浮選機(jī)關(guān)鍵零件的參數(shù)化設(shè)計

孟慶當(dāng),丁戰(zhàn)友,楊善來,談國榮,董玉德

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.銅冠礦冶設(shè)備公司,安徽 銅陵 244000)

0 引 言

隨著三維CAD軟件的快速發(fā)展,針對三維CAD軟件的二次開發(fā)越來越普及.對三維設(shè)計軟件進(jìn)行二次開發(fā)可以有效降低設(shè)計成本,避免重復(fù)性設(shè)計,提高設(shè)計效率.當(dāng)前主流的設(shè)計軟件,如SolidWorks、UG、Pro/E等都提供了二次開發(fā)接口(API),使用戶能在軟件本身功能的基礎(chǔ)上開發(fā)出專用的功能模塊,滿足特定的要求.而SolidWorks作為一套基于Windows的三維CAD桌面集成開發(fā)軟件,由于其操作簡單,功能強(qiáng)大,且具有很好的開放性和兼容性,近年來SolidWorks得到了越來越廣泛的運(yùn)用.以SolidWorks為平臺的針對不同機(jī)械產(chǎn)品的二次開發(fā)也越來越普遍.

浮選機(jī)是礦物加工過程的核心裝備之一,世界上90%的有色金屬和50%以上的黑色金屬礦物采用浮選法處理[1].國內(nèi)外對浮選機(jī)的研究、設(shè)計、制造和應(yīng)用一直非常重視.但由于在浮選機(jī)設(shè)計過程中,設(shè)計周期較長,重復(fù)性設(shè)計較多,浮選機(jī)設(shè)計效率很難滿足市場的需求,這就需要一種新的設(shè)計方法來盡量縮短設(shè)計周期,減少重復(fù)設(shè)計以提高設(shè)計效率,進(jìn)而滿足市場的需求.而對三維設(shè)計軟件SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā),開發(fā)出專用浮選機(jī)參數(shù)化設(shè)計模塊,結(jié)合浮選機(jī)大型化技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù),有助于提高浮選機(jī)的設(shè)計效率,減少重復(fù)性設(shè)計并且利于浮選機(jī)的系列化.

1 浮選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

SolidWorks API 也稱為SolidWorks應(yīng)用程序開發(fā)接口,是指SolidWorks程序暴露給開發(fā)人員使用的接口,接口為用戶提供了自由、開放、功能完整的開發(fā)工具,其中包含了大量的功能函數(shù).開發(fā)人員可以通過調(diào)用這些功能函數(shù)實現(xiàn)所需要的功能,如生成拉伸特征、生成草圖等[2].SolidWorks二次開發(fā)接口(SolidWorks API)有良好的開發(fā)性和兼容性.而任何支持OLE(Object Linking and Embedding,對象的鏈接與嵌入)和COM(Commponent Object Model,組件對象模型)的編程語言都可以作為SolidWorks的開發(fā)工具，如VBA、VB、VC++等開發(fā)工具.由于SolidWorks系統(tǒng)本身是由VC++開發(fā)的,使用VC++對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)可以提高軟件本身的兼容性,開發(fā)出的模塊可以很好地嵌入到SolidWorks中而不會出現(xiàn)排斥,實現(xiàn)SolidWorks與VC的無縫集成.因此本研究以VC++6.0作為開發(fā)工具.SolidWorks二次開發(fā)分為兩種:一種基于自動化技術(shù),可以開發(fā)EXE形式的程序;另一種開發(fā)方式基于COM技術(shù),可以生成動態(tài)鏈接庫(*.dll)程序,將功能嵌入到SolidWorks菜單欄中,作為SolidWorks的一個插件.本研究采用后一種開發(fā)方式,即生成動態(tài)鏈接庫.

1.2 浮選機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計

XCF型自吸漿充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由U形槽體、空心主軸、軸承體、對開式中心筒、對開式圓盤形蓋板以及葉輪定子系統(tǒng)等部分組成.軸承體安裝在兼做氣道的橫梁組件上.

圖1 XCF型浮選機(jī)結(jié)構(gòu)

浮選機(jī)的參數(shù)化設(shè)計分為3個步驟:

(1) 主軸部件的參數(shù)化設(shè)計 在主軸部件中,選定葉輪、軸承為關(guān)鍵零件,其尺寸為主動尺寸,其他零件尺寸與之關(guān)聯(lián),實現(xiàn)主軸部件的整體尺寸驅(qū)動及設(shè)計.其中軸承為標(biāo)準(zhǔn)件,將國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫即可實現(xiàn)軸承的快速生成.浮選機(jī)中使用的葉輪尺寸尚無國家標(biāo)準(zhǔn),可根據(jù)經(jīng)驗公式對其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計計算.

