基于SolidWorks的压缩机参数化设计及动平衡分析

柏子刚

（桂林电子科技大学信息科技学院， 广西　桂林　541004）

引言

随着CAD技术的不断发展，SolidWorks软件凭借强大的设计功能和参数化设计优势，在压缩机设计中得到了广泛应用。为减少压缩机设计过程中的重复劳动，缩短开发周期，降低开发成本，对活塞压缩机进行参数化设计，具有非常重要的工程意义和实用价值。本文在SolidWords环境下，利用二次开发技术对压缩机进行参数化设计，并对曲轴进行相应的动平衡计算分析，使曲轴零件达到动平衡的要求，从而达到减震和提高压缩机寿命的目的。

1　基于SolidWorks压缩机参数化设计

SolidWorks作为一款优秀的设计软件，提供了很多 API（Application Program Interface）函数，开发者可以利用这些API函数，直接访问SolidWorks，利用支持 OLE 和 COM 的 Visual Basic、VBA、Visual C++和Delphi等编程语言作为开发工具，对这些API函数进行调用，从而实现零件参数化设计[1]。在这些编程语言中，Visual Basic由于自身可视化和简单易学的特点[2]，在利用SolidWorks进行产品的参数化设计中得到较多的应用。在VB环境下，基于SolidWorks参数化设计有两种方式，一种是设计变量和编程语言相结合的设计方式，一种是完全编程设计[3]。其中第一种是利用SolidWorks提供的宏录制功能，得到零件三维建模的宏代码，将这些宏代码在VB环境中进行编辑修改和优化，进而实现零件的参数化设计。本文在VB 6.0环境中，采用编辑宏代码的方式对压缩机各个组件（活塞、连杆、气缸和曲轴四个组件）分别进行了相应参数化设计。并将压缩机设计程序作为一个独立的应用程序（格式为“压缩机.exe”），利用新建宏方式将压缩机设计程序添加到SolidWorks中，完成SolidWorks的控制和操作。压缩机参数化设计主界面如图1所示，分为四个菜单，每个菜单都有相应的下拉菜单，例如点击“曲轴”菜单中的“曲拐轴”，就会进入图2所示的曲轴设计界面。

图1　压缩机参数化设计主界面

2　压缩机曲轴参数化设计过程

活塞压缩机有活塞、连杆、气缸和曲轴四个组件，每个组件又有若干零件，其参数化设计具有一定共性，因此以典型零件曲轴为例说明压缩机参数化设计的过程，曲轴参数化设计过程如下。

1）以反映曲轴特征的尺寸参数作为主要参数（图2界面中的输入参数即为主要参数），并以此作为设计变量。

2）分析要建立的曲轴模型，在VB环境下，根据设计意图创建窗体界面，创建的曲轴设计界面如图2所示。

3）编写曲轴参数化设计程序代码。在SolidWorks 2012环境下，利用宏录制功能把曲轴三维建模的过程录制成宏文件。然后在VB6.0环境中对宏代码进行编辑修改，找出关键函数和关键常数，并对程序进行优化。编写曲轴参数化设计程序代码关键环节有以下四点：首先，定义变量；其次，建立VB与Solid-Works的互联；再者，将变量参数值赋予曲轴建模；最后，将程序添加到SolidWorks。其中建立VB与SolidWorks的互联的关键代码如下[4]：

4)通过在图2设计界面中输入参数自动生成曲轴的三维模型。点击“模型创建”后，运行结果如图3所示。

图2　曲轴设计界面

图3　曲轴三维模型

4　曲轴动平衡分析

平衡计算可以分为静平衡计算和动平衡计算两种形式。对于曲轴这种轴向尺寸较大的零件，偏心质量分布于若干个不同的回转平面内，会产生惯性力偶，进而引起噪音和振动，降低压缩机寿命，所以曲轴的动平衡计算变得尤为重要。

本文利用SolidWorks的SolidWorks Simulation插件对曲轴进行动平衡计算。具体操作步骤如下[5]：

1）打开SolidWorks Simulation插件；

2）新建一个静态算例；

3）添加夹具：选择图3中两个轴颈（安装轴承的轴段）面为“固定铰链”夹具；

4）添加外部载荷为“离心力”，选择“曲轴的回转中心线”为参考，给定1500r／min的转速（以原动机的转速而定）。

5）右键点击“网格”，然后点击“生成网格”，生成的网格如图4所示。

图4　生成网格

6）点击Simulation菜单中的“运行”，计算完成后右键点击“结果”，选择“列举合力”。在合力对话框中选择“反作用力”，在要列举的“面、边线或顶点”选择框中，选择图4添加固定铰链的两个面，点击按钮“更新”，这时在“反作用力（N）”处能得到一个表格，里面列举了反作用力的具体数据。如图5所示。

图5　列举合力结果

整个模型的合力为419.06N，说明整个曲轴模型有较大的反作用力，动不平衡现象明显，需要对曲轴在结构上进行修改调整，然后再运用如上步骤进行运算，用此法逐渐“修改—计算—再修改-再计算” 的方式，得到满足设计精度的曲轴。满足设计精度的曲轴运行结果如图6和图7所示。图6和图3对比在结构上做了修正。

图6　两个支撑位置反作用力具体数值

图7　修正后的列举合力结果

5　结论

由于CAD技术的不断发展，加之SolidWorks在功能设计及二次开发方面所展现出的优越性，得到越来越多设计人员的青睐。本文利用SolidWorks二次开发技术实现了压缩机的参数化设计，并利用SolidWorks的自带插件SolidWorks Simulation完成了曲轴的动平衡分析，从而减少压缩机设计过程中的重复劳动，缩短了开发周期，降低开发成本，同时达到减震和提高压缩机寿命的目的。

[1]陈毅.基于SolidWorks二次开发的齿轮参数化系统设计[J].机械制造与研究，2009（2）：26-28.

[2]明日科技.Visual Basic从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]邰金华，上官同英，孔垂雨.基于SolidWorks的带式输送机标准件库二次开发[J].煤矿机械，2012（2）：211-213.

[4]索超，李玉翔，林树忠.基于VB语言对SolidWorks参数化设计的二次开发[J].制造业自动化，2013（8）：137-139.

[5]程娟，席久恒，兰翼，等.SolidWorks在机械平衡计算上的应用[J].农业装备与车辆工程，2011（8）：42-46