基于Pro/E的4M12-78/34型氧氣壓縮機缸體參數化設計

焦圳，巴鵬，張海峰，崔淮

(1.沈陽理工大學機械工程學院，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科，遼寧沈陽110300)

缸體是往復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。基于Pro/E對缸體進行參數化建模及分析，大大提高產品的設計速度，快速開發出新產品并縮短產品的上市周期。

參數化設計是采用尺寸驅動的方式改變幾何約束構成的幾何模型，是設計系列化產品的一種準確、簡單、高效的設計方法。隨著CAD/CAM技術的快速發展，目前常用的參數化設計軟件中，主流的應用軟件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和SolidWorks，文中用Pro/E對4M12型往復式壓縮機缸體進行參數化建模，并對設計結果進行優化。

每個企業的產品設計重點、規范和標注都不一樣，CAD三維設計軟件的系統計算能力差，設計人員很難通過CAD三維設計軟件完整地表達出設計思路。為了解決企業對CAD三維設計軟件的需求和克服其不足，利用VC++6.0編程工具中的MFC資源開發需要的DLL應用程序，實現應用程序模塊與Pro/E軟件的無縫集成，即Pro/E的二次開發，是解決這一問題的主要技術。

1 缸體參數化設計原理與步驟

缸體的形狀比較固定，用一組參數約束缸體的結構尺寸與拓撲關系，參數和缸體的控制尺寸有一定對應關系，當給定不同參數時，驅動基本零件模型，就能達到缸體的系列化。

1.1 壓縮機的理論循環

假設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閉，沒有吸、排氣阻力，壓縮機在工作過程中氣體狀態不變，同時氣體被壓縮時按不變的指數值進行，滿足以上條件的循環稱為理論循環，如圖1所示，其中容積V為橫坐標，壓力p為縱坐標。

圖1 壓縮機的理論循環

當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。

根據壓縮過程中氣體與氣缸壁換熱情況的不同，理論循環分為等溫循環、絕熱循環和多方循環。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，絕熱循環耗功最多，文中按多方循環計算，與實際情況最接近。多方壓縮曲線AB'的方程為:pVn=常數，多方壓縮過程的終點溫度多方壓縮1 kg理想氣體的循環功為:

1.2 缸體的參數計算

根據熱力計算可以得到最有利的熱力參數 (各級的吸排氣溫度、壓力等)和主要的結構尺寸 (氣缸直徑、內壁厚度、活塞行程等)，各熱力參數和結構尺寸在文獻 ［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;λp為壓力系數;λT為溫度系數;λg為氣密系數。其中λV對排氣量的影響最大。

根據氣缸工作指示圖 (圖2)，可以得知容積系數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。

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;μoi表示抽氣系數;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。

(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表示壓縮機的轉數，i表示同級氣缸數，d表示活塞桿直徑。

圖3 級差活塞

(3)氣路管徑與閥口

管道內徑Di按氣體在管道內的平均流速確定，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;μ1、μ2分別表示氣缸套和氣缸材料的泊松系數。

切向應力σtc:

徑向應力σrc:

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

缸體的強度按當量應力值來確定:

脆性材料的當量應力:

式中:υ表示材料拉伸強度與壓縮強度的比值。

塑性材料的當量應力:

當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，參數化設計的流程如下:

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

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

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

參數化設計流程圖如圖6所示。

圖6 壓縮機缸體參數化設計流程圖

2 編輯缸體參數化設計程序

根據上面的壓縮機缸體參數化設計流程，用市面上比較流行的、功能強大的可視化軟件開發工具VC++6.0，設計出壓縮機缸體參數化設計界面。

利用VC++6.0編程工具MFC資源模塊，采用動態鏈接庫DLL的方式，設計出功能完全、界面友好的缸體參數化設計系統，并且通過二次開發，可以設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，在實際設計壓縮機缸體產品時，考慮到設計周期和加工費用等因素，為了達到壓縮機系列化，一般根據活塞推力計算得到其他壓縮機主要結構參數 (圖7)，所以文中采用建立活塞式壓縮機主要結構參數的數據庫形式，根據第一步輸入的活塞推力p，直接在主要結構參數的數據庫中匹配出相應的其他主要結構參數，如行程s1、轉速n等。

輸入參數:壓縮機的總級數，缸體總級數，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。

輸入參數之后，點擊導入參數，系統自動從壓縮機主要結構參數的數據庫中調用出相應的其他主要結構參數，并將主要結構參數傳遞給第2步，即確定參數界面如圖7所示，這樣就可以確定壓縮機所有主要結構尺寸參數。

經過計算之后，所有主要結構尺寸參數傳遞給下一步，即壓縮機缸體參數化設計界面1如圖7所示。

圖7 壓縮機主要結構參數設計界面

最終，將之前輸入的變量參數所得到的主要結構尺寸參數定為輸入參數，根據壓縮機設計公式，經過軟件計算可以得出缸體主要幾何尺寸參數、當量應力等，并判斷當量應力是否小于材料的許用應力，如果設計結果不滿足校核條件，則需要重新輸入參數，以達到滿足校核條件為止。

經過兩步計算之后，最后得到滿足校核條件的變量參數，即為最終結果，可以將滿足校核條件的最終結果出圖，如圖8所示，作為設計人員的最終設計結果。

圖8 壓縮機缸體參數化設計輸出界面

另外，把最終設計結果的參數作為更進一步的輸入參數，通過與Pro/E軟件的無縫集成，進行二次開發，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 結論

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

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

(2)通對對Pro/E軟件進行二次開發，讓程序能更好地滿足設計人員要求，即繼承性;使程序是針對某些專門人員進行的設計，即專業性;使程序經過開發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)以實際應用的成熟產品4M12-78/34型往復式壓縮機一級缸體為模型機，對其他級缸體進行設計。計算結果表明:提出的設計方法是有效的，實現了壓縮機缸體的參數化系統設計，在實際應用中具有重大意義。

【1】《活塞式壓縮機設計》編寫組．活塞式壓縮機設計［M］．北京:機械工業出版社，1973．

【2】張長勝．采用Visual C++對參數化造型軟件SolidWorks進行二次開發的方法［J］．模具技術，2005(6):9－11．

【3】倪文龍，賁道春，曹衛，等．選粉機參數化設計［J］．中國礦業，2011，20(12):111 －114．

【4】李京奎，靖穎怡．基于SolidWorks的參數化設計［J］．天津理工大學學報，2009(8):26－28．

【5】張峰，李兆前，黃傳真．參數化設計的研究現狀與發展趨勢［J］．機械工程師，2002(1):13－15．

【6】張紅旗，曹文鋼，姜康，等．基于PRO/TOOLKIT的PRO/E二次開發技術的應用［J］．機床與液壓，2002(5):129－131．

【7】孫麗．基于Pro/E二次開發的曲軸設計系統［D］．哈爾濱:東北林業大學，2005．

【8】陳鵬霏．往復式壓縮機的可靠性分析與數字化研究方法［D］．沈陽:東北大學，2009．

【9】吳杰，劉斌，張宏文，等．基于Pro/Toolkit棘輪參數化建模的實現［J］．機械設計與制造，2007(6):162－164．