电缆防喷管的模块参数化设计*



电缆防喷管的模块参数化设计*

韩成才1, 朱林1, 鱼洋2, 王小波3, 王丽春1

(1.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安710065；2.宝鸡石油钢管有限责任公司西安石油专用管分公司，陕西 西安710200；

3. 宝鸡市赛孚石油机械有限公司，陕西 宝鸡721006)

摘要：针对系列化电缆防喷管设计效率低下，提出以SolidWorks为二次开发平台，结合VB语言和Excel类型库，对电缆防喷管进行模块参数化设计。实践证明，在设计图纸阶段，模块参数化设计可以帮助设计人员方便快捷准确地完成设计任务，提高效率140倍以上。很大程度上节省了人力资源和缩短了生产周期，从而降低生产成本。

关键词：电缆防喷管；二次开发；模块参数化；设计

0引言

参数化设计[1-5]是三维软件重点强调的设计理念。参数是参数化设计的核心概念，在一个模型中，参数是通过“尺寸”的形式来体现的。参数化设计的突出特点在于可以通过变更参数的方法来方便的修改设计意图，简化设计人员的工作，提高相关产品设计效率。

基于某公司研发中心对于系列化产品— 电缆防喷管 —图纸设计效率低，设计标准、规范不统一，计算公式多样化，系列化产品图纸重复操作等，严重加大工作人员体力和脑力劳动，影响公司产品生产效率。为了改善这一现状，以solidworks三维软件作为二次开发平台，结合VB语言，从电缆防喷管的设计思路到其研发最终输出文件，参照标准、规范及相关计算公式进行模块参数化设计。

1建立电缆防喷管三维模型

电缆防喷装置是用于油田电缆测井作业时提供安全可靠的井口控制系统。在作业过程电缆处于静态和动态状况下密封井口，或者是在作业过程中井口有溢流不能控制及其他意外情况时关闭井口，防止井喷事故的发生，是油田安全作业的理想设备。电缆防喷管是电缆防喷装置中不可或缺的关键部件之一，主要作用是在起、下作业工具串时起到容纳作业工具串，并与电缆密封头、防喷器等一起协同工作，起到防止井喷事故。因此电缆防喷管为下井工具串提供了压力缓冲区和仪器通过的过渡区。根据现场需要，电缆防喷管可以多根组合使用。但不宜超过18 m。其工作环境一般是高压、含H2S和酸的原油、天然气、水的油气井，工作温度为-29~121 ℃。电缆防喷管根据基本结构分为两类：组合式防喷管和整体式防喷管。本文主要介绍整体式防喷管的设计过程，整体防喷管如图1。

图1　整体式防喷管1.公口护丝　2.管体　3.由壬螺母　4.O型圈　5.母扣护丝

根据标准文件，查询电缆防喷管的通径、长度、工作压力、工作温度等级、承受压力等级、材料，图2为电缆防喷管尺寸图，模型尺寸计算过程如下。

图2　电缆防喷管尺寸图

(1) 按剪切应力计算螺纹强度

(1)

式中：Kz为载荷不均匀系数，d/P<9时，Kz=5P/d；d/P≥9时，Kz=0.56；d7为外螺纹小径(mm)；b为螺纹牙根部宽度(mm)，普通三角螺纹b=0.75P，国标Tr螺纹b=0.58P；P为螺距；z为螺纹旋合数； [τ]为许用剪切应力(MPa)； [τ]=0.6[σ]=σs/2.5。

(2) 按弯曲应力计算螺纹强度

(2)

式中：h为螺纹牙的工作高度(mm)，普通三角螺纹h=0.54P，国标Tr螺纹h=0.5P，美标ACME螺纹h=0.5P，美标SA螺纹h=0.3P。[σ]w为材料许用弯曲应力(MPa)，[σ]w=σs/1.5。

按式(1)和(2)计算螺纹长度，取其中较大者，向上圆整即为设计螺纹长度。

由以上尺寸计算过程可知，电缆防喷管模型尺寸主要由压强P、通径D、材料、螺纹类型、沟槽等直接或间接计算确定。取通径D=62 mm，P=35 MPa，材料为35CrMo，长度为1 500 mm，螺纹连接为SA型螺纹，沟槽内径为60.4 mm，计算各个尺寸参数。启动SolidWorks，建立一个标准的防喷管管体三维模型，并将模型文件与数据文件放到一起。

