基于SolidWorks的壓縮機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)及動平衡分析

柏子剛

（桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院， 廣西　桂林　541004）

引言

隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展，SolidWorks軟件憑借強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢，在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。為減少壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)勞動，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，對活塞壓縮機(jī)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，具有非常重要的工程意義和實(shí)用價值。本文在SolidWords環(huán)境下，利用二次開發(fā)技術(shù)對壓縮機(jī)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并對曲軸進(jìn)行相應(yīng)的動平衡計(jì)算分析，使曲軸零件達(dá)到動平衡的要求，從而達(dá)到減震和提高壓縮機(jī)壽命的目的。

1　基于SolidWorks壓縮機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)

SolidWorks作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì)軟件，提供了很多 API（Application Program Interface）函數(shù)，開發(fā)者可以利用這些API函數(shù)，直接訪問SolidWorks，利用支持 OLE 和 COM 的 Visual Basic、VBA、Visual C++和Delphi等編程語言作為開發(fā)工具，對這些API函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)零件參數(shù)化設(shè)計(jì)[1]。在這些編程語言中，Visual Basic由于自身可視化和簡單易學(xué)的特點(diǎn)[2]，在利用SolidWorks進(jìn)行產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)中得到較多的應(yīng)用。在VB環(huán)境下，基于SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是設(shè)計(jì)變量和編程語言相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，一種是完全編程設(shè)計(jì)[3]。其中第一種是利用SolidWorks提供的宏錄制功能，得到零件三維建模的宏代碼，將這些宏代碼在VB環(huán)境中進(jìn)行編輯修改和優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。本文在VB 6.0環(huán)境中，采用編輯宏代碼的方式對壓縮機(jī)各個組件（活塞、連桿、氣缸和曲軸四個組件）分別進(jìn)行了相應(yīng)參數(shù)化設(shè)計(jì)。并將壓縮機(jī)設(shè)計(jì)程序作為一個獨(dú)立的應(yīng)用程序（格式為“壓縮機(jī).exe”），利用新建宏方式將壓縮機(jī)設(shè)計(jì)程序添加到SolidWorks中，完成SolidWorks的控制和操作。壓縮機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)主界面如圖1所示，分為四個菜單，每個菜單都有相應(yīng)的下拉菜單，例如點(diǎn)擊“曲軸”菜單中的“曲拐軸”，就會進(jìn)入圖2所示的曲軸設(shè)計(jì)界面。

圖1　壓縮機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)主界面

2　壓縮機(jī)曲軸參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

活塞壓縮機(jī)有活塞、連桿、氣缸和曲軸四個組件，每個組件又有若干零件，其參數(shù)化設(shè)計(jì)具有一定共性，因此以典型零件曲軸為例說明壓縮機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程，曲軸參數(shù)化設(shè)計(jì)過程如下。

1）以反映曲軸特征的尺寸參數(shù)作為主要參數(shù)（圖2界面中的輸入?yún)?shù)即為主要參數(shù)），并以此作為設(shè)計(jì)變量。

2）分析要建立的曲軸模型，在VB環(huán)境下，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖創(chuàng)建窗體界面，創(chuàng)建的曲軸設(shè)計(jì)界面如圖2所示。

3）編寫曲軸參數(shù)化設(shè)計(jì)程序代碼。在SolidWorks 2012環(huán)境下，利用宏錄制功能把曲軸三維建模的過程錄制成宏文件。然后在VB6.0環(huán)境中對宏代碼進(jìn)行編輯修改，找出關(guān)鍵函數(shù)和關(guān)鍵常數(shù)，并對程序進(jìn)行優(yōu)化。編寫曲軸參數(shù)化設(shè)計(jì)程序代碼關(guān)鍵環(huán)節(jié)有以下四點(diǎn)：首先，定義變量；其次，建立VB與Solid-Works的互聯(lián)；再者，將變量參數(shù)值賦予曲軸建模；最后，將程序添加到SolidWorks。其中建立VB與SolidWorks的互聯(lián)的關(guān)鍵代碼如下[4]：

