基于螺杆设计的双螺杆压缩机虚拟仿真实验教学系统构建

王 君，孙卓辉，王增丽

（中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580）

0 引言

流体机械课程如过程流体机械、泵与压缩机、泵与风机等，具有应用性强、实践性强、内容覆盖面宽等特点，是过程装备与控制工程、油气储运工程、热能工程、石油工程等专业的核心专业课或专业基础课。在教学中需要培养学生掌握多种流体机械的结构形式、工作原理、性能特点和工程应用等方面的知识，从而使学生未来能够从事各种类型流体机械的操作管理、使用选型、维修维护、设计改造和科研开发等工作。这就需要学生不但要掌握坚实的理论基础，还要具有工程实践意识、解决实际问题的能力和研究创新能力。因此流体机械课程中的实验教学在学生培养中具有重要的作用。

由于流体机械具有运动部件结构复杂、工作过程难以理解和运行环境高危等特点，在传统利用流体机械真机运转的实验教学中存在一定的问题。以双螺杆压缩机为例，在运行中具有“黑箱”的特点，实验人员只能测量其进排气处的运行参数，而无法观察其内部的转子运动，也无法测量其内部流体的增压过程。因此，学生对其内部的齿间容积变化、压缩气体过程缺乏直观感性认识；导致学生难以理解其结构和工作特性。此外，双螺杆压缩机的排气温度和排气压力通常较高，实验环境较危险；实验运行过程中产生的噪声较大，对指导教师和学生的听力及身心都会有影响；有油润滑的双螺杆压缩机还需要经常更换润滑油，运行维护成本较高。因此双螺杆压缩机的真机运行实验风险较大，采用虚拟仿真实验教学可有效解决以上问题。

虚拟仿真由于其使用成本低、仿真效果强、安全系数高及学习趣味浓等特点而得到广泛应用［1-2］。在我国一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心和实验室被建立起来［3-4］。董桂伟等［5］开发了一套跟踪剪切机的虚拟仿真设计系统，该系统具有零部件的快速设计、设计环境直观、自由度大的特点。朱新杰等［6］研究了在工业机器人实验课程中开展虚拟仿真和实践操作结合教学的方法，又设计了一个基于工业机器人的物料搬运实验。这种结合既充分发挥学生自主学习的主观能动性，又能避免实验完全虚化而造成的与实际脱节，同时丰富了实验内容，提高了实验效率。曾令艳等［7］针对燃烧学课程理论教学中存在概念难理解、现象直观性差和缺少前沿科学等问题，开发了采用旋流、直流和W火焰煤粉燃烧技术的火电站锅炉的虚拟仿真实验系统。

于立娟等［8］基于虚拟仿真设计了直线电动机的推力测试实验，通过参数设置、模拟实验过程、实物演示等步骤，使学生了解直线电动机的工作原理、动作过程及推力特性。方贵盛等［9］针对泵站性能测试实验装置，进行主要零部件的测绘与三维建模，设计了人机交互界面、可视化数据驱动机制，以及PLC 虚拟仿真控制系统。基于所开发的虚拟仿真实验平台，师生可开展多个泵站的性能测试实验。李梦如等［10］总结并归纳了实现渐开线齿轮范成原理虚拟实验的技术路线。闫莎莎等［11］论述了综采工艺虚拟仿真实验系统设计、实操强化、实验考核的方法；对虚拟仿真实验教学过程和实验教学效果开展跟进研究，并与传统实验教学方法进行比较和教学效果评价。结果表明：综采工艺虚拟仿真实验系统在场景展示、原理、综采工艺实操和实验考核方面有很大优势，调动了学生参与实验的积极性和主动性，有利于培养学生创新能力。张颖等［12］以网络课程建设平台为基础，综合采用虚拟现实制作、Flash动画仿真制作和3D 动画制作相结合的方法，完成了“离心泵综合性能测试”的设计。刘焕卫等［13］设计了包括前端仿真教学系统和后台管理系统两部分的压缩机拆装虚拟仿真教学系统。虚拟与现实相结合，解决了实验设备台套数不足的问题，实现全员参与和达成。辛晓东等［14］针对学生在工程流体力学实验课程学习中存在的学生基数较大、实验任务量大、实验课程时间相对紧张及现实实验场地不足等问题，研究利用虚拟仿真实验取代传统的现实实验，并介绍了虚拟仿真技术在流体力学实验课程教学中的应用优势。王江等［15］针对离心泵整体部件的虚拟仿真制作，实现了离心水泵的三维快速建模、导出二维图纸和导出三维动画的制作过程。

针对双螺杆压缩机这一典型的流体机械，设计了一套基于其核心部件阴阳螺杆转子设计的双螺杆压缩机虚拟仿真实验教学系统，包括4 部分内容：①核心部件螺杆转子的设计与三维建模；②核心部件螺杆转子的3D打印；③双螺杆压缩机整机的虚拟装配与仿真；④双螺杆压缩机工作过程的仿真模拟。所提出的教学方法不仅有利于学生正确认识和掌握双螺杆压缩机的内部结构和工作原理、实现组成零件从静态到动态仿真和实物演示、实现气体增压过程从定性到定量的描述，更有利于培养学生工程实践意识和创新能力。对于提高流体机械课程的实验教学水平和实验室建设具有重要的意义。