2模块设计

电缆防喷管模型尺寸主要由压强P、通径D、材料、螺纹类型、沟槽等直接或间接计算确定。所以将模型的模块设计分为四部分：①基本参数(通径、压力、长度、材料、安全系数)；②外形设计；③扣型设计；④沟槽设计。这四部分包含了所有的基本变量，这些变量也就是程序设计中需要定义的变量。如通径“D”压力“P”、长度“L”、安全系数“α”、标准参数文件名“扣型”“沟槽内径”“O型圈规格”等，如图3(b)。

图3　用户界面

2.1　模块窗口设计

在Visual Basic 6.0中建立用户使用界面[6]，该界面分为两个窗体：“防喷管管体设计”和“计算结果如下”。“防喷管管体设计”用户界面主要包括四部分：①基本参数；②外形设计；③扣型设计；④沟槽设计。用户通过输入基本参数，选择所需螺纹类型等点击试算，就会弹出“计算结果如下”窗口，该窗体可以明确的显示计算结果，并推荐螺纹、密封沟槽内径尺寸、管体外径、O形圈规格。经过用户考虑核实，然后再选择或输入这些数据，点击建模，应用程序直接启动SolidWorks，完成用户模型如图3(a)。

2.2　操作失误提示窗口

图4　问题提示

虽然模块窗口很清晰，但也难免会出现操作失误，如在操作过程中如果没有选择螺纹类型，模型将不完整，无法建模。为了提醒用户正确操作，加入了问题提示如图4。

程序如下：

Private Sub Command1_Click()

If Cb2.Text=”请选择螺纹类型” Then

MsgBox “请选择连接螺纹类型”，0，“警告”

ElseIf Cb2.Text=“SA螺纹”or“ACME螺纹”Then.........

End If

End Sub

3建立模块、模型、参数之间的联系

模型通过模块改变参数实现模型的重新建立，但有些参数不能随意输入，如螺纹，沟槽等，这些参数都有国家标准或企业内部标准，必须按照标准完成设计任务。所以必须调用标准数据，这就需要建立模型、模块、参数之间的联系。

3.1　建立模型与模块之间的联系

SolidWorks通过OLE(对象的嵌入与链接)或者COM为用户提供了自由开放、功能完整的二次开发接口(API)[3]。所以，可以通过Visual Basic编程语言建立SolidWorks模型和VB模块之间的联系，关键程序如下：

Option Explicit

Dim swapp As Objection

Dim Part As Objection.....’定义全局变量

Set swapp=CreateObject(Sldworks.application)’创建Sldworks对象

Swapp.visible=True

Set Part=swapp.OpenDoc(App.Path&“防喷管体.sldprt’’,1)

Set Part=swapp.ActivateDoc(“防喷管管体”)’激活建模对象

Part.Parameter(“L@草图1”).SystemValue=(Val(Text3)+Val(Text11))/1000

Part.Parameter(“d2@草图1”).SystemValue=Val(Text12/1000)

Part.Parameter(“d5@草图1”).SystemValue=Val(L1/1000)

......’编辑公式，变量赋值

Part.EditRebuild ’刷新，重新建模

Part.ShowNameView”*上下二等角轴测”，8’最佳显示视角

Part.viewZoomtofit2

Boolstatus=part.Extension.SelectByID2(“前示准面”，“PLANE”，0，0，0，True，1，Nothing，0)

Part.ClearSelection2 True

......

3.2　建立模块与参数的联系

在二次开发过程中，一开始采用文件数据库实验，但由于数据库量巨大，数据整理麻烦而且易出错。微软公司的电子表格软件Excel具有快捷方便的数据输入和强大的数据处理能力，它对编辑、格式化、设计报表和打印等功能都提供了很完美的解决方案，为我们的工作带来了极大方便[7]。本文实现了外围Excel类型库大中型数据为SolidWorks的调用，建立了模块与参数之间的联系，从而实现了模型与参数之间的联系。在应用前确保工程引用Excel类型库：从“工程”菜单中选择“引用”栏，选择Microsoft Excel 9.0 Object Library。以下为VB模块调用Excel数据的应用程序：

Private Sub Command_2Click()

Dim XlsApp As Excel.Application

Dim XlsWorkbook As Excel.Workbook

Dim XlsSheet As Excel.Worksheet’定义Excel对象

Dim i As Integer

Dim j As Integer

Dim s(13,13)As String

Set XlsApp=CreatObject(“Excel.Application”)’创建Excel对象

Set XlsWorkbook=XlsApp.Workbooks.open(App.Path&”SA螺纹.xls”) ’打开存在的Excel工作薄

XlsApp.Visible=False’不可见

Set XlsSheet=XlsWorkbook.worksheets(“Sheet1”)’设置“表”名

XlsSheet.Activate

For i=1 to 13

For j=1 to 13

S(i-1,j-1)=XlsSheet.Cell(i,j)‘将Excel中的数据取出

Next j

Next i

Text1.Text=S(0,0)

Text2.Text=S(0,1)

.....