(2) 槽體部件的參數(shù)化設(shè)計 在槽體部件中,浮選機(jī)容積主要由U形槽控制,因此,選定U形槽為槽體部件的關(guān)鍵零件.以U形槽的尺寸變動驅(qū)動其他零件尺寸變動,U形槽尺寸以總結(jié)出的經(jīng)驗公式進(jìn)行設(shè)計,使浮選機(jī)容積變化進(jìn)而實現(xiàn)整個槽體的設(shè)計.

(3) 浮選機(jī)主機(jī)整體設(shè)計 當(dāng)主軸部件、槽體部件設(shè)計完成后,則將二者裝配,然后對其他輔助零部件進(jìn)行設(shè)計即完成浮選機(jī)主機(jī)的整體設(shè)計.

浮選機(jī)整機(jī)裝配采用自下而上的裝配體設(shè)計思路,即在自下而上的設(shè)計中,首先生成零件并將其插入裝配體,然后根據(jù)設(shè)計要求配合零件.因為配合的零部件是獨立設(shè)計的,它們的相互關(guān)系及重建操作比較簡單和快捷,也就是說,當(dāng)要修改配合零部件中的特征和尺寸時,可以直接打開相關(guān)聯(lián)的零部件文件,對零件實體進(jìn)行編輯.此時,系統(tǒng)會將零部件的編輯操作直接作用于裝配體中,這種操作方式可以很好地保持設(shè)計者的設(shè)計意圖與連貫性.

在裝配體中選出關(guān)鍵零件以及零件的關(guān)鍵尺寸.關(guān)鍵零件是整個零部件的核心零件,利用SolidWorks方程式功能,使其他零件尺寸與關(guān)鍵零件尺寸直接或者間接關(guān)聯(lián).以關(guān)鍵零件的關(guān)鍵尺寸為主動尺寸,其他與之關(guān)聯(lián)的零件尺寸為被動尺寸,在裝配體中,當(dāng)對關(guān)鍵零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計時,關(guān)鍵尺寸根據(jù)設(shè)計需要以一定的放大(縮小)規(guī)則變動,則與之相關(guān)的零件尺寸也隨配合關(guān)系作出相應(yīng)調(diào)整,使裝配關(guān)系依然成立.這樣,只需對關(guān)鍵零件進(jìn)行重點設(shè)計,其他非關(guān)鍵零件尺寸視情況修改即可,這樣就大大提高了浮選機(jī)整體的設(shè)計效率.

2 關(guān)鍵零件的設(shè)計及相似準(zhǔn)則

系列化產(chǎn)品設(shè)計實際上就是在原型產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)上,參照相似學(xué)的相關(guān)原理,根據(jù)相似規(guī)律,計算出系列中其他規(guī)格零件或產(chǎn)品的尺寸、性能等參數(shù),進(jìn)行序列拓展.而“系列化設(shè)計準(zhǔn)則”就是研究新型和原型兩個相似系統(tǒng)之間的關(guān)系,分析參數(shù)構(gòu)成,進(jìn)而推導(dǎo)出參數(shù)之間的相似準(zhǔn)則或者相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,并應(yīng)用該準(zhǔn)則或關(guān)系指導(dǎo)新的設(shè)計.將相似理論應(yīng)用于產(chǎn)品的系列化設(shè)計中,最便捷的方式就是將新型與原型之間的相似準(zhǔn)則直接或間接地應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計過程中,把系列化產(chǎn)品與已有的單一產(chǎn)品作為相似系統(tǒng),這樣,相似理論就為產(chǎn)品的系列化提供了重要的理論依據(jù)[3].

根據(jù)相似系列化設(shè)計理論,在主軸部件裝配體中選擇葉輪為關(guān)鍵零件,在槽體部件裝配體中選擇U形槽作為關(guān)鍵零件.對關(guān)鍵零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計時,根據(jù)一定的相似準(zhǔn)則對關(guān)鍵零件進(jìn)行放大,浮選機(jī)放大的關(guān)鍵在于依據(jù)相似學(xué)相關(guān)知識選擇放大因子以及放大準(zhǔn)則,不同的浮選機(jī)由于其工作原理、操作參數(shù)和適用范圍的不同,其采用的放大因子和放大規(guī)則也不相同.

