基于AutoCAD平臺(tái)的漲圈密封參數(shù)化軟件開發(fā)

莊宿國(guó)，趙偉剛，楊霞輝，王 良，黃 丹

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

基于AutoCAD平臺(tái)的漲圈密封參數(shù)化軟件開發(fā)

莊宿國(guó)，趙偉剛，楊霞輝，王 良，黃 丹

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

系統(tǒng)闡述了漲圈密封的基本理論和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，深入探討了漲圈密封參數(shù)化設(shè)計(jì)的意義和現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，在AutoCAD 2008平臺(tái)下，采用C++編程語(yǔ)言，在ObjectARX 2008環(huán)境下成功開發(fā)了用于漲圈密封設(shè)計(jì)的參數(shù)化CAD軟件，實(shí)現(xiàn)了漲圈密封的參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高了漲圈密封設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，設(shè)計(jì)實(shí)例表明，軟件界面友好，使用簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)結(jié)果可靠，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的漲圈密封各項(xiàng)指標(biāo)均滿足產(chǎn)品性能需求。

AutoCAD；漲圈密封；參數(shù)化設(shè)計(jì)；軟件開發(fā)

0 引言

漲圈密封廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，是傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，如果漲圈密封損壞，則液壓控制系統(tǒng)將發(fā)生故障，從而導(dǎo)致操縱失效[1]。20世紀(jì)30年代，德國(guó)Simme發(fā)明了世界上第一個(gè)變速箱旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封裝置，解決了高速旋轉(zhuǎn)條件下軸的潤(rùn)滑與密封問題。Smith在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上證實(shí)了密封接觸面間存在油膜，油膜的剛度關(guān)系到密封的泄漏和潤(rùn)滑[2]。劉哲文對(duì)不同材料的漲圈密封進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究，分析了不同材料在高PV值下的性能[3]。李濤設(shè)計(jì)開發(fā)了漲圈密封試驗(yàn)臺(tái)，并就相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了密封性能試驗(yàn)[4]。洪軍華、胡紀(jì)濱及魏超根據(jù)漲圈密封的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作形式建立了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制模型，導(dǎo)出了自由切口間隙的計(jì)算公式，并分析了相關(guān)因素對(duì)切口間隙取值范圍的影響[5]。上述研究主要針對(duì)于漲圈密封的參數(shù)設(shè)計(jì)、性能計(jì)算及泄漏機(jī)理等進(jìn)行了研究，但未涉及到漲圈密封的數(shù)字化設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

目前，隨著我國(guó)航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)大推力、高轉(zhuǎn)速、重復(fù)使用的動(dòng)力系統(tǒng)需求日益迫切，對(duì)漲圈的摩擦系數(shù)、泄漏量及壽命等要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段已無(wú)法滿足傳動(dòng)系統(tǒng)漲圈密封的高性能要求，也無(wú)法適應(yīng)目前新型號(hào)傳動(dòng)系統(tǒng)高效、高可靠性的研發(fā)要求[6]。因此，需要開發(fā)高效精確的漲圈密封數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展高轉(zhuǎn)速、低摩擦系數(shù)、微泄漏、長(zhǎng)壽命漲圈的研制。

本研究采用C++為編程語(yǔ)言、ObjectARX 2008為二次開發(fā)工具，對(duì)AutoCAD 2008進(jìn)行二次開發(fā)。依據(jù)漲圈的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，開發(fā)了漲圈的專用參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了漲圈的參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高了漲圈設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1 數(shù)學(xué)模型

漲圈密封工作原理見圖1。

在工作過(guò)程中，殼體襯套靜止，軸相對(duì)殼體襯套轉(zhuǎn)動(dòng)，漲圈密封安裝于軸的密封槽內(nèi)，漲圈C面受油壓Δp的作用，使其A面與密封槽右側(cè)貼緊，形成主密封面；通過(guò)自身的彈力以及油壓Δp的作用，使?jié)q圈向著徑向外側(cè)漲開，B面壓緊在殼體襯套上，形成輔助密封面，上述兩個(gè)密封面保證漲圈密封的密封性能。

