天然氣壓縮機組緩沖罐組件參數化設計探討

高 軍

（北京杰利陽能源設備制造有限公司，北京101500）

1 引言

緩沖罐組件是天然氣壓縮機組中必不可少的零部件之一，該組件的三維模型設計的準確性直接關系到與其相連通的管道的準確性和合理性，以往該組件的三維建模設計比較簡單，會出現模型結構型式不完善，易出錯、修改繁瑣、效率低等諸多問題，現利用SolidWorks設計軟件，對緩沖罐組件參數化設計進行詳細探討。

2 SolidWorks設計軟件介紹

SolidWorks軟件是一個在Windows環境下進行機械設計的軟件，具有人性化的操作界面，是基于特征的三維參數化設計軟件。SolidWorks具有功能強大、易學易用、維護方便、技術創新等特點。

3 緩沖罐組件傳統的設計方法剖析

以往對零部件設計過程中，都是用固定的尺寸值來約束幾何模型，零件的結構形狀不能靈活地改變，想要新的幾何模型，必須重新繪制。

如何利用參數化設計，實現以一個模型顯示多個不同配置的模型呢？現以哥倫比亞V站和M站天然氣壓縮機組項目的進氣緩沖罐組件為例，進行3D模型設計分析，V站天然氣壓縮機組為4列1級壓縮，M站天然氣壓縮機組為6列1級壓縮。V站兩個進氣緩沖罐組件，規格、尺寸完全相同，管口方位不同，即緩沖罐銘牌位置不同；M站兩個進氣緩沖罐組件，規格、尺寸完全相同，管口方位不同，即緩沖罐銘牌位置不同，如圖1、2所示。

3.1 緩沖罐組件繪制成一個實心零件

為了快速完成整個總布置圖繪制，往往緩沖罐組件繪制的很簡單，只根據所給的必要參數值，繪制一個外形相似的實心零件，兩端封頭也不是按照標準中要求尺寸繪制，這樣的零件不僅外觀不逼真，而且后期若導出工程詳圖，會造成設計數據不準確，若要進行二次修改，會影響與之相連接的所有管線，修改起來相當繁瑣。若是按照標準要求設計該緩沖罐組件，將會浪費大量的設計時間，造成總布置圖設計延期，影響整個工程設計進度，如圖3、4所示。

3.2 緩沖罐組件繪制出主體部分，然后配合上標準法蘭來實現

緩沖罐組件一分為二，根據所給參數值，繪制出緩沖罐主體部分，然后在緩沖罐主體接管處配合上標準庫中的法蘭，該設計方法由兩部分零件組合成一個裝配體。這種實現方法雖然省去繪制法蘭，但增加了配合法蘭的時間，取得了收效甚微的效果，也不易于后期修改，得到的數據和模型結構也不是很準確。繪制模型也很繁瑣。如圖5、6所示。

圖1 哥倫比亞項目V站進氣緩沖罐組件幾何模型

圖2 哥倫比亞項目M站進氣緩沖罐組件幾何模型

圖3

圖4

圖5

3.3 分析結論

根據以上圖例分析，緩沖罐組件的模型設計，兩種傳統的設計方法都比較繁瑣，幾何模型都是固定不變的，是用固定的尺寸值來約束幾何模型，零件的結構形狀不能靈活地改變，想要新的幾何模型，必須重新繪制相應的幾何模型。例如有的天然氣壓縮機組多級壓縮，有多個不同規格的進排氣緩沖罐組件，每個緩沖罐組件都要重新設計，太浪費時間，效率極低。

圖6

4 參數化模型設計在緩沖罐組件中的應用

所謂參數化設計就是采用全參數建模技術，用參數去驅動和控制零件的結構和尺寸，通過修改參數值而改變幾何模型，從而改變零件的結構尺寸。

利用參數化技術進行模型設計時，對模型的修改變的非常容易，設計人員只需對參數進行修改，就會得到想要的幾何模型，大大提高設計效率。我們知道進氣緩沖罐組件的結構基本不變，通常都是個別的地方有所改動或改變管口方位等。

