基于SolidWorks的頁(yè)巖氣吸附解吸設(shè)備研究與開(kāi)發(fā)

摘要：頁(yè)巖氣是吸附在有機(jī)頁(yè)巖中的一種非常規(guī)氣體，是重要的工業(yè)能源之一，為有效利用和開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源，需要對(duì)頁(yè)巖氣的吸附解吸特性進(jìn)行研究。目前，國(guó)內(nèi)使用的吸附解吸設(shè)備較為原始，設(shè)備簡(jiǎn)陋，設(shè)備精度和使用效率較低，隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)備改造，不同學(xué)科交融性越來(lái)越明顯，微電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)設(shè)備方向不斷滲透，工業(yè)產(chǎn)品越來(lái)越智能化?，F(xiàn)基于SolidWorks進(jìn)行設(shè)備的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，通過(guò)三維建模、虛擬裝配、仿真演示，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和共享，使設(shè)備更加智能化、信息化。

關(guān)鍵詞：SolidWorks;建模設(shè)計(jì);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

0 ? ?引言

頁(yè)巖氣的組成主要包括吸附氣、游離氣和溶解氣，在這些組成成分中，吸附氣占比較大，大部分頁(yè)巖氣體通過(guò)吸附的方式存在，有機(jī)頁(yè)巖對(duì)吸附氣的吸附量較高，通?？蛇_(dá)20%～80%。因此，研究頁(yè)巖氣的吸附解吸量對(duì)頁(yè)巖氣藏量資源的評(píng)價(jià)尤為重要，同時(shí)也是頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)利用必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1 ? ?設(shè)計(jì)技術(shù)路線

本文運(yùn)用現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頁(yè)巖氣吸附解吸特性進(jìn)行研究，結(jié)合有關(guān)企業(yè)關(guān)于頁(yè)巖氣吸附解吸實(shí)驗(yàn)的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)有機(jī)頁(yè)巖樣品進(jìn)行氣體吸附解吸實(shí)驗(yàn)，得出有機(jī)頁(yè)巖對(duì)氣體的吸附解吸特征，然后在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行吸附解吸實(shí)驗(yàn)裝置的三維建模，并通過(guò)機(jī)電仿真設(shè)計(jì)構(gòu)建機(jī)械三維設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行虛擬裝配及仿真演示，最后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行機(jī)電遠(yuǎn)程控制。具體設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖1所示。

2 ? ?方案設(shè)計(jì)

目前頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)解吸工作主要是通過(guò)排水集氣裝置進(jìn)行，人工在現(xiàn)場(chǎng)讀取并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后作出相應(yīng)的評(píng)價(jià)報(bào)告。而這樣的工作方式大大增加了人力成本，需要多人輪流值班，同時(shí)，傳統(tǒng)的排水集氣裝置通過(guò)一套設(shè)備進(jìn)行組裝，需要恒溫水浴鍋、大氣壓表、溫度計(jì)、集氣管等設(shè)備，這些設(shè)備通常要帶到野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)，繁多笨重，攜帶非常不方便，安裝繁瑣，增加了很多不必要的工作，導(dǎo)致工作效率較低。

隨著科技的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的頁(yè)巖氣解吸裝置已不能滿足工作需求，為提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和認(rèn)可度，設(shè)計(jì)一種便攜式的全自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)解吸裝置尤為重要。全自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)解吸裝置的設(shè)計(jì)主要運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行，通過(guò)虛擬數(shù)字化的設(shè)計(jì)方式，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，將虛擬三維建模運(yùn)用到整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

SolidWorks是現(xiàn)在主流的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，基于Windows系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，內(nèi)部集成了三維機(jī)械設(shè)計(jì)（CAD）、結(jié)構(gòu)有限元分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、大型企業(yè)管理（PDM）和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析等模塊。SolidWorks模塊化，易學(xué)易用，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、交通等領(lǐng)域。

2.1 ? ?建模設(shè)計(jì)