1.1 切口間隙尺寸

漲圈密封依靠切口間隙來(lái)保證具有良好的彈力，但彈力太小漲圈密封將隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)且密不易安裝，彈力過(guò)大漲圈密封容易失效且搭扣處容易發(fā)生斷裂，并且切口間隙還直接影響到漲圈密封的摩擦力和功耗等。因此，為確保漲圈密封穩(wěn)定、可靠工作，必須合理設(shè)計(jì)漲圈密封自由間隙。

漲圈密封自由狀態(tài)下切口的最小間隙計(jì)算公式為：

漲圈密封自由狀態(tài)下切口的最大間隙計(jì)算公式為：

式中：E為彈性模量；σs為屈服強(qiáng)度；nb為安全系數(shù)。

1.2 彈力及摩擦功率計(jì)算

在工作過(guò)程中，漲圈密封應(yīng)依靠自身的彈力卡緊在殼體襯套上，保證其不隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，即M2≥M1，為此，漲圈密封平均彈力為（假設(shè)f2=f1）[7]：

漲圈密封A面與軸配合，B面與殼體襯套配合，其摩擦力矩分為以下兩種：1）A端面的摩擦力矩

2）B端面的摩擦力矩

式中：f1為A面的摩擦系數(shù)；f2為B面的摩擦系數(shù)；P2為漲圈的彈力。

3）摩擦功率

漲圈密封的摩擦功率計(jì)算公式為：

式中n為軸的轉(zhuǎn)速。

2 軟件開發(fā)

2.1 開發(fā)工具

ObjectARX是AutoCAD提供的一個(gè)面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境。它以C/C++為開發(fā)語(yǔ)言，ARX庫(kù)為開發(fā)工具，具有面向?qū)ο缶幊谭绞降臄?shù)據(jù)可封裝性、可繼承性及多態(tài)性等特點(diǎn)，且支持MFC編程[8]。

ObjectARX應(yīng)用程序經(jīng)過(guò)在Visual C++環(huán)境下編譯鏈接后，生成“.ARX”為擴(kuò)展名的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件（DLL），一個(gè)ARX應(yīng)用程序是一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，與AutoCAD共享地址空間，直接調(diào)用AutoCAD內(nèi)核函數(shù)，程序運(yùn)行快。漲圈參數(shù)化設(shè)計(jì) CAD軟件采用 C++為編程語(yǔ)言、ObjectARX 2008為二次開發(fā)工具，對(duì)AutoCAD 2008進(jìn)行二次開發(fā)[9-10]。

2.2 軟件開發(fā)流程

圖2為漲圈密封參數(shù)化CAD軟件開發(fā)流程，按照設(shè)計(jì)流程執(zhí)行，首先輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，然后依次確定主要尺寸、搭扣切口尺寸、端面流槽，最終校核彈力和摩擦力矩。圖樣設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行圖框及標(biāo)題欄簽署。

2.3 軟件開發(fā)

1）建立ARX應(yīng)用程序的工程文件，工程名稱為ring，用Visual C++環(huán)境的AppWizard向?qū)?chuàng)建ObjectARX應(yīng)用程序框架，自動(dòng)生成所創(chuàng)建工程的文件，如 ring.def，ring.h，ring.cpp，StdAfx.h，StdAfx.cpp，Resourch.h等。

2） 設(shè)置ARX應(yīng)用程序的初始化部分。在ring.cpp文件中添加需要包含的頭文件、函數(shù)聲明、接口函數(shù)說(shuō)明及用戶程序主體函數(shù)等部分。

如在接口函數(shù)部分中，使用了3個(gè)關(guān)鍵的函數(shù)，即加載函數(shù) initApp（）、卸載函數(shù)unloadApp（） 和調(diào)用函數(shù)acrxEntryPoint。部分函數(shù)代碼如下：

void ring()//主函數(shù)

{

AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState ());//創(chuàng)建DLL模塊狀態(tài)

CRINGDLG dlg;//創(chuàng)建主對(duì)話框界面對(duì)象

Dlg.DoModal();//顯示對(duì)話框……}

void initApp()//加載函數(shù)

{

acedRegCmds ->addCommand( _T( " ring_COMMANDS"),

_T("r"),

_T("r"),

ACRX_CMD_TRANSPARENT, ring);……

}

void unloadApp()//卸載函數(shù)