機(jī)械結(jié)構(gòu)相似即保持浮選機(jī)的關(guān)鍵部件幾何形狀相似,包括槽體相似和葉輪攪拌機(jī)構(gòu)相似.槽體相似和葉輪相似是浮選槽中懸浮相似和流體動力學(xué)相似的前提.表1為XCF型自吸漿充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)主要結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù).

表1 XCF型浮選機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.1 葉輪的設(shè)計及相似準(zhǔn)則

葉輪是機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的關(guān)鍵部件,擔(dān)負(fù)著攪拌并循環(huán)礦漿及吸入并分散空氣的作用.其設(shè)計與制造質(zhì)量決定浮選機(jī)的機(jī)械性能與浮選工藝性能[4].

葉輪相似放大時,需要尋找葉輪的關(guān)鍵參數(shù)及其與浮選槽容積間的關(guān)系.最能體現(xiàn)葉輪性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)為葉輪直徑,圖2為根據(jù)表1擬合出的葉輪直徑與槽體容積間關(guān)系圖,從圖2可以看出,葉輪直徑與浮選機(jī)槽體容積呈冪函數(shù)關(guān)系,因此浮選機(jī)放大時可采用葉輪直徑為葉輪形狀放大的放大因子,其相似放大準(zhǔn)則為

D=a1Vb1.

(1)

式中D為葉輪直徑;V為槽體容積;a1，b1為槽體結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù).可通過同系列浮選機(jī)葉輪數(shù)據(jù)擬合確定.通過對同系列浮選機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),應(yīng)用MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,計算出a1=0.398 2,b1=0.279 1.因此,葉輪放大規(guī)則為

D=0.398 2V0.279 1.

(2)

2.2 槽體的設(shè)計及相似準(zhǔn)則

為避免礦砂堆積,有利于粗礦粒向槽中心移動以便返回葉輪區(qū)再循環(huán),減少礦漿短路,一般將浮選機(jī)槽體設(shè)計成“U”型.對于充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)槽體適當(dāng)加深,深槽可降低主軸攪拌功率,易實現(xiàn)大型化;浮選槽容積相同時,深槽占廠房面積小,可減少投資[5].因此,充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)一般采用深槽結(jié)構(gòu).

一般浮選機(jī)槽體放大方法,均以保持葉輪直徑與槽體橫截面特征尺寸的比值不變的方法進(jìn)行放大.圖3為槽體截面積與葉輪直徑比值和槽體容積間的關(guān)系,從圖3可以看出，槽體橫截面面積與葉輪直徑的比值和槽體容積間呈冪函數(shù)關(guān)系,因此浮選機(jī)槽體放大時采用截面積與葉輪直徑的比值為放大因子,其放大規(guī)則為

S/D=a2Vb2.

(3)

式中S為橫截面面積;D為葉輪直徑;V為槽體容積;a2,b2為與槽體結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù),可通過同系列浮選機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)擬合確定.

通過對同系列浮選機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),應(yīng)用MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,計算出a2=2.387,b2=0.382 3,因此,得出槽體放大規(guī)則為

S/D=2.387V0.382 3.

(4)

圖2 葉輪直徑與槽體容積間關(guān)系 圖3 槽體截面積與葉輪直徑比值和槽體容積間關(guān)系—+—原始數(shù)據(jù)；——擬合曲線

3 關(guān)鍵零件參數(shù)化設(shè)計

3.1 葉輪參數(shù)化設(shè)計

圖4所示為葉輪參數(shù)化設(shè)計界面,在葉輪的設(shè)計計算中,槽體有效容積是指槽體實際處理礦漿的能力,輸入槽體有效容積V后,則根據(jù)式(2)計算出葉輪直徑D,計算出葉輪直徑后,根據(jù)葉片高度與直徑之間一定的比例關(guān)系計算出上下葉片高度.葉輪外形尺寸計算出后,其他尺寸部分與其他零件尺寸關(guān)聯(lián),部分尺寸可根據(jù)需要適當(dāng)修改,則對葉輪的參數(shù)化設(shè)計放大過程完成,當(dāng)然,由于式(2)是擬合公式,因此,計算出的數(shù)據(jù)應(yīng)適當(dāng)修正并進(jìn)行優(yōu)化,對于成熟的可行的尺寸,可單擊【新建】按鈕存至數(shù)據(jù)庫列表中,這樣利于葉輪的系列化.

