焦圳，巴鵬，張海峰，崔淮

(1.沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159;2.撫順新鋼鐵公司，遼寧撫順113000;

3.遼河油田沈陽采油廠資產(chǎn)科，遼寧沈陽110300)

缸體是往復(fù)壓縮機中組成壓縮容積的主要部分，它與活塞、氣閥等共同組成壓縮氣體的工作腔。缸體的工作腔直徑、工作腔長度、氣閥安裝孔等尺寸都滿足系列化的特點?；赑ro/E對缸體進行參數(shù)化建模及分析，大大提高產(chǎn)品的設(shè)計速度，快速開發(fā)出新產(chǎn)品并縮短產(chǎn)品的上市周期。

參數(shù)化設(shè)計是采用尺寸驅(qū)動的方式改變幾何約束構(gòu)成的幾何模型，是設(shè)計系列化產(chǎn)品的一種準(zhǔn)確、簡單、高效的設(shè)計方法。隨著CAD/CAM技術(shù)的快速發(fā)展，目前常用的參數(shù)化設(shè)計軟件中，主流的應(yīng)用軟件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和SolidWorks，文中用Pro/E對4M12型往復(fù)式壓縮機缸體進行參數(shù)化建模，并對設(shè)計結(jié)果進行優(yōu)化。

每個企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計重點、規(guī)范和標(biāo)注都不一樣，CAD三維設(shè)計軟件的系統(tǒng)計算能力差，設(shè)計人員很難通過CAD三維設(shè)計軟件完整地表達出設(shè)計思路。為了解決企業(yè)對CAD三維設(shè)計軟件的需求和克服其不足，利用VC++6.0編程工具中的MFC資源開發(fā)需要的DLL應(yīng)用程序，實現(xiàn)應(yīng)用程序模塊與Pro/E軟件的無縫集成，即Pro/E的二次開發(fā)，是解決這一問題的主要技術(shù)。

1 缸體參數(shù)化設(shè)計原理與步驟

缸體的形狀比較固定，用一組參數(shù)約束缸體的結(jié)構(gòu)尺寸與拓撲關(guān)系，參數(shù)和缸體的控制尺寸有一定對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)給定不同參數(shù)時，驅(qū)動基本零件模型，就能達到缸體的系列化。

1.1 壓縮機的理論循環(huán)

假設(shè)壓縮機工作在理想的條件下，即壓縮機沒有余隙容積并且密封性能好，沒有熱量交換，吸、排氣閥及時開啟或關(guān)閉，沒有吸、排氣阻力，壓縮機在工作過程中氣體狀態(tài)不變，同時氣體被壓縮時按不變的指數(shù)值進行，滿足以上條件的循環(huán)稱為理論循環(huán)，如圖1所示，其中容積V為橫坐標(biāo)，壓力p為縱坐標(biāo)。

圖1 壓縮機的理論循環(huán)

當(dāng)活塞自外止點向右移動時，氣體在壓力為p1的情況下通過吸氣閥進入氣缸，即吸氣過程，用DA線表示。相反的過程為排氣過程，用BC線表示。

根據(jù)壓縮過程中氣體與氣缸壁換熱情況的不同，理論循環(huán)分為等溫循環(huán)、絕熱循環(huán)和多方循環(huán)。其中AB表示等溫壓縮，AB″表示絕熱壓縮，AB'表示多方壓縮。實際上等溫過程是不存在的，絕熱循環(huán)耗功最多，文中按多方循環(huán)計算，與實際情況最接近。多方壓縮曲線AB'的方程為:pVn=常數(shù)，多方壓縮過程的終點溫度多方壓縮1 kg理想氣體的循環(huán)功為:

1.2 缸體的參數(shù)計算

根據(jù)熱力計算可以得到最有利的熱力參數(shù) (各級的吸排氣溫度、壓力等)和主要的結(jié)構(gòu)尺寸 (氣缸直徑、內(nèi)壁厚度、活塞行程等)，各熱力參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸在文獻 ［1］中有詳細的介紹。

(1)氣缸行程容積

壓縮機在實際運行中，因為存在吸氣閥的彈簧力和管線上的壓力波動、吸氣時氣體與氣缸壁之間的熱交換、氣體泄漏等因素，使排氣量減少。所以設(shè)計計算中要考慮上述因素對排氣量的影響，以λ表示:

式中:λV為容積系數(shù);λp為壓力系數(shù);λT為溫度系數(shù);λg為氣密系數(shù)。其中λV對排氣量的影響最大。

根據(jù)氣缸工作指示圖 (圖2)，可以得知容積系數(shù)表示余隙容積對氣缸有效行程容積V'的影響。對于理想氣體:

式中:a是相對余隙容積;ε是公稱壓力比;m是膨脹過程指數(shù)。

圖2 氣缸工作實際指示圖

多級壓縮機其他各級的氣缸行程容積:

式中:μdi表示干氣系數(shù);μoi表示抽氣系數(shù);ps1、psi分別表示I級和i級公稱吸氣壓力;Ts1、Tsi分別表示I級和i級的公稱吸氣溫度;λi為i級的排氣系數(shù)。

(2)氣缸直徑

按上式計算出各級氣缸行程容積后，可按下面公式計算氣缸直徑。

級差活塞 (見圖3)的雙作用氣缸:D1=

式中:Vti表示氣缸的行程容積，s表示活塞行程，n表示壓縮機的轉(zhuǎn)數(shù)，i表示同級氣缸數(shù)，d表示活塞桿直徑。

圖3 級差活塞

(3)氣路管徑與閥口

管道內(nèi)徑Di按氣體在管道內(nèi)的平均流速確定，即:

式中:V表示氣體容積流量，CR表示氣體平均流速。

進、排氣口面積Ac:

式中:Ac為進、排氣口面積;vm為活塞平均速度;vc為孔口氣流速度。

(4)缸體受力分析

有干式氣缸套的缸體，其模型可以簡化成組合圓筒，受力如圖4所示。

圖4 缸體上的作用力和應(yīng)力分布圖形

氣缸與缸套接觸表面的壓力p2:

式中:V表示直徑過盈值;E1、E2分別表示氣缸套和氣缸材料的彈性模數(shù);μ1、μ2分別表示氣缸套和氣缸材料的泊松系數(shù)。

切向應(yīng)力σtc:

徑向應(yīng)力σrc:

式中:a表示材料的線膨脹系數(shù);E表示材料的彈性模數(shù);to、ti分別表示外表面與內(nèi)表面的溫度;μ表示泊松系數(shù);k表示內(nèi)外半徑之比。

缸體的強度按當(dāng)量應(yīng)力值來確定:

脆性材料的當(dāng)量應(yīng)力:

式中:υ表示材料拉伸強度與壓縮強度的比值。

塑性材料的當(dāng)量應(yīng)力:

當(dāng)氣缸套被氣缸蓋壓緊定位在凸肩時也需要強度校核，受力如圖5所示。

圖5 氣缸套定位凸肩受力圖

截面Ⅰ－Ⅰ為密封與支撐面間距離最短的界面，即危險截面，危險截面上的法向拉伸應(yīng)力σp:σp=

式中:α表示危險截面的法線與氣缸蓋壓緊力之間的夾角，e表示界面重心S與支承反力之間的垂直距離，l表示密封面與支撐面間的最短距離。

由壓縮機缸體主要幾何尺寸信息，參數(shù)化設(shè)計的流程如下:

(1)根據(jù)壓縮機工作的相關(guān)參數(shù)，即活塞推力p、排氣壓力pa、排氣量Vm、吸氣溫度T1、總級數(shù)、缸體的材料，通過計算就可以得到設(shè)計參數(shù)，如行程s1、轉(zhuǎn)速n、軸功率 N、排氣壓力 p＇、排氣溫度 T2、活塞平均速度Cm、每列往復(fù)部件最大質(zhì)量mp、活塞桿直徑d等，再把設(shè)計參數(shù)傳遞給缸體主要幾何尺寸參數(shù)。

(2)把接收到的參數(shù)作為輸入?yún)?shù)結(jié)合工作參數(shù)，可以計算出缸體主要幾何尺寸參數(shù)，即缸體直徑D1，工作腔長度L，缸體的內(nèi)壁厚度s，軸向厚度s'，兩端連接法蘭厚度 δ，筋厚 δ'，氣體管道內(nèi)徑 D2，進、排氣口面積Ac等基本尺寸參數(shù)。

(3)在完成上述兩個步驟之后，整體的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計基本完成，再根據(jù)壓縮機缸體受力情況，對設(shè)計結(jié)果進行校核，分別計算缸體的內(nèi)表面當(dāng)量應(yīng)力和外表面當(dāng)量應(yīng)力，再和材料的許用應(yīng)力相比較。如果當(dāng)量應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，校核結(jié)果安全，則為最終結(jié)果，可以直接出圖;如果設(shè)計結(jié)果經(jīng)過驗證之后當(dāng)量應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，校核結(jié)果不安全，則返回步驟 (1)，重新設(shè)計。