{

acedRegCmds ->removeGroup( _T( " ring_COMMANDS"));……

}

3） 依據(jù)漲圈密封參數(shù)化設(shè)計(jì)開發(fā)流程，依次創(chuàng)建設(shè)計(jì)參數(shù)輸入、主要尺寸確定、搭扣切口尺寸設(shè)計(jì)、性能校核及圖紙?jiān)O(shè)置等界面，分別添加各界面相應(yīng)的控件，關(guān)鍵是定義相應(yīng)的消息處理函數(shù)及各界面的初始化函數(shù)。設(shè)計(jì)參數(shù)輸入界面初始化程序代碼如下：

BOOLCRINGDLG::OnInitDialog()

{

CDialog::OnInitDialog();

static BOOL d=false;

if(d==false)

{

YT=1;

((CButton*)GetDlgItem(IDC_HKHT)) ->SetCheck(TRUE);//選上

m_P1=2.5;

m_n1=5000;

m_W 1=2.8;

m_R11=104;

m_R51=120;

m_R31=118;

d=true;

}

else

{

if(YT==1)

{

( ( CButton *) GetDlgItem (IDC_HKHT))->SetCheck(TRUE);//選上

}

else if(YT==2)

{

( ( CButton *) GetDlgItem (IDC_TKZJ))->SetCheck(TRUE);//選上

}

else if(YT==3)

{

( ( CButton *) GetDlgItem

(IDC_GCJX))->SetCheck(TRUE);//選上

}

else if(YT==4)

{

((CButton*)GetDlgItem(IDC_QT)) ->SetCheck(TRUE);//選上

}

}

P.Format(_T("%.2f"),m_P1);

n.Format(_T("%.2f"),m_n1);

W.Format(_T("%.2f"),m_W1);

R1.Format(_T("%.2f"),m_R11);

R5.Format(_T("%.2f"),m_R51);

R3.Format(_T("%.2f"),m_R31);

m_P.SetWindowText(P);

m_n.SetWindowText(n);

m_W.SetWindowText(W);

m_R1.SetWindowText(R1);

m_R5.SetWindowText(R5);

m_R3.SetWindowText(R3);

erase();

this ->SetWindowPos( NULL,0,120,0,0, SWP_NOZORDER|SWP_NOSIZE);//移動(dòng)對(duì)話框位置

return TRUE;//return TRUE unless you set the focus to a control

}

定義主要典型圖樣繪制程序如下[11]：

直線：

acedCommand(RTSTR,_T(" LINE") , RT3DPOINT,pt1,RT3DPOINT,pt2,RTSTR,_T(""), 0);

圓：acedCommand(RTSTR,_T("CIRCLE"), RT3DPOINT,pt_c,RTREAL,r,0);

圓?。?/p>

acedCommand(RTSTR,_T(" ARC") , RT3DPOINT,pt1,RTSTR,_T("E"),RT3DPOINT,pt2,RTSTR,_T("R"),RTREAL,r,0);

樣條曲線：

acedCommand(RTSTR,_T(" SPLINE"), RT3DPOINT,pt1,RT3DPOINT,pt2,RTSTR,_T(""), RTSTR,_T(""),RTSTR,_T(""),0);

4）編譯、鏈接應(yīng)用程序（ring.arx）。

2.4 軟件的主要功能

1）設(shè)計(jì)參數(shù)輸入模塊

用戶可以根據(jù)用途選擇漲圈設(shè)計(jì)模式，然后輸入傳動(dòng)裝置的相關(guān)性能參數(shù)及尺寸空間，如圖3所示。

2）尺寸設(shè)計(jì)模塊

如圖4所示，首先主要尺寸界面中給出了漲圈密封與傳動(dòng)裝置空間配合幾何參數(shù)的優(yōu)化值，然后進(jìn)入搭扣切口尺寸界面，設(shè)計(jì)搭扣總長(zhǎng)度、切口寬度及切口間隙長(zhǎng)度等參數(shù)，最后進(jìn)入端面刻槽界面，確定流槽種類、流槽尺寸及流槽數(shù)量等參數(shù)，用戶均可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)上述設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改。

3）性能校核模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算漲圈的性能參數(shù)，如果對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果不滿意，可以返回上一步，進(jìn)行參數(shù)的修改，如圖5（a）所示。