圖4 葉輪參數(shù)化設(shè)計界面

葉輪設(shè)計計算部分程序如下所示:

void thirtydlg::OnCalculator()

{ UpdateData(TRUE);

…

m-D=static-cast(0.3982*pow(m-V,0.2791)*1000);//計算葉輪直徑

m-b=0.4*m-D;//計算高度

double L1;

L1=m-D/2;

m-L1.Format("%.1f",L1);

double H5;

H5=0.22*m-b;

m-H5.Format("%.1f",H5);

double H6;

H6=0.3*m-b;

m-H6.Format("%.1f",H6);

double H7;

H7=0.34*m-b;

m-H7.Format("%.1f",H7);

double D1;

D1=0.552*m-D;

m-2R1.Format("%.1f",D1);

double D3;

D3=0.41*m-D;

m-2R3.Format("%.1f",D3);

int R2;

R2=static-cast(0.94*m-D/2*10+0.5f);

double r2;

r2=R2/10;

m-R2.Format("%.1f",r2);

UpdateData(FALSE);

}

3.2 U形槽參數(shù)化設(shè)計

圖5為槽體部件U形槽參數(shù)化界面.

圖5 U型板參數(shù)化界面

圖5中，n=V1/V.其中，n為槽體有效容積系數(shù);V1為槽體的有效容積;V為槽體的幾何容積.幾何容積包括有效容積以及葉輪、定子、槽底死角等所占用的體積.輸入槽體有效容積系數(shù)以及槽體有效容積后,則根據(jù)式(2),(4)可以計算出槽體橫截面積S.根據(jù)表1數(shù)據(jù),可知槽長L=2R,且槽體長寬尺寸相等，即S=L2,因此可以計算出槽長L以及U形板半徑R,在計算槽體深度H時應(yīng)使用槽體的幾何容積進(jìn)行計算.槽體設(shè)計計算程序如下:

void eighteendlg::OnCalculator()

{ UpdateData(TRUE);

if(m-n==0)

{AfxMessageBox("請輸入有效容積系數(shù)n");

return;}

if(m-V1==0)

{AfxMessageBox("請輸入有效體積V1");

return;

}

double V2;

V2=m-V1/m-n*pow(10,9);

double Dx;//葉輪直徑

Dx=0.3982*pow(m-V1,0.2791)*pow(10,3);

double Sx;//槽體截面積

Sx=2.7215*pow(m-V1,0.4326)*Dx*pow(10,3);

double Lx;//槽體長度

Lx=sqrt(Sx);

m-L.Format("%.1f",Lx);

double R;//U形槽半徑

R=Lx/2;

m-R.Format("%.1f",R);

double Sa;//槽體端面面積

Sa=V2/Lx;

double S1;

S1=3.14*pow(R,2)/2;

double S2;

S2=Sa-S1;

double H2;

H2=S2/Lx;

double H;

H=R+H2;//計算槽體高度

m-H.Format("%.1f",H);

UpdateData(FALSE);}

4 結(jié)束語

本文介紹了以SolidWorks為開發(fā)平臺,以其二次開發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合相似學(xué)有關(guān)知識提出關(guān)鍵零件相似準(zhǔn)則,對浮選機(jī)關(guān)鍵零件進(jìn)行相似放大,根據(jù)設(shè)計思路實現(xiàn)整個裝配體的放大.通過對關(guān)鍵零件進(jìn)行設(shè)計計算并參數(shù)化,進(jìn)而實現(xiàn)整個裝配體的快速建模,有助于浮選機(jī)的系列化.同時也對浮選機(jī)的設(shè)計方法進(jìn)行了一定的探索.在企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中,運(yùn)用參數(shù)化的方法與實際相結(jié)合,可以開發(fā)出符合自身需要的變量化模型,這將極大地提高設(shè)計效率,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義.

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈政昌.浮選機(jī)理論與技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012:5-35.

[2] 王文波,涂海星,熊君星.Solidworks2008二次開發(fā)基礎(chǔ)與實例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:59-90.

[3] 張偉.非標(biāo)機(jī)械產(chǎn)品系列化設(shè)計準(zhǔn)則及工程應(yīng)用研究[D].鄭州:鄭州機(jī)械研究所,2011:30-53.

[4] 沈政昌,盧世杰,楊麗君.KYF系列大型浮選機(jī)的研制開發(fā)與應(yīng)用[J].有色金屬,2008,60(4):116-117.

[5] 沈政昌,劉振春.XCF自吸漿充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)[J].礦冶,1996,5(4):42.