基于Pro/E的4M12-78/34型氧气压缩机缸体参数化设计

2014-09-17焦圳巴鹏张海峰崔淮

机床与液压 2014年1期

焦圳，巴鹏，张海峰，崔淮

(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159;2.抚顺新钢铁公司，辽宁抚顺113000;

3.辽河油田沈阳采油厂资产科，辽宁沈阳110300)

缸体是往复压缩机中组成压缩容积的主要部分，它与活塞、气阀等共同组成压缩气体的工作腔。缸体的工作腔直径、工作腔长度、气阀安装孔等尺寸都满足系列化的特点。基于Pro/E对缸体进行参数化建模及分析，大大提高产品的设计速度，快速开发出新产品并缩短产品的上市周期。

参数化设计是采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型，是设计系列化产品的一种准确、简单、高效的设计方法。随着CAD/CAM技术的快速发展，目前常用的参数化设计软件中，主流的应用软件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和SolidWorks，文中用Pro/E对4M12型往复式压缩机缸体进行参数化建模，并对设计结果进行优化。

每个企业的产品设计重点、规范和标注都不一样，CAD三维设计软件的系统计算能力差，设计人员很难通过CAD三维设计软件完整地表达出设计思路。为了解决企业对CAD三维设计软件的需求和克服其不足，利用VC++6.0编程工具中的MFC资源开发需要的DLL应用程序，实现应用程序模块与Pro/E软件的无缝集成，即Pro/E的二次开发，是解决这一问题的主要技术。

1 缸体参数化设计原理与步骤

缸体的形状比较固定，用一组参数约束缸体的结构尺寸与拓扑关系，参数和缸体的控制尺寸有一定对应关系，当给定不同参数时，驱动基本零件模型，就能达到缸体的系列化。

1.1 压缩机的理论循环

假设压缩机工作在理想的条件下，即压缩机没有余隙容积并且密封性能好，没有热量交换，吸、排气阀及时开启或关闭，没有吸、排气阻力，压缩机在工作过程中气体状态不变，同时气体被压缩时按不变的指数值进行，满足以上条件的循环称为理论循环，如图1所示，其中容积V为横坐标，压力p为纵坐标。

图1 压缩机的理论循环

当活塞自外止点向右移动时，气体在压力为p1的情况下通过吸气阀进入气缸，即吸气过程，用DA线表示。相反的过程为排气过程，用BC线表示。

根据压缩过程中气体与气缸壁换热情况的不同，理论循环分为等温循环、绝热循环和多方循环。其中AB表示等温压缩，AB″表示绝热压缩，AB'表示多方压缩。实际上等温过程是不存在的，绝热循环耗功最多，文中按多方循环计算，与实际情况最接近。多方压缩曲线AB'的方程为:pVn=常数，多方压缩过程的终点温度多方压缩1 kg理想气体的循环功为:

1.2 缸体的参数计算

根据热力计算可以得到最有利的热力参数 (各级的吸排气温度、压力等)和主要的结构尺寸 (气缸直径、内壁厚度、活塞行程等)，各热力参数和结构尺寸在文献［1］中有详细的介绍。

(1)气缸行程容积

压缩机在实际运行中，因为存在吸气阀的弹簧力和管线上的压力波动、吸气时气体与气缸壁之间的热交换、气体泄漏等因素，使排气量减少。所以设计计算中要考虑上述因素对排气量的影响，以λ表示:

式中:λV为容积系数;λp为压力系数;λT为温度系数;λg为气密系数。其中λV对排气量的影响最大。

根据气缸工作指示图 (图2)，可以得知容积系数表示余隙容积对气缸有效行程容积V'的影响。对于理想气体:

式中:a是相对余隙容积;ε是公称压力比;m是膨胀过程指数。

图2 气缸工作实际指示图

多级压缩机其他各级的气缸行程容积:

式中:μdi表示干气系数;μoi表示抽气系数;ps1、psi分别表示I级和i级公称吸气压力;Ts1、Tsi分别表示I级和i级的公称吸气温度;λi为i级的排气系数。

(2)气缸直径

按上式计算出各级气缸行程容积后，可按下面公式计算气缸直径。

级差活塞 (见图3)的双作用气缸:D1=

式中:Vti表示气缸的行程容积，s表示活塞行程，n表示压缩机的转数，i表示同级气缸数，d表示活塞杆直径。

图3 级差活塞

(3)气路管径与阀口

管道内径Di按气体在管道内的平均流速确定，即:

