渦旋壓縮機傳動機構動平衡集成優化設計

李菊華，王訓杰

（1.江西工業職業技術學院輕紡服裝學院，江西南昌 330029；2.江西科技學院機械工程學院，江西南昌 330029）

1 引言

渦旋壓縮機偏心主軸回轉過程中將產生離心力，并且離心力不是一個平面匯交力系，在設計中通常需要二次平衡[1]。解決渦旋壓縮機的動平衡問題一般采用選取二個校正面進行平衡設計，設計過程基于經驗類比，進行必要的分析與計算，獲得可行性的解決方案，但要獲得最優設計方案，需要花費大量時間。如何從動平衡較多的影響因素中尋求到一個最優方案，本文提出了一種在ISIGHT軟件集成環境下，運用simcode組件集成軟件Pro/E、Adams和計算器，進行渦旋壓縮機動平衡優化設計的方法。

以某型渦旋壓縮機為例，優化后傳動系統動平衡綜合性能有明顯提高，分析結果驗證了所提出方法的有效性及可行性，該方法實現了動平衡設計流程的全數字化和全自動化，大大縮短產品設計周期，同時提高產品設計水平。

2 動平衡仿真設計系統集成框架

ISIGHT軟件是一個開放的集成平臺，通過過程集成模塊可以方便地將相應的商業軟件或自編程序集成在一起[2]。首先，按經驗設計方法進行初步設計，確定大小平衡塊的基本參數和放置位置，建立渦旋壓縮機傳動機構Pro/E裝配體模型，并利用mechanism/Pro中定義剛體和約束，通過其數據交換接口輸出ADAMS軟件支持的aview.cmd命令文件；然后，在ADAMS中定義樣機模型的運動仿真，輸出分析數據；其次，在計算器中讀入ADAMS中輸出的數組，進行公式編輯，獲取目標函數值。最后，采用ISIGHT軟件多目標優化算法進行分析。渦旋壓縮機動動平衡設計系統集成框架如圖1。

3 基于ISIGHT軟件集成優化系統框架

3.1 參數化模型的建立

參數化模型的建立是構建渦旋壓縮機動平衡仿真設計的前提。利用Pro/E軟件參數化建模的特點，依據產品經驗設計建立三維模型，并定義每個零件密度。考慮到影響動平衡的參數較多，本文在保證平衡塊外形基本不變的情況下，選取影響平衡塊質量和質心位置較大的參數作為優化參數，設置的結構優化尺寸參數如圖2。

3.2 組件的集成

ISIGHT軟件系統集成主要用到Optimization組件和Simcode組件，其中Optimization組件需要定義優化變量、優化約束、優化目標及優化方法等；Simcode組件需要定義輸入文件、輸出文件及批處理文件。渦旋壓縮機動平衡ISIGHT軟件集成優化系統框架如圖3。

（1）利用Simcode組件集成Pro/E軟件

通過ISIGHT運行Pro/E批處理文件（Goproe.bat）并讀取Trail文件，實現ISIGHT與Pro/E之間的輸入參數傳遞、參數化模型驅動及更新。具體方法如下：

保存參數化模型進行再讀取，編輯修改圖2中10個尺寸，并進行模型及時更新，在mechanism/Pro中讀取動力學分析配置文件*.mpr，通過其數據交換接口輸出aview.cmd命令文件，該文件將作為Adams軟件集成的輸入文件，最后利用模型在操作過程中生成的*.trail文件作為Pro/E組件的輸入文件，圖2中修改尺寸作為Simcode 組件輸入參數，完成Pro/E輸入參數解析；添加批處理文件goproe.bat，如：“D：/Program Files（x86）/proeWildfire 3.0/bin/proe.exe”pro_wait-g：no_graphics，運 行Pro/E組件完成相關的解析，完成Pro/E軟件的集成。

（2）利用Simcode組件集成ADAMS軟件

通過ISIGHT運行ADAMS批處理文件（goadams.bat），ADAMS運行宏錄制產生的命令流文件，實現參數化模型的運動分析與測量，為優化目標生成作準備。具體方法如下：

