摘 要：采用三維計(jì)算機(jī)輔助CAX技術(shù)進(jìn)行潛油電泵機(jī)組開發(fā)設(shè)計(jì)，對關(guān)鍵部件進(jìn)行計(jì)算、分析，得到可視化的優(yōu)化方案，裝配出數(shù)字化虛擬機(jī)組樣機(jī)模擬運(yùn)行，提高了產(chǎn)品的性能和可靠性，縮短產(chǎn)品研制周期，集成數(shù)控加工，大大提高了生產(chǎn)效率和精度。CAX的集成應(yīng)用，構(gòu)造成企業(yè)的簡單計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng)，降低了企業(yè)成本，以信息化帶動企業(yè)工業(yè)化的升級，真正增強(qiáng)了企業(yè)的核心競爭能力。

關(guān)鍵詞：潛油電泵機(jī)組；CAX；CAD；CAE；CAM；集成應(yīng)用

中圖分類號：TE393

大慶油田力神泵業(yè)有限公司是研發(fā)、制造、營銷潛油電泵和螺桿泵等石油泵類產(chǎn)品的專業(yè)公司， 是中國最大的潛油電泵集成供應(yīng)商。在立足國內(nèi)市場的基礎(chǔ)上，規(guī)?；M(jìn)入了蘇丹、印尼、哈薩克斯坦、科威特等國際市場。在國內(nèi)外市場激烈的競爭下，我公司通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)CAX集成應(yīng)用，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行潛油電泵機(jī)組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整及制造業(yè)工藝裝備改造與升級，利用信息化帶動企業(yè)的工業(yè)化，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速增長，提高企業(yè)的市場競爭力。

1 三維設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

1.1 問題分析

我公司在國際市場面對美國、英國、俄羅斯等強(qiáng)勁同行對手，公司傳統(tǒng)的二維產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式已不再適應(yīng)企業(yè)對產(chǎn)品的時間、質(zhì)量、成本的要求，企業(yè)信息化是企業(yè)提高核心競爭能力的必然途徑。

1.2 采用三維設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)字化設(shè)計(jì)是企業(yè)信息化的重要內(nèi)容。為了提高設(shè)計(jì)水平及質(zhì)量，經(jīng)縝密論證與原二維DWG數(shù)據(jù)具有最好的繼承兼容性，我產(chǎn)品研發(fā)人員采用支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)最為重要的技術(shù)和工具—三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD軟件Autodesk Inventor。三維的設(shè)計(jì)方式使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)直觀可見，設(shè)計(jì)過程中可隨時得到部件模型的面積、體積、質(zhì)量和重心等重要物理性數(shù)據(jù)，很大地提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和精度；設(shè)計(jì)出來的三維模型可快捷地創(chuàng)建符合GB的工程圖紙，解決了復(fù)雜零部件的投影線生成難、漏標(biāo)尺寸、漏畫圖線等問題。我項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員利用三維建模檢查出先前兩維設(shè)計(jì)的某機(jī)組電機(jī)頭與電纜聯(lián)接處有一處1.5mm的楞缺，這個微小的楞缺導(dǎo)致動力電纜與潛油電機(jī)頭的聯(lián)接處不能夠嚴(yán)密地密封，會使井液滲入潛油電機(jī)內(nèi)，造成電機(jī)的燒毀，至使整套潛油電泵機(jī)組的損壞，設(shè)計(jì)人員及時發(fā)現(xiàn)了問題并修改完善了設(shè)計(jì)，避免了這個可能造成的幾百萬元損失的設(shè)計(jì)缺陷。

在18X系列新產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員充分發(fā)揮三維設(shè)計(jì)方式提高創(chuàng)新能力和協(xié)同開發(fā)設(shè)計(jì)（CPC）能力，使得原本8個月潛油電泵機(jī)組的開發(fā)周期在5個月內(nèi)就完成了，較大縮短了產(chǎn)品研制周期，加快了新產(chǎn)品投入市場的速度，使得新產(chǎn)品盡早地推向市場，并贏得了國際市場的合同。

1.3 虛擬潛油電泵機(jī)組數(shù)字化樣機(jī)

三維設(shè)計(jì)出潛油電泵機(jī)組的所有部件，采用自底而上和自頂而下兩種裝配模式，進(jìn)行電泵機(jī)組的仿真裝配，虛擬裝配出潛油電泵機(jī)組數(shù)字化樣機(jī)。

（1）對潛油電泵機(jī)組數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行物性干涉檢查，盡早發(fā)現(xiàn)出設(shè)計(jì)階段存在的干涉或設(shè)計(jì)不合理等錯誤，避免了以往各部件要等到實(shí)際生產(chǎn)出來了才發(fā)現(xiàn)錯誤而造成的可避免的損失。（2）潛油電泵機(jī)組在車間實(shí)際裝配之前，預(yù)先在計(jì)算機(jī)中模擬裝配過程中，通過分析部件間裝配關(guān)系，定義和建立零部件的特征信息和參數(shù)信息，使零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，保證了實(shí)際生產(chǎn)的加工工藝性和裝配的工藝性。（3）使用數(shù)字化樣機(jī)作產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的仿真分析。通過計(jì)算機(jī)模擬電泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，數(shù)值化地掌握有沒有動態(tài)干涉，可科學(xué)分析、解決機(jī)組機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和運(yùn)動關(guān)系，使得產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)更精確、更合理。（4）設(shè)計(jì)數(shù)字化虛擬樣機(jī)，可以減少甚至避免產(chǎn)品樣機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)，較大降低了產(chǎn)品研制的成本。（5）三維模型的高清晰逼真的產(chǎn)品渲染照片，裝配過程的動畫視頻，易于產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)等生產(chǎn)信息的表達(dá)、交流和傳遞。