參數(shù)化設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 壓縮機缸體參數(shù)化設(shè)計流程圖

2 編輯缸體參數(shù)化設(shè)計程序

根據(jù)上面的壓縮機缸體參數(shù)化設(shè)計流程，用市面上比較流行的、功能強大的可視化軟件開發(fā)工具VC++6.0，設(shè)計出壓縮機缸體參數(shù)化設(shè)計界面。

利用VC++6.0編程工具MFC資源模塊，采用動態(tài)鏈接庫DLL的方式，設(shè)計出功能完全、界面友好的缸體參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，并且通過二次開發(fā)，可以設(shè)計出簡單方便的人機交互界面，從而能夠大大提高Pro/E的使用效率。

壓縮機的活塞推力、行程是壓縮機系列化的基礎(chǔ)，在實際設(shè)計壓縮機缸體產(chǎn)品時，考慮到設(shè)計周期和加工費用等因素，為了達到壓縮機系列化，一般根據(jù)活塞推力計算得到其他壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù) (圖7)，所以文中采用建立活塞式壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫形式，根據(jù)第一步輸入的活塞推力p，直接在主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫中匹配出相應(yīng)的其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如行程s1、轉(zhuǎn)速n等。

輸入?yún)?shù):壓縮機的總級數(shù)，缸體總級數(shù)，缸體的類型，缸體的材料，總排氣量Vm，吸氣溫度T，活塞推力p，總排氣壓力pa。

輸入?yún)?shù)之后，點擊導(dǎo)入?yún)?shù)，系統(tǒng)自動從壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用出相應(yīng)的其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將主要結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞給第2步，即確定參數(shù)界面如圖7所示，這樣就可以確定壓縮機所有主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

經(jīng)過計算之后，所有主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)傳遞給下一步，即壓縮機缸體參數(shù)化設(shè)計界面1如圖7所示。

圖7 壓縮機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計界面

最終，將之前輸入的變量參數(shù)所得到的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)定為輸入?yún)?shù)，根據(jù)壓縮機設(shè)計公式，經(jīng)過軟件計算可以得出缸體主要幾何尺寸參數(shù)、當(dāng)量應(yīng)力等，并判斷當(dāng)量應(yīng)力是否小于材料的許用應(yīng)力，如果設(shè)計結(jié)果不滿足校核條件，則需要重新輸入?yún)?shù)，以達到滿足校核條件為止。

經(jīng)過兩步計算之后，最后得到滿足校核條件的變量參數(shù)，即為最終結(jié)果，可以將滿足校核條件的最終結(jié)果出圖，如圖8所示，作為設(shè)計人員的最終設(shè)計結(jié)果。

圖8 壓縮機缸體參數(shù)化設(shè)計輸出界面

另外，把最終設(shè)計結(jié)果的參數(shù)作為更進一步的輸入?yún)?shù)，通過與Pro/E軟件的無縫集成，進行二次開發(fā)，可以直接生成壓縮機缸體的三維模型，如圖9—10所示。

圖9 缸體正視圖

圖10 缸體剖視圖

3 結(jié)論

闡述了4M12－78/34型氧氣壓縮機缸體參數(shù)化設(shè)計原理、方法、軟件的開發(fā)及其實現(xiàn)，下面對主要問題做如下總結(jié):

(1)通過計算機輔助設(shè)計和VC++6.0編程軟件，實現(xiàn)了4M12-78/34型氧氣壓縮機缸體的參數(shù)化設(shè)計，能夠簡單、快捷地開發(fā)出其他級缸體，大大減少了設(shè)計人員的工作量和工作時間，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，為企業(yè)獲得成功打下了基礎(chǔ)。

(2)通對對Pro/E軟件進行二次開發(fā)，讓程序能更好地滿足設(shè)計人員要求，即繼承性;使程序是針對某些專門人員進行的設(shè)計，即專業(yè)性;使程序經(jīng)過開發(fā)之后工作相對比較簡單，即簡單性;使程序大大提高軟件的使用效率，即實用性。

(3)以實際應(yīng)用的成熟產(chǎn)品4M12-78/34型往復(fù)式壓縮機一級缸體為模型機，對其他級缸體進行設(shè)計。計算結(jié)果表明:提出的設(shè)計方法是有效的，實現(xiàn)了壓縮機缸體的參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計，在實際應(yīng)用中具有重大意義。

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