式中:V表示气体容积流量，CR表示气体平均流速。

进、排气口面积Ac:

式中:Ac为进、排气口面积;vm为活塞平均速度;vc为孔口气流速度。

(4)缸体受力分析

有干式气缸套的缸体，其模型可以简化成组合圆筒，受力如图4所示。

图4 缸体上的作用力和应力分布图形

气缸与缸套接触表面的压力p2:

式中:V表示直径过盈值;E1、E2分别表示气缸套和气缸材料的弹性模数;μ1、μ2分别表示气缸套和气缸材料的泊松系数。

切向应力σtc:

径向应力σrc:

式中:a表示材料的线膨胀系数;E表示材料的弹性模数;to、ti分别表示外表面与内表面的温度;μ表示泊松系数;k表示内外半径之比。

缸体的强度按当量应力值来确定:

脆性材料的当量应力:

式中:υ表示材料拉伸强度与压缩强度的比值。

塑性材料的当量应力:

当气缸套被气缸盖压紧定位在凸肩时也需要强度校核，受力如图5所示。

图5 气缸套定位凸肩受力图

截面Ⅰ－Ⅰ为密封与支撑面间距离最短的界面，即危险截面，危险截面上的法向拉伸应力σp:σp=

式中:α表示危险截面的法线与气缸盖压紧力之间的夹角，e表示界面重心S与支承反力之间的垂直距离，l表示密封面与支撑面间的最短距离。

由压缩机缸体主要几何尺寸信息，参数化设计的流程如下:

(1)根据压缩机工作的相关参数，即活塞推力p、排气压力pa、排气量Vm、吸气温度T1、总级数、缸体的材料，通过计算就可以得到设计参数，如行程s1、转速n、轴功率 N、排气压力 p＇、排气温度 T2、活塞平均速度Cm、每列往复部件最大质量mp、活塞杆直径d等，再把设计参数传递给缸体主要几何尺寸参数。

(2)把接收到的参数作为输入参数结合工作参数，可以计算出缸体主要几何尺寸参数，即缸体直径D1，工作腔长度L，缸体的内壁厚度s，轴向厚度s'，两端连接法兰厚度 δ，筋厚 δ'，气体管道内径 D2，进、排气口面积Ac等基本尺寸参数。

(3)在完成上述两个步骤之后，整体的主要结构设计基本完成，再根据压缩机缸体受力情况，对设计结果进行校核，分别计算缸体的内表面当量应力和外表面当量应力，再和材料的许用应力相比较。如果当量应力小于材料的许用应力，校核结果安全，则为最终结果，可以直接出图;如果设计结果经过验证之后当量应力大于材料的许用应力，校核结果不安全，则返回步骤 (1)，重新设计。

参数化设计流程图如图6所示。

图6 压缩机缸体参数化设计流程图

2 编辑缸体参数化设计程序

根据上面的压缩机缸体参数化设计流程，用市面上比较流行的、功能强大的可视化软件开发工具VC++6.0，设计出压缩机缸体参数化设计界面。

利用VC++6.0编程工具MFC资源模块，采用动态链接库DLL的方式，设计出功能完全、界面友好的缸体参数化设计系统，并且通过二次开发，可以设计出简单方便的人机交互界面，从而能够大大提高Pro/E的使用效率。

压缩机的活塞推力、行程是压缩机系列化的基础，在实际设计压缩机缸体产品时，考虑到设计周期和加工费用等因素，为了达到压缩机系列化，一般根据活塞推力计算得到其他压缩机主要结构参数 (图7)，所以文中采用建立活塞式压缩机主要结构参数的数据库形式，根据第一步输入的活塞推力p，直接在主要结构参数的数据库中匹配出相应的其他主要结构参数，如行程s1、转速n等。

输入参数:压缩机的总级数，缸体总级数，缸体的类型，缸体的材料，总排气量Vm，吸气温度T，活塞推力p，总排气压力pa。

输入参数之后，点击导入参数，系统自动从压缩机主要结构参数的数据库中调用出相应的其他主要结构参数，并将主要结构参数传递给第2步，即确定参数界面如图7所示，这样就可以确定压缩机所有主要结构尺寸参数。

经过计算之后，所有主要结构尺寸参数传递给下一步，即压缩机缸体参数化设计界面1如图7所示。