SolidWorks的建模常用命令有草圖繪制、拉伸切除、鏡像、基準(zhǔn)面建立、放樣、旋轉(zhuǎn)切除等，通過(guò)這些命令操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品各個(gè)零件的建模設(shè)計(jì)，通過(guò)修改尺寸數(shù)據(jù)和幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。

在三維建模中，首先進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，即繪制各零件草圖。草圖繪制是三維實(shí)體造型的基礎(chǔ)，通過(guò)草圖繪制命令使直線、圓弧、矩形等幾何元素構(gòu)成二維平面幾何圖形，再通過(guò)三維特征命令轉(zhuǎn)化為三維模型，進(jìn)而完成三維實(shí)體建模。

2.2 ? ?虛擬裝配

零件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行虛擬裝配，虛擬裝配是將單個(gè)零件組成一個(gè)完整的、能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求的三維機(jī)械設(shè)備整體模型。先通過(guò)SolidWorks的裝配模塊新建一個(gè)裝配圖，將繪制好的三維零件模型添加到新建的裝配圖內(nèi)，通過(guò)添加兩個(gè)零件間的裝配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)零件與零件的配合或者零件與裝置的配合。SolidWorks裝配關(guān)系主要包括重合、同心、平行等，通過(guò)該配合關(guān)系來(lái)定義部件間的運(yùn)動(dòng)連接關(guān)系，從而形成一個(gè)完整的裝配圖。

2.3 ? ?布線模型

通過(guò)設(shè)備的控制設(shè)計(jì)，完成設(shè)備的控制系統(tǒng)，電路設(shè)計(jì)的2D制圖可以通過(guò)在elecworks中完成;通過(guò)SolidWorks與elecworks 3D Layout模塊相適配，兩者進(jìn)行有效融入，可以將平面原理圖中的元器件添加到SolidWorks的模型中，通過(guò)elecworks的布線附加模塊，根據(jù)布線圖和接線情況，在SolidWorks中設(shè)計(jì)布線模型如圖2所示。

2.4 ? ?物聯(lián)網(wǎng)模塊

物聯(lián)網(wǎng)模塊是按照有關(guān)通信協(xié)議，將設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息交換和數(shù)據(jù)共享，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能管理。

物聯(lián)網(wǎng)模塊按有關(guān)通信協(xié)議進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，從底層到頂層分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。按頁(yè)巖氣吸附解吸量的特征，將物聯(lián)網(wǎng)模塊按設(shè)備層、控制層和管理層進(jìn)行模塊劃分，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息交換。

物聯(lián)網(wǎng)以射頻識(shí)別、產(chǎn)品電子代碼和ZigBee技術(shù)為主導(dǎo)。經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)，與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶钌蠈?。?yīng)用層提供各種數(shù)據(jù)接口，并且有分布處理技術(shù)、云計(jì)算和海計(jì)算平臺(tái)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等技術(shù)支持，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

便攜式的全自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)解吸裝置的開(kāi)發(fā)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線通信，該技術(shù)可靠性高、功耗低、速率低、成本低，能保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全，主要基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用RF發(fā)射功率或通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離可實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)展。

2.5 ? ?控制模塊

裝置系統(tǒng)采用可靠性高的西門(mén)子S7-200可編程序控制器進(jìn)行編程，使用現(xiàn)有組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，將頁(yè)巖氣的各項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、傳感器測(cè)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等融入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖氣巖心解吸吸附特性的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的最終目標(biāo)是將C/S和B/S體系結(jié)構(gòu)模式相結(jié)合，融合兩者的優(yōu)點(diǎn)，完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)的查詢和監(jiān)督。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文基于SolidWorks進(jìn)行設(shè)備的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，通過(guò)三維建模、虛擬裝配，搭建了虛擬仿真環(huán)境，完成了機(jī)電一體化虛擬原型，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和共享，建立起“機(jī)械—物聯(lián)”的基本設(shè)計(jì)架構(gòu);通過(guò)可編程序控制器進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)公式融入系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，使設(shè)備更加智能化、信息化。

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收稿日期：2020-07-27

作者簡(jiǎn)介：穆記永（1991—），男，云南人，助理工程師，研究方向：機(jī)電。