 的上 端面 ，使其 位 于大 圆柱体 的端 面正 中 。再 通 过三维 球使 其 向下平移 至 大圆柱 体 的正 中间 ，形 成 阀体进 出 口圆柱 图 3 。 步骤 3 在图素工具栏内选中圆柱体 ，拖放至小圆柱体的端部正中间，然后对其进行参数编辑成直 径为 2 9 5 mm、高度为 4 4 ． 4 mm 的圆柱体 ，这个圆柱体就是阀体法兰的主体。再在标 准工具栏工具 内选 择 自定 义孑 L ，把其 拖放 至法 兰 主体 的正 中间 ，同时对 这个 孔进 行 编 辑成 螺柱 孔 ， 螺 纹 规格 M3 0 2 ，对 其 编辑直径 为 3 3 mm，孔 深 为 4 4 ． 4 mm。 然 后 通 过 三 维 球 把 这 个 圆柱 体 向 外 平 移 至 法 兰 中 心 1 1 7 ． 5 mm处。最后把孔上的三维球中心重新定位到法兰体的中心 ，选择 阵列旋转轴，变黄后 ，单击鼠 标右键 ，以旋转形式旋转孔 。松开鼠标后出现快捷菜单 ，如图 4 、图 5 所示 。选择其中的 “ 生成环形阵 列” ，在弹 出的对 话框 中输 入阵列 数 目 8和 相对 角度 。则 生成 如 图 6 所 示 的 8个 孑 L 。同 理可 得另 一 端 的 法兰及 均匀分 布在 法兰 四周 的 8 个 螺柱 孔 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9年 1 2月 图 2阀体的主圆柱体 图 4阀 体 法 兰 图 3 阀体 的进 出口圆柱 图 5阀体 法 兰 螺 栓 孔 步骤 4 完 成阀体 的通 径 造 型 首先 在 法 兰 的端 面 中间从 图素 _ I二 具栏 内拖 放 一个 直 径 为 1 8 1 mm、 高度为 8 ram的圆柱体 ，如图 7所示 。然后再拖放一个圆柱孔放在法兰的端面正中间，编辑其参数直径 为 1 0 3 ． 2 ram，高 度 为 1 9 0 ． 5 ram。最 后 再 向 已有 的 孔 内 拖 放 一 个 孔 类 圆 柱 体 ， 编 辑 其 参 数 直 径 为 图 6 8个 螺 柱 孔 图 7阀体 的通 径 造 型 1 3 3 mm，高度为 2 5 ram。这个孔的造型是为了安放阀座。同理在阀体相对称的一端也进行同上的操作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 6期 周思柱等 石油井 口闸阀 阀体 三维参数化设计 步骤 5 对阀体实现整体造型 首先在阀体的上端面建造 8个螺柱孔 ，造型过程同法兰处孔的造型 一 样。这 8 个螺柱孔的造型是为了使 阀盖与阀体能够紧紧地连接在一起。然后在端面拖放一个直径为 1 5 4 mm、高度为 1 0 mm的圆柱，这个孔 的设计是为了让 阀盖的凸台能够放在 阀体 的里面。再在上 面挖 的 圆柱 的里 面挖一 个直 径为 1 4 4 mm、高度 为 7 8 mm 的孔 ，这些 尺 寸 的设 计 都是 为 了能使 闸板 顺利 地 放 到阀体的里面。再则就是在原来的基础上挖一个直径为 1 6 mm、高度为 3 8 mm的圆柱孔 。最后就是完成 安放 闸板 的 四方 孔 的 造 型 ，原 理 同 孔 的 造 型 一 样 ，该 四 方 孔 的 尺 寸 为 长 1 5 0 mm， 宽 8 0 mm，高 3 0 2 ． 6 mm。至此 ，阀体 的参数 化建 模完 全实 现 。 3 ． 2建立 阀体 参数 化 图库 利 用前面 建好 的模 型 ，可 以在 C AX A 建立 一 个 参数 化 的图库 ，以方 便 以后 的工 作 。如 果 给 出新 的 设计 数 据 ，就 可 以在 已经建好 的 图库 中调选 图形 ，然后对 其参 数进 行 改变 ，就可 以生 成相应 的模 型 。 3 ． 3 利 用参 数化 图库对 4 i n 2 0 0 0 p s i 闸阀实现 参数化 设计 在参数化图库建立完成后 ，就可以用于对各种系列规格的阀体进行参数化设计 ，非常方便快捷 ，只 要从现有的图库 中调用 图形 ，对其进行参数设置 即可 。图 8是 4 i n 2 0 0 0 p s i 闸阀阀体参数化设计效 果 图 。 4 结 语 石 油工 业 的快 速发 展 ，要 求 石油 装 备 不断 地 更新 换 代 ，而且要 求有快 速 的市场 反 映 ，设 计 过 程参 数 化 是计 算 机辅 助设计 技术应 用 的前 沿技 术 ，将 其应 用 于石 油 井 口装置 闸 阀的系列设 计 ，具 有重 要 意义 。笔 者 提 出 的在 C AX A 平 台下 建立 三维 参数化 模 型和参 数 化库 的方 法 减 少 了 重复 性 的三 维 造 型工 作 ， 规 范 了设 计 数 据 ， 提 高 了 设 计人员 的设 计效率 。通 过调 整参 数得 到不 同 的设 计 结 果 或 进 行 反 复 的 校 核 运 算 ，实 现 C AD ／ C AE ／ C AP P ／ C AM 的真 正 集 成 ，为设 计 、分 析 、制 造 的一 体 化 、智 能化 过程提 供前 提 ，该 方法 对 于其 他类 型 机械 产 品 的参 数化设 计具 有参 考性 。 图8 4 i n 2 0 0 0 p s i 阀体参数化设计效果 [ 参 考文 献] [ 1 ]李宁 ，周思柱 ，廖燕 ，等 ．高压井 口闸阀开关扭矩计算新 方法 [ J ]．石 油机械 ，2 0 0 6 ，3 4 1 2 2 2 ～2 4 ． [ 2 ]B a k e r ，D wi g h t ． Ga t e v a l v e h a v i n g e x p a n d i n g g a t e a n d f l o a t in g s e a t s[ P ]． Un i t e d S t a t e s P a t e n t 5 2 1 1 3 7 3 ，Ma y 1 8 ，1 9 9 3 ． [ 3 1林少芬，姜 明 ． C AXA三维实体设计教程 [ M3．北京 机械工业出版社 ，2 0 0 5 ． [ 编辑] 苏开科 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m