表1 橢圓形封頭的斷面形狀、類型及型式參數表

4.1 3D模型建立

3D模型的最終建立是參數化設計的基本任務。在系列零件設計中，結構相同或相似的，需要進行變尺寸設計的零部件。

現還以哥倫比亞項目V站和M站進氣緩沖罐組件為例，分析并設計3D基礎模型：由圖1和圖2所知：兩個進氣緩沖罐組件結構形狀相似，規格、尺寸不同，具體參數如下：

V站進氣緩沖罐組件參數為：橢圓形封頭類型均為EHA類型。筒體長2200mm；內徑為500mm；壁厚為30mm；進氣法蘭為10"-900BL；與氣缸連接的2個法蘭均為8"-900BL。

M站進氣緩沖罐組件參數為：橢圓形封頭類型均為EHA類型。筒體長3400 mm；內徑為550 mm；壁厚為30 mm；進氣法蘭為10"-900BL；與氣缸連接的3個法蘭均為8"-1500BL。

根據已知參數分析，該緩沖罐組件用EHA類型的橢圓形封頭，在GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》標準中有如表1、2所示。

根據以上參數表繪制筒體和封頭的組合體，封頭與筒體對接處已經簡單繪制出焊縫間隙，這樣設計的模型不但外觀逼真，而且是按照標準要求的結構型式設計，尺寸精確。通過旋轉基體得出幾何模型，如圖7所示。

繪制接管及接管法蘭，法蘭按照HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》中（Class系列）中所給法蘭規格尺寸繪制。在所標注尺寸前注明尺寸名稱，便于后期更改，如圖8所示。

然后按照HG/T 21574-2008《化工設備吊耳及工程技術要求》標準中要求繪制緩沖罐吊耳，按照GB 150-2011《壓力容器》標準中對補強圈的要求繪制補強圈等特征，最終完成哥倫比亞項目V站進氣緩沖罐組件3D模型建立，如圖1所示。

4.2 參數化模型設計

參數化模型設計與一般三維模型的建模方式相同，但需要注意以下幾點：

（1）在特征的草圖繪制時，要利用尺寸標注或者添加各種幾何關系來實現對幾何模型的全約束。

（2）對三維模型的設計參數進行控制，設計參數可分為2種：獨立參數和非獨立參數。前者主要用來控制三維模型的幾何尺寸，后者可以用獨立參數為自變量的關系式表示。

（3） 設計參數與三維模型尺寸變量之間建立關聯。主要有2種方法：一是在創建模型需要輸入數值時，直接輸入參數名；二是利用SolidWorks的關系式創建新的關系式，使系統自動創建的約束參數名與設計參數進行關聯。

根據以上數據，按照SolidWorks軟件要求格式導入Excel設計表，參數設計表如表3、4所示。

同樣的方法，按照HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》中（Class系列） 法蘭規格尺寸，依次分別建立2個連接氣缸口法蘭規格設計參數表和封頭開口處法蘭規格設計參數表，然后把建立好的設計表插入到模型中，得到相應的配置零件。如圖9、10所示。

表2 EHA橢圓形封頭總深度、內表面積、容積等部分參數表

圖7 旋轉基體幾何模型圖

圖8 法蘭草圖尺寸顯示示意圖

表3 旋轉基體幾何模型設計參數表

表4 1個連接氣缸口處法蘭規格設計參數表

5 結語

通過以上圖例，緩沖罐組件的設計完全可以利用參數化模型設計來實現。模型的改變只需要通過修改設計表參數即可實現，易于修改而且出錯率低；利用三維參數化模型設計，不僅可以實現了以一個模型顯示多個不同配置的模型，而且后期對模型的設計更改也有較大提高，工作量也會大大降低，同時還能保證各零部件設計的一致性，提高了設計效率。

圖9 進氣緩沖罐組件（V站）幾何模型示意圖

圖10 進氣緩沖罐組件（M站）幾何模型示意圖