天然气压缩机组缓冲罐组件参数化设计探讨

高 军

（北京杰利阳能源设备制造有限公司，北京101500）

1 引言

缓冲罐组件是天然气压缩机组中必不可少的零部件之一，该组件的三维模型设计的准确性直接关系到与其相连通的管道的准确性和合理性，以往该组件的三维建模设计比较简单，会出现模型结构型式不完善，易出错、修改繁琐、效率低等诸多问题，现利用SolidWorks设计软件，对缓冲罐组件参数化设计进行详细探讨。

2 SolidWorks设计软件介绍

SolidWorks软件是一个在Windows环境下进行机械设计的软件，具有人性化的操作界面，是基于特征的三维参数化设计软件。SolidWorks具有功能强大、易学易用、维护方便、技术创新等特点。

3 缓冲罐组件传统的设计方法剖析

以往对零部件设计过程中，都是用固定的尺寸值来约束几何模型，零件的结构形状不能灵活地改变，想要新的几何模型，必须重新绘制。

如何利用参数化设计，实现以一个模型显示多个不同配置的模型呢？现以哥伦比亚V站和M站天然气压缩机组项目的进气缓冲罐组件为例，进行3D模型设计分析，V站天然气压缩机组为4列1级压缩，M站天然气压缩机组为6列1级压缩。V站两个进气缓冲罐组件，规格、尺寸完全相同，管口方位不同，即缓冲罐铭牌位置不同；M站两个进气缓冲罐组件，规格、尺寸完全相同，管口方位不同，即缓冲罐铭牌位置不同，如图1、2所示。

3.1 缓冲罐组件绘制成一个实心零件

为了快速完成整个总布置图绘制，往往缓冲罐组件绘制的很简单，只根据所给的必要参数值，绘制一个外形相似的实心零件，两端封头也不是按照标准中要求尺寸绘制，这样的零件不仅外观不逼真，而且后期若导出工程详图，会造成设计数据不准确，若要进行二次修改，会影响与之相连接的所有管线，修改起来相当繁琐。若是按照标准要求设计该缓冲罐组件，将会浪费大量的设计时间，造成总布置图设计延期，影响整个工程设计进度，如图3、4所示。

3.2 缓冲罐组件绘制出主体部分，然后配合上标准法兰来实现

缓冲罐组件一分为二，根据所给参数值，绘制出缓冲罐主体部分，然后在缓冲罐主体接管处配合上标准库中的法兰，该设计方法由两部分零件组合成一个装配体。这种实现方法虽然省去绘制法兰，但增加了配合法兰的时间，取得了收效甚微的效果，也不易于后期修改，得到的数据和模型结构也不是很准确。绘制模型也很繁琐。如图5、6所示。

图1 哥伦比亚项目V站进气缓冲罐组件几何模型

图2 哥伦比亚项目M站进气缓冲罐组件几何模型

图3

图4

图5

3.3 分析结论

根据以上图例分析，缓冲罐组件的模型设计，两种传统的设计方法都比较繁琐，几何模型都是固定不变的，是用固定的尺寸值来约束几何模型，零件的结构形状不能灵活地改变，想要新的几何模型，必须重新绘制相应的几何模型。例如有的天然气压缩机组多级压缩，有多个不同规格的进排气缓冲罐组件，每个缓冲罐组件都要重新设计，太浪费时间，效率极低。

图6

4 参数化模型设计在缓冲罐组件中的应用

所谓参数化设计就是采用全参数建模技术，用参数去驱动和控制零件的结构和尺寸，通过修改参数值而改变几何模型，从而改变零件的结构尺寸。

利用参数化技术进行模型设计时，对模型的修改变的非常容易，设计人员只需对参数进行修改，就会得到想要的几何模型，大大提高设计效率。我们知道进气缓冲罐组件的结构基本不变，通常都是个别的地方有所改动或改变管口方位等。

表1 椭圆形封头的断面形状、类型及型式参数表

4.1 3D模型建立

3D模型的最终建立是参数化设计的基本任务。在系列零件设计中，结构相同或相似的，需要进行变尺寸设计的零部件。

现还以哥伦比亚项目V站和M站进气缓冲罐组件为例，分析并设计3D基础模型：由图1和图2所知：两个进气缓冲罐组件结构形状相似，规格、尺寸不同，具体参数如下：

V站进气缓冲罐组件参数为：椭圆形封头类型均为EHA类型。筒体长2200mm；内径为500mm；壁厚为30mm；进气法兰为10"-900BL；与气缸连接的2个法兰均为8"-900BL。

M站进气缓冲罐组件参数为：椭圆形封头类型均为EHA类型。筒体长3400 mm；内径为550 mm；壁厚为30 mm；进气法兰为10"-900BL；与气缸连接的3个法兰均为8"-1500BL。

根据已知参数分析，该缓冲罐组件用EHA类型的椭圆形封头，在GB/T 25198-2010《压力容器封头》标准中有如表1、2所示。

根据以上参数表绘制筒体和封头的组合体，封头与筒体对接处已经简单绘制出焊缝间隙，这样设计的模型不但外观逼真，而且是按照标准要求的结构型式设计，尺寸精确。通过旋转基体得出几何模型，如图7所示。

绘制接管及接管法兰，法兰按照HG/T 20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》中（Class系列）中所给法兰规格尺寸绘制。在所标注尺寸前注明尺寸名称，便于后期更改，如图8所示。

然后按照HG/T 21574-2008《化工设备吊耳及工程技术要求》标准中要求绘制缓冲罐吊耳，按照GB 150-2011《压力容器》标准中对补强圈的要求绘制补强圈等特征，最终完成哥伦比亚项目V站进气缓冲罐组件3D模型建立，如图1所示。

4.2 参数化模型设计

参数化模型设计与一般三维模型的建模方式相同，但需要注意以下几点：

（1）在特征的草图绘制时，要利用尺寸标注或者添加各种几何关系来实现对几何模型的全约束。

（2）对三维模型的设计参数进行控制，设计参数可分为2种：独立参数和非独立参数。前者主要用来控制三维模型的几何尺寸，后者可以用独立参数为自变量的关系式表示。

（3） 设计参数与三维模型尺寸变量之间建立关联。主要有2种方法：一是在创建模型需要输入数值时，直接输入参数名；二是利用SolidWorks的关系式创建新的关系式，使系统自动创建的约束参数名与设计参数进行关联。

根据以上数据，按照SolidWorks软件要求格式导入Excel设计表，参数设计表如表3、4所示。

同样的方法，按照HG/T 20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》中（Class系列） 法兰规格尺寸，依次分别建立2个连接气缸口法兰规格设计参数表和封头开口处法兰规格设计参数表，然后把建立好的设计表插入到模型中，得到相应的配置零件。如图9、10所示。

表2 EHA椭圆形封头总深度、内表面积、容积等部分参数表

图7 旋转基体几何模型图

图8 法兰草图尺寸显示示意图

表3 旋转基体几何模型设计参数表

表4 1个连接气缸口处法兰规格设计参数表

5 结语

通过以上图例，缓冲罐组件的设计完全可以利用参数化模型设计来实现。模型的改变只需要通过修改设计表参数即可实现，易于修改而且出错率低；利用三维参数化模型设计，不仅可以实现了以一个模型显示多个不同配置的模型，而且后期对模型的设计更改也有较大提高，工作量也会大大降低，同时还能保证各零部件设计的一致性，提高了设计效率。

图9 进气缓冲罐组件（V站）几何模型示意图

图10 进气缓冲罐组件（M站）几何模型示意图