2 三維集成應(yīng)用

建立起多個系列潛油電泵機(jī)組的三維模型數(shù)據(jù)庫，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺，把CAD、CAE、CAM軟件有機(jī)地結(jié)合起來，統(tǒng)一組織各種數(shù)據(jù)信息的提取、交換、共享和處理，形成我企業(yè)簡捷的集成化應(yīng)用。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中CAD/CAE集成應(yīng)用

由于潛油電泵機(jī)組要放到幾百甚至幾千米深的地下油井中使用，受到油井套管內(nèi)徑尺寸的嚴(yán)格限制，至使?jié)撚碗姳脵C(jī)組的結(jié)構(gòu)是又細(xì)又長的。潛油電泵的關(guān)鍵部件—泵軸也是細(xì)長的，泵軸直徑的設(shè)計(jì)是否合理，不僅決定了潛油泵功率輸出能力的大小，而且也關(guān)系到潛油泵中葉導(dǎo)輪過流空間的大小，因此潛油泵軸的合理設(shè)計(jì)是潛油電泵機(jī)組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

潛油電泵軸主要功能是傳遞動力功率，工作過程中主要受到的是扭矩的作用。使用CAE計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算軟件ANSYS對潛油泵軸進(jìn)行有限元受力、強(qiáng)度的計(jì)算，根據(jù)等參數(shù)單元概念，位移函數(shù)和幾何坐標(biāo)的變換式取相同形函數(shù)建立起有限元力學(xué)模型。

單元應(yīng)力的計(jì)算：[σ]=[σx σy σz τxy τyz τzx]T=[D][B][δ]e=[D][B1 B2 … B10][δ]e

式中：[D]為彈性矩陣；[B]為單元幾何矩陣，[δ]e為單元位移列陣。

邊界面上各節(jié)點(diǎn)的等效節(jié)點(diǎn)載荷為：

通過計(jì)算、分析，驗(yàn)證應(yīng)力最大點(diǎn)主要集中在泵軸的花鍵齒與花鍵收尾相交的根部，是潛油泵軸發(fā)生斷裂的最危險的位置。

針對計(jì)算分析得到的結(jié)果，對泵軸進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后恰當(dāng)?shù)卮_定花鍵收尾圓弧半徑技術(shù)參數(shù)，有效降低了該部位應(yīng)力集中的問題，不僅大大降低了潛油泵發(fā)生斷軸的風(fēng)險，還使得泵軸最大功率輸出能力比原來的設(shè)計(jì)提高了29%，提高了潛油電泵機(jī)組功率等級，增強(qiáng)了潛油電泵機(jī)組的安全可靠性。

2.2 機(jī)械加工中CAD/CAM集成應(yīng)用

CAM是CAX系統(tǒng)應(yīng)用中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)。我們使用的計(jì)算機(jī)制造CAM系統(tǒng)是Edge CAM（for Inventor），Edge CAM系統(tǒng)直接讀取三維模型數(shù)據(jù)，無需任何轉(zhuǎn)換接口，智能化自動識別模型的幾何體結(jié)構(gòu)相關(guān)的各種加工特征信息，不造成任何丟失。軟件自動優(yōu)化刀具路徑，仿真模擬與現(xiàn)場相同的加工過程，對加工工藝進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，減少了加工過程中可能出現(xiàn)的加工缺陷。通過軟件自動形成基于我公司FANUC系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備模版的DNC代碼，通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，一對多地把數(shù)據(jù)傳送給加工車間10余臺數(shù)控機(jī)床和加工中心，使得一臺計(jì)算機(jī)可以同時控制多臺數(shù)控加工設(shè)備，很大程度上提高了加工自動化，提高了加工精度和加工質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期。

3 結(jié)束語

通過計(jì)算機(jī)（CAX）輔助技術(shù)使得信息技術(shù)、制造技術(shù)、自動化等技術(shù)的集成應(yīng)用，形成我企業(yè)簡單的集成制造系統(tǒng)（CIMS），最大限度地實(shí)現(xiàn)了企業(yè)信息共享，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造數(shù)字化、一體化，建立新的企業(yè)運(yùn)行方式，深化了我企業(yè)信息化，通過提高設(shè)計(jì)能力、縮短新產(chǎn)品研制周期、提高產(chǎn)品加工質(zhì)量與效率，以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和制造工藝裝備改造與升級，擴(kuò)展了企業(yè)在產(chǎn)品關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用能力，降低了企業(yè)成本，以信息化帶動工業(yè)化，真正增強(qiáng)了企業(yè)的核心競爭能力，增強(qiáng)了企業(yè)生存和發(fā)展的主要力量，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)增長，使企業(yè)走上一條持續(xù)、快速、健康的發(fā)展之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳伯雄.三維設(shè)計(jì)是CAD技術(shù)應(yīng)用的必然趨勢.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2000（08）：11.

[2]李健.實(shí)施制造業(yè)信息化工程提高中國制造業(yè)競爭力.中國信息導(dǎo)報，2003（10）：17.

作者簡介：欒沈軍（1970.09-），1990年畢業(yè)于黑龍江省電子工業(yè)學(xué)校，1997年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，計(jì)算機(jī)工程師，從事軟件開發(fā)、企業(yè)信息化建設(shè)工作。

作者單位：大慶油田力神泵業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，黑龍江大慶 163311