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双腰轮气体流量计参数化设计研究

天信仪表集团有限公司 叶友意/章宦辉/王滔/侯畔畔/黄玉良

来源:《计量技术》2019年第6期


摘  要 介绍了参数化设计概念,根据双腰轮气体流量计基本原理结构,对关键尺寸进行设置,例举了零部件参数化设计过程。基于Solidworks软件的方程式、全局变量等功能,实现整个产品设计参数互联,配合装配约束关系,进行快速参数化设计开发,节约设计成本,提高研发效率。

关键词 Solidworks;参数化设计;双腰轮流量计;全局变量


引言

参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系标示,而不需要用确定的数值,通过调整参数的数值来实现改变模型的相关尺寸,通过调整参数来修改模型的几何形状,实现零件的造型。在现在的工程应用中,一个机构由多个零件组成,通过零件的参数化设计,扩展到整个机构,实现机构的参数化设计,提高设计效率。

常用的参数化设计CAD软件中,主流的应用软件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和Solidworks,Solidworks凭借功能强大、易学易用和技术创新三大特点,成为全球装机量最大、最好用的软件。本文基于Solidworks软件对双腰轮气体流量计进行参数化设计研究,实现整个产品的快速建模。


1 参数设定

在设计之前,我们首先要确定产品适用的流量范围及转子的转动速度范围,不同的转速对应的轴承也不相同。根据气体腰轮流量计结构,需要确定的参数有:最大流量Vmax、最大转速nmax、转子中心距a、端板与转子间隙δ1、转子与壳体间隙δ2、转子啮合间隙δ3、渐开线基圆rb等。把这些参数设置为全局变量(有些变量可以用方程式来表达),为参数化设计提供快捷数据,数据确定后把全局变量链接至外部文件,为整个项目零部件设计做准备。


2转子参数化设计

根据转子轮廓线特征,选择采用多段渐开线和圆弧线段组成,该渐开线体现在图1中的bc曲线上,渐开线方程如下:


(1)1.png


式中:rb为实际基圆半径,mm;2.png为滚动角,rad;xk为第K点的x轴坐标;yk为第K点y轴坐标。

使用Solidworks中方程式驱动曲线功能,3.png后面的方框中输入对应的方程式(在方程式曲线里面需要将角度制转化为弧度制数值)。


为了方便快速地验证模型间隙的准确性,这里采用CAD软件中插值样条曲线偏移功能来实现间隙的调整:

(2)rb= aK1-K2δ3                                                  

 式中:a为转子中心距,mm;K1为理论完全啮合系数,对应方程式(1)只有唯一解;K2为理论基圆和偏移后基圆的差值系数,需要通过模拟计算得出,不同的rb对应的K2也会不同;δ3为转子啮合间隙,mm。

这种方式计算的好处是可以直接调整K2数值改变间隙,节省计算机计算时间,简化参数设计。然后用Solidworks软件草图功能画出转子轮廓,图1中可以看出轮廓上下左右对称,只需对方程曲线做镜像操作即可完成。


4.png

图1转子轮廓草图


由于两个啮合转子成90°,所以图1中L与R1可以用方程式关联:

(3)R1=a-L-2                                  

式中:R1为转子最大转动半径,mm;L为转子凹进去部分最小长度,mm。

通过方程式关联可保证R1不会干涉到L。转子轮廓线完成后,用CAD软件或三维软件直接计算可以得出单个转子与壳体形成的腔体截面积S,如图2所示。


5.png

图2转子与壳体形成的截面积


由于转子转一圈有4个腔体体积排出,双腰轮相当于两倍体积量,单位换算后可得:

 (4)L1=Vmax×109 / ( 60×nmax×S×4×2 )                    

式中:L1为转子长度,mm;Vmax为最大流量,m3/h,nmax为最大转速,r/min,S为转子与壳体形成的腔体截面积,mm2。

最后根据转子轮廓及长度,完成转子的3D建模。根据已经确定的中心距a及转子的啮合关系,调入2个转子零件组建装配体,分析计算两个转子的啮合间隙,如需调整间隙只要微调K2数值即可改变整个轮廓曲线。


3壳体参数化设计

壳体的作用是装载流量计所有部件,提供有效的计量腔体。壳体加工精度要求高,加工时间相对较长,在研发阶段需考量如何有效、快速地设计及调整。

壳体的内部腔体尺寸与转子尺寸有直接关系,可以调用之前设计转子时的全局变量参数:新建零件—工具—方程式选项,选择链接至外部文件,在保存的TXT文本的全局变量处就可以看到之前的变量参数。壳体、腔体尺寸调用全局变量数值,完成绘制,如图3、图4所示。


6.png

图3壳体拉伸建模


7.png

图4壳体腔体切除草图


(5)L2=L1×2+L3+δ1×4                         

(6)R2= R1+δ2                                           

(7)L4=L1+δ1×2                              

式中:L2为壳体长度,mm;L3为壳体中间轴承位宽度,mm;R2为壳体内部腔体半径,mm;L4为内部腔体切除深度,mm。

对L4切除特征做镜像处理,完成壳体腔体建模。零件尺寸调用外部全局变量数值后,外部链接文件的数值变动,壳体、转子等其它关联零件尺寸都会改变,实现整个产品设计参数互联。


4 小结

本文举例两个关键零件参数化设计过程,实现零部件全局变量参数的统一。在实际产品设计中,引入零件装配关系作为约束也是必不可少的,合理建立零件之间的装配约束关系,确保零件之间的相对位置关系;同时建立零部件相互关联的参数之间的关系,保证参数之间可以联动,这样就可以实现同步更新,最终实现整个产品的参数化设计。

参数化设计系统中,设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求,不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值,而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系。参数化设计可以显著提升设计效率,当然设计师对产品结构熟悉程度也极为重要,对设计师本身也提出了更高的要求。


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