天然氣壓縮機(jī)組緩沖罐組件參數(shù)化設(shè)計(jì)探討

高 軍

（北京杰利陽能源設(shè)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(jī)組中必不可少的零部件之一，該組件的三維模型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到與其相連通的管道的準(zhǔn)確性和合理性，以往該組件的三維建模設(shè)計(jì)比較簡單，會出現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)型式不完善，易出錯、修改繁瑣、效率低等諸多問題，現(xiàn)利用SolidWorks設(shè)計(jì)軟件，對緩沖罐組件參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探討。

2 SolidWorks設(shè)計(jì)軟件介紹

SolidWorks軟件是一個在Windows環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的軟件，具有人性化的操作界面，是基于特征的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。SolidWorks具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、維護(hù)方便、技術(shù)創(chuàng)新等特點(diǎn)。

3 緩沖罐組件傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法剖析

以往對零部件設(shè)計(jì)過程中，都是用固定的尺寸值來約束幾何模型，零件的結(jié)構(gòu)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(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以一個模型顯示多個不同配置的模型呢？現(xiàn)以哥倫比亞V站和M站天然氣壓縮機(jī)組項(xiàng)目的進(jìn)氣緩沖罐組件為例，進(jìn)行3D模型設(shè)計(jì)分析，V站天然氣壓縮機(jī)組為4列1級壓縮，M站天然氣壓縮機(jī)組為6列1級壓縮。V站兩個進(jìn)氣緩沖罐組件，規(guī)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(jìn)氣緩沖罐組件，規(guī)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(shí)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(jù)所給的必要參數(shù)值，繪制一個外形相似的實(shí)心零件，兩端封頭也不是按照標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)出工程詳圖，會造成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，若要進(jìn)行二次修改，會影響與之相連接的所有管線，修改起來相當(dāng)繁瑣。若是按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)該緩沖罐組件，將會浪費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時間，造成總布置圖設(shè)計(jì)延期，影響整個工程設(shè)計(jì)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)法蘭來實(shí)現(xiàn)

緩沖罐組件一分為二，根據(jù)所給參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)庫中的法蘭，該設(shè)計(jì)方法由兩部分零件組合成一個裝配體。這種實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)和模型結(jié)構(gòu)也不是很準(zhǔn)確。繪制模型也很繁瑣。如圖5、6所示。

圖1 哥倫比亞項(xiàng)目V站進(jìn)氣緩沖罐組件幾何模型

圖2 哥倫比亞項(xiàng)目M站進(jìn)氣緩沖罐組件幾何模型

圖3

圖4

圖5

3.3 分析結(jié)論

根據(jù)以上圖例分析，緩沖罐組件的模型設(shè)計(jì)，兩種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(yīng)的幾何模型。例如有的天然氣壓縮機(jī)組多級壓縮，有多個不同規(guī)格的進(jìn)排氣緩沖罐組件，每個緩沖罐組件都要重新設(shè)計(jì)，太浪費(fèi)時間，效率極低。

圖6

4 參數(shù)化模型設(shè)計(jì)在緩沖罐組件中的應(yīng)用

所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)就是采用全參數(shù)建模技術(shù)，用參數(shù)去驅(qū)動和控制零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，通過修改參數(shù)值而改變幾何模型，從而改變零件的結(jié)構(gòu)尺寸。

利用參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)時，對模型的修改變的非常容易，設(shè)計(jì)人員只需對參數(shù)進(jìn)行修改，就會得到想要的幾何模型，大大提高設(shè)計(jì)效率。我們知道進(jìn)氣緩沖罐組件的結(jié)構(gòu)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(shù)表

4.1 3D模型建立

3D模型的最終建立是參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本任務(wù)。在系列零件設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)相同或相似的，需要進(jìn)行變尺寸設(shè)計(jì)的零部件。

現(xiàn)還以哥倫比亞項(xiàng)目V站和M站進(jìn)氣緩沖罐組件為例，分析并設(shè)計(jì)3D基礎(chǔ)模型：由圖1和圖2所知：兩個進(jìn)氣緩沖罐組件結(jié)構(gòu)形狀相似，規(guī)格、尺寸不同，具體參數(shù)如下：

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

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

根據(jù)已知參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)中有如表1、2所示。

根據(jù)以上參數(shù)表繪制筒體和封頭的組合體，封頭與筒體對接處已經(jīng)簡單繪制出焊縫間隙，這樣設(shè)計(jì)的模型不但外觀逼真，而且是按照標(biāo)準(zhǔn)要求的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)，尺寸精確。通過旋轉(zhuǎn)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(guī)格尺寸繪制。在所標(biāo)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(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)中要求繪制緩沖罐吊耳，按照GB 150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中對補(bǔ)強(qiáng)圈的要求繪制補(bǔ)強(qiáng)圈等特征，最終完成哥倫比亞項(xiàng)目V站進(jìn)氣緩沖罐組件3D模型建立，如圖1所示。

4.2 參數(shù)化模型設(shè)計(jì)

參數(shù)化模型設(shè)計(jì)與一般三維模型的建模方式相同，但需要注意以下幾點(diǎn)：

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

（2）對三維模型的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)參數(shù)可分為2種：獨(dú)立參數(shù)和非獨(dú)立參數(shù)。前者主要用來控制三維模型的幾何尺寸，后者可以用獨(dú)立參數(shù)為自變量的關(guān)系式表示。

（3） 設(shè)計(jì)參數(shù)與三維模型尺寸變量之間建立關(guān)聯(lián)。主要有2種方法：一是在創(chuàng)建模型需要輸入數(shù)值時，直接輸入?yún)?shù)名；二是利用SolidWorks的關(guān)系式創(chuàng)建新的關(guān)系式，使系統(tǒng)自動創(chuàng)建的約束參數(shù)名與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，按照SolidWorks軟件要求格式導(dǎo)入Excel設(shè)計(jì)表，參數(shù)設(shè)計(jì)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(guī)格尺寸，依次分別建立2個連接氣缸口法蘭規(guī)格設(shè)計(jì)參數(shù)表和封頭開口處法蘭規(guī)格設(shè)計(jì)參數(shù)表，然后把建立好的設(shè)計(jì)表插入到模型中，得到相應(yīng)的配置零件。如圖9、10所示。

表2 EHA橢圓形封頭總深度、內(nèi)表面積、容積等部分參數(shù)表

圖7 旋轉(zhuǎn)基體幾何模型圖

圖8 法蘭草圖尺寸顯示示意圖

表3 旋轉(zhuǎn)基體幾何模型設(shè)計(jì)參數(shù)表

表4 1個連接氣缸口處法蘭規(guī)格設(shè)計(jì)參數(shù)表

5 結(jié)語

通過以上圖例，緩沖罐組件的設(shè)計(jì)完全可以利用參數(shù)化模型設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。模型的改變只需要通過修改設(shè)計(jì)表參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，易于修改而且出錯率低；利用三維參數(shù)化模型設(shè)計(jì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的一致性，提高了設(shè)計(jì)效率。

圖9 進(jìn)氣緩沖罐組件（V站）幾何模型示意圖

圖10 進(jìn)氣緩沖罐組件（M站）幾何模型示意圖