XlsApp.Quit’结束

Set XlsSheet=Nothing’释放

Set XlsWorkbook=Nothing

Set XlsApp=Nothing

3.3　整理文件

在VB-文件下生成exe应用程序，并将所有文件放到一个文件夹中，如图5。

图5　文件内容

4调试与实验

打开电缆防喷管模块文件包，双击防喷管VB.exe，进入到模块界面，基本参数部分输入通径、安全系数、压力、长度、材料，扣型设计选择螺纹类型、扣型，沟槽设计选择沟槽内。，至于其他参数，模块将会自动计算，并填写。如果程序计算的参数不能满足设计者要求，设计者可以自行填写参数如图3(a)右侧。然后点击试算，模块将会弹出“计算结果如下”，给设计者一定参考。然后再点击建模，将会启动SolidWorks,建立出设计者所要求的电缆防喷管三维模型，如图6。

图6　电缆防喷管建模过程

三维模型确定后，设计者很快就完成二维工程图及其标注。整个过程大概10 min左右，并且与传统设计相比较，模块参数化的电缆防喷管工程图完全满足加工要求。经调查，以防喷管管体设计为例，如果按照传统设计方法，一位正式设计人员完成图纸大概要3天，而应用模块参数化设计，包括打印、审核在内仅仅是10 min左右的时间。该公司还对法兰、防喷器等进行模块参数化设计，设计开发出适用于自己的应用程序和参数化模块，极大的减轻了设计人员的工作量，提高工作效率140倍以上。

5结语

以VB和Excel为基础，SolidWorks为平台，成功实现电缆防喷管模块参数化设计，提高设计人员工作效率140倍以上，从而缩短了企业产品开发周期，降低产品开发和制造成本。

首次实现Excel中参数调入VB6.0建立的模块，实现外围Excel中大型数据为SolidWorks的调用，极大简化了标准参数的处理，节省了模块参数化的工作量，为模块参数化设计的进一步开发提供了新方法。

模块参数化设计是非常适合基本结构不变的系列化产品的设计，尤其对单件小批量产品的生产，极大的降低生产成本。因此模块参数化设计对日益多样化的市场具有很大优势，可以提高企业竞争力，为广大企业指明了方向。

参考文献：

[1]李凯,付志强,张若青.基于Pro/E的参数化建模方法比较[J].机电信息,2010(12)：194-202.

[2]郗向如,韩锐,李珣.SolidWorks环境下的参数化建模方法[J].机床与液压,2004(9):73-75.

[3]饶锡新,傅航,王佳玺,等.基于UG的风机叶片参数化建模方法[J].南昌大学学报，2010，32(4)：335-338.

[4]王锦红,邵明.基于UG软件的参数化建模技术应用[J].现代制造工程,2003(2):29-30.

[5]禹诚.基于UG的产品参数化设计方法[J].中国机械工程,2003,14(S1):19-21.

[6]刘莲英.Visual Basic程序设计教程[M].北京：北京工业出版社，2011.

[7]邵洪成.VB与Excel中的数据互换[J].平顶山工学院学报，2006,15(2):29-32.

Parametric Design of Wireline Lubricator Module

HAN Cheng-cai1, ZHULin1, YUYang2, WANG Xiao-bo3, WANG Li-chun1

(1.CollegeofMechanicalEngineering，Xi′anShiyouUniversity，Xi′anShaanxi710065，China；

2.BaojiPetroleumSteelPipeCo.,Ltd,OctgBranch，Xi′anShaanxi710200,China;

3.BaojiSaifuPetroleumMachineryCo.,Ltd，BaojiShaanxi721006,China)

Abstract:For the series of wireline lubricator low design efficiency, parametric design of wireline lubricator module is put forward,which is made in SolidWorks secondary development platform and combined with VB language and the Excel type library.Practice has proved that module parametric design can help designers complete design tasks easily ,quickly and accurately and improve 140 times greater efficiency in the design drawings stage.The new way largely saves human resources and shorten the production cycle, thus reducing the cost of production.

Key words:wireline lubricator;secondary development;module parametric;design

中图分类号:TH164

文献标志码：A

文章编号：1007-4414(2015)03-0180-04

作者简介：韩成才(1962-)，男，教授，硕士研究生导师，研究方向:井下工具、石油装备设计与研发。

*收稿日期：2015-03-20