圖1 傳動系統動平衡優化設計流程圖

圖2 結構優化尺寸參數

錄制宏，導入Pro/E組件輸出文件aview.cmd，按常規操作設置驅動參數、設定運動仿真、測量、后處理等一系列操作，生成的宏文件；編寫goadams.bat批處理文件并執行，如：“D：/MSC.Software/MD_Adams_x64/2010/common/mdi.bat”av rust b record_macro.cmd，測量輸出的數據文件作為ISIGHT輸出文件，將輸出以數組的方式進行讀取，完成ADAMS輸出參數解析；運行goadams組件完成相關的解析，完成ADAMS 軟件的集成。

（3）其他組件集成

通過計算器組件讀取ADAMS計算得到的數據文件，采用函數編輯得出目標函數；編寫直接命令del.cmd，使用OS組件清理運行過程中產生的文件，如：del***/aview.cmd；del***/*.slp。

4 應用實例

4.1 優化設計問題的描述

以蘭州理工大學渦旋壓縮機研究所開發的WKY1.5為例，設計參數初始設定值如下表1。

設計變量：x=[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10]

狀態變量：xmin≤x≤xmix（i=1，2，…，10），變量范圍如表1。

采用渦旋壓縮機主軸支撐的3個軸承的支撐力、箱體底板支撐力、輸入扭矩及其相關值的標準偏差組合函數為約束目標f1、f2，目標函數為minf1，minf2及模型質量m最小化[3]，其中

圖3 渦旋壓縮機動平衡集成優化系統框架

式中x——設計變量

w1、w2——加權因子

式中Sf（1）、Sf（2）、Sf（3）、Sf（4）——一個運行周期內機架及左、中、右3個軸承的支撐力的標準偏差

ST（5）——輸入轉矩的標準偏差

w3、w4、w5、w6、w7——加權因子[4]、[5]

4.2 優化流程調試與運行

基于ISIGHT環境優化流程集成過程，如圖4，是參數化建模、動力學分析和優化評估設計的全過程，涉及參數文件解析，各組件設置與輸出文件解析。調試完成后，保存為*.zmf文件。

4.3 優化結果分析

DOE分析采用最優拉丁超立方方法，計算點數（Number of Points）為20。通過Pareto圖分析10個參數對目標函數的貢獻度，如圖5，影響“f1”正效應依次為x2-x6、x10-x6、x3-x4…；如圖6，影響“f2”正效應依次為x8^2、x2^2、x7^2…。

選擇優化算法NSGA-Ⅱ對渦旋壓縮機動平衡進行多目標優化，設定種群數為36個，遺傳代數為10代，交叉變異率為0.8[6]，獲如圖7所示3個目標函數（f1、f2、m）之間存在相互制約關系。

表1 設計參數表

圖4 ISIGHT自動優化流程集成

圖5 10個參數對目標函數f1的貢獻度

圖6 10個參數對目標函數f2的貢獻度

圖7 9個目標函數的關系

經過多次迭代計算得出Optimization組件計算pareto結果，第345次為優化的最佳值，輸入各個參數的最終優化結果如表1。優化目標函數變化情況見表2。

由表2可知，優化結果中，優化目標f1降低了86.06%；優化目標f2降低了93.4%，裝配體的質量從29.236 kg減少到29.0033 kg，減重達到1%。

表2 動平衡優化目標前后結果對比

4 結語

（1）利用ISIGHT環境實現了Pro/E、ADAMS和計算器的集成，完成了渦旋壓縮機傳動系統動平衡優化設計框架；

（2）以主軸三軸承支撐合力、箱體底板的支撐力、主軸輸入扭矩及相應值的標準偏差為優化目標，對影響平衡塊的軸向布局、質量和質心位置的尺寸的10個參數提出優化設計，使用試驗設計和遺傳算法的優化策略，實現了優化動平衡研究；

（3）在模型質量約有下降的情況下，優化目標有了較大幅度的降低，達到了較好的綜合平衡效果。