4)通過在圖2設(shè)計(jì)界面中輸入?yún)?shù)自動生成曲軸的三維模型。點(diǎn)擊“模型創(chuàng)建”后，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖2　曲軸設(shè)計(jì)界面

圖3　曲軸三維模型

4　曲軸動平衡分析

平衡計(jì)算可以分為靜平衡計(jì)算和動平衡計(jì)算兩種形式。對于曲軸這種軸向尺寸較大的零件，偏心質(zhì)量分布于若干個不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，會產(chǎn)生慣性力偶，進(jìn)而引起噪音和振動，降低壓縮機(jī)壽命，所以曲軸的動平衡計(jì)算變得尤為重要。

本文利用SolidWorks的SolidWorks Simulation插件對曲軸進(jìn)行動平衡計(jì)算。具體操作步驟如下[5]：

1）打開SolidWorks Simulation插件；

2）新建一個靜態(tài)算例；

3）添加夾具：選擇圖3中兩個軸頸（安裝軸承的軸段）面為“固定鉸鏈”夾具；

4）添加外部載荷為“離心力”，選擇“曲軸的回轉(zhuǎn)中心線”為參考，給定1500r／min的轉(zhuǎn)速（以原動機(jī)的轉(zhuǎn)速而定）。

5）右鍵點(diǎn)擊“網(wǎng)格”，然后點(diǎn)擊“生成網(wǎng)格”，生成的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4　生成網(wǎng)格

6）點(diǎn)擊Simulation菜單中的“運(yùn)行”，計(jì)算完成后右鍵點(diǎn)擊“結(jié)果”，選擇“列舉合力”。在合力對話框中選擇“反作用力”，在要列舉的“面、邊線或頂點(diǎn)”選擇框中，選擇圖4添加固定鉸鏈的兩個面，點(diǎn)擊按鈕“更新”，這時在“反作用力（N）”處能得到一個表格，里面列舉了反作用力的具體數(shù)據(jù)。如圖5所示。

圖5　列舉合力結(jié)果

整個模型的合力為419.06N，說明整個曲軸模型有較大的反作用力，動不平衡現(xiàn)象明顯，需要對曲軸在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修改調(diào)整，然后再運(yùn)用如上步驟進(jìn)行運(yùn)算，用此法逐漸“修改—計(jì)算—再修改-再計(jì)算” 的方式，得到滿足設(shè)計(jì)精度的曲軸。滿足設(shè)計(jì)精度的曲軸運(yùn)行結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6和圖3對比在結(jié)構(gòu)上做了修正。

圖6　兩個支撐位置反作用力具體數(shù)值

圖7　修正后的列舉合力結(jié)果

5　結(jié)論

由于CAD技術(shù)的不斷發(fā)展，加之SolidWorks在功能設(shè)計(jì)及二次開發(fā)方面所展現(xiàn)出的優(yōu)越性，得到越來越多設(shè)計(jì)人員的青睞。本文利用SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并利用SolidWorks的自帶插件SolidWorks Simulation完成了曲軸的動平衡分析，從而減少壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)勞動，縮短了開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，同時達(dá)到減震和提高壓縮機(jī)壽命的目的。

[1]陳毅.基于SolidWorks二次開發(fā)的齒輪參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與研究，2009（2）：26-28.

[2]明日科技.Visual Basic從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]邰金華，上官同英，孔垂雨.基于SolidWorks的帶式輸送機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件庫二次開發(fā)[J].煤礦機(jī)械，2012（2）：211-213.

[4]索超，李玉翔，林樹忠.基于VB語言對SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)的二次開發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2013（8）：137-139.

[5]程娟，席久恒，蘭翼，等.SolidWorks在機(jī)械平衡計(jì)算上的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011（8）：42-46