4）圖框簽署模塊

設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入如圖5（b）所示的圖幅和標(biāo)題欄設(shè)置對(duì)話框，初始圖幅和布置方式為A3、橫置。繪圖比例是根據(jù)繪制的圖形和A3圖框之間比值進(jìn)行自動(dòng)換算的一個(gè)比例。輸入標(biāo)題欄中的“單位名稱”、“圖紙名稱”、“材料名稱”以及“重量”等。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

采用本設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)一種某傳動(dòng)系統(tǒng)用漲圈，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

Δp=2.5 MPa；n=5 000 r/min；R=113 mm；R2=119.7mm；R3=120.05mm；L=2.8mm。

設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示，其中搭扣切口尺寸根據(jù)基體材料聚四氟乙烯彈性模量核算，槽型結(jié)構(gòu)及數(shù)量根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化確定。

設(shè)計(jì)結(jié)果在專用傳動(dòng)系統(tǒng)密封試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了密封性能和密封可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中主要采集了轉(zhuǎn)速、油壓、泄漏量、扭矩和油溫等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，摩擦系數(shù)、線速度、工作壓力及泄漏量等均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 漲圈密封試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Performance indicators obtained in experiment of seal ring

4 結(jié)論

闡述了漲圈的基本理論和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，采用C++編程語(yǔ)言，以O(shè)bjectARX 2008為二次開發(fā)工具，在AutoCAD 2008開發(fā)平臺(tái)上開發(fā)了用于漲圈設(shè)計(jì)的參數(shù)化CAD軟件，提高了漲圈密封設(shè)計(jì)的工作效率。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的漲圈密封各項(xiàng)指標(biāo)均滿足產(chǎn)品性能需求，為后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升提供了依據(jù)。

[1]彭拾義.旋轉(zhuǎn)密封裝置[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1976.

[2]宮燃.傳動(dòng)裝置動(dòng)密封環(huán)失效分析及試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2008.

[3]劉哲文.漲圈密封在高速高壓條件下的摩擦與磨損機(jī)理研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2009.

[4]李濤.漲圈型旋轉(zhuǎn)密封裝置及其性能研究[D].杭州：浙江大學(xué),2007.

[5]洪軍華,胡紀(jì)濱,魏超.漲圈旋轉(zhuǎn)密封環(huán)自由切口間隙的理論計(jì)算[J].機(jī)床與液壓,2012,40(7)：14-19.

[6]莊宿國(guó).誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)方法及其在船用泵的應(yīng)用[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2012.

[7]莊宿國(guó),王良,常濤,等.高性能旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封環(huán)設(shè)計(jì)研究[J].火箭推進(jìn),2016,42(1)：44-49,57. ZHUANG Suguo,WANG Liang,CHANG Tao,et al. Design research of high-performance rotary dynam ic seal ring[J].Journal of rocket propulsion,2016,42(1)：44-49, 57.

[8]劉厚林,莊宿國(guó),俞志君,等.JW 200-1000-315型離心泵誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2011, 39(12)：14-17.

[9]張濤.誘導(dǎo)輪CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)及內(nèi)部三維流場(chǎng)分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2003.

[10]莊宿國(guó),劉厚林,俞志君,等.誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)及其CAD軟件開發(fā)[J].流體機(jī)械,2011,39(7)：50-54.

[11]劉厚林,談明高.雙流道泵[M].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)出版社, 2012.

CAD software development for sealing ring on AutoCAD platform

ZHUANG Suguo,ZHAOWeigang,YANG Xiahui,WANG Liang,HUANGDan
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

The basic theory and structure characteristicsof ring sealare illustrated systematically. Thesignificanceand currentsituation of theparametric design of ring sealaredeeply discussed.On this basis,the CAD software for ring seal was developed by using C++programm ing language and ObjectARX 2008 based on AutoCAD 2008.The parametric design of ring seal was realized.The design efficiency and quality of ring seal were improved.The design example indicates that the software is reliable and easy to use,and its interface is friendly.It was verified by the test.The verification result shows that all the indexes of the ring sealmade w ith the software can meet the performance requirementsof theproduct.

AutoCAD;ring seal;parametric design;software development

V432-34

A

1672-9374(2017)03-0047-06

2016-07-13；

2016-12-25

十一五民口配套項(xiàng)目（JPPT-115-1366）

莊宿國(guó)（1986—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械密封設(shè)計(jì)