1 核心部件螺杆转子的设计与三维建模

螺杆转子是双螺杆压缩机的核心部件，是由端面型线沿着螺旋线扫描而成。通过向学生提供10 种常见的螺杆转子端面型线［16］（见图1），学生可自行选择，再输入中心距、螺杆长度、扭转角度等参数，构建出阴阳螺杆的三维模型，完成螺杆转子的设计。由此学生能够更为深入地理解螺杆转子的几何结构、明白不同端面型线对其性能的影响。

图1 螺杆转子的10种常用端面型线

螺杆转子端面型线不仅决定了双螺杆压缩机的工作腔的容积演变，还影响其吸气、压缩和排气过程，是决定其性能的关键。在建立螺杆转子三维模型前，要对螺杆转子端面型线进行设计。其中原始对称型线和双边对称型线为第1 代型线，用于无油双螺杆压缩机；原始不对称型线、单边不对称销齿圆弧型线、Atlas-X型线、SRM-A型线为第2 代型线，其密封和润滑效果好，螺杆转子所受应力小，常用于喷油式双螺杆压缩机；第3 代型线包括GHH 型线、SRM-D 型线、日立型线和复盛型线，由于第3 代型线使用了圆弧、曲线及其包络线的设计，不仅增强了螺杆转子的密封性，而且使润滑油在转子上易形成油膜；进而使得螺杆转子的性能得到极大提升。

譬如有的人一喝牛奶就腹泻，有的人一喝豆浆就胀气，也有的人吃了蜂蜜就滑肠……这说明即使是有营养的食品，各人也都有个体质适应的问题。这里的关键是适应，凡事适应就好。饮食上如此，作息也是这样。

螺杆转子的三维建模过程包括以下步骤：

（1）选择端面型线。以SRM-D端面型线为例，生成二维图，如图2 所示。

图2 选择螺杆转子的端面型线

（2）确定螺旋线。扫描生成相互啮合的阴阳螺杆转子。阴阳螺杆转子是沿着左旋和右旋两条螺旋线生成的。在平面视图中绘制出一条长度确定的螺旋线，选择“扫描”命令，将端面型线设置为轮廓，螺旋线设置为路径，选择“轮廓扭转”，根据实验要求输入相应的螺杆转子扭转值。

（3）生成阴阳螺杆转子。扫描后在材料设置中选择相应的材质后，得到相互啮合的阴阳螺杆转子的三维模型，如图3 所示。之后根据要求绘制转子上的各个阶梯轴，完成阴阳螺杆转子的设计和三维建模。

图3 阴阳螺杆转子

2 核心部件螺杆转子的3D打印

将学生所设计的阴阳螺杆转子进行3D打印。通过啮合演示，直接观察阴阳螺杆转子在回转运动下的啮合过程；同时观察工作腔的周期性变化过程。双螺杆压缩机的阴阳螺杆转子呈三维扭曲结构，在吸气、压缩和排气过程中，双螺杆压缩机的封闭工作容积变化复杂。因此，通过阴阳螺杆转子和腔体之间的装配实体可以更好地观察工作腔容积的变化规律，方便学生对其工作过程的深入理解。此外，通过螺杆转子的3D打印实体，可以更加清晰地观测到吸、排气口的开设位置，使学生能够深入理解吸、排气口的开设原则。

由于螺杆转子的三维扭曲结构，其加工困难，且加工费用高。3D打印技术是利用光固化和纸层叠技术的一种快速成型方法。以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。通过3D 打印可以快速打印形状复杂的阴阳螺杆转子，时间短、造价低。学生可以通过3D打印正确认识双螺杆压缩机的内部结构、吸排气口的开设位置及工作过程。

以所设计的阴阳螺杆转子为例。先准备好3D打印机，再将阴阳螺杆转子的三维模型转换成STL 文件，并在3D打印机相关软件中打开三维模型（STL 文件），检查并确定打印方向后开始分层，最后完成阴阳螺杆转子的3D打印，如图4 所示。

图4 阴阳螺杆转子的3D打印实物图

3 双螺杆压缩机整机的虚拟装配与仿真

3.1 双螺杆压缩机组成零件的爆炸图

学生在三维软件中将装配好的双螺杆压缩机整机进行拆解，制作爆炸视图，可以完整反映整台压缩机的各个零件。在此过程中，学生可以观察到压缩机内部的结构、各个零件的安装位置和装配关系。对螺杆转子建模完成后，打开提前预制的零件库，开始进行压缩机的整机装配。新建一个装配体文件，插入机壳作为固定件。接着插入零部件，将剩余的零件导入到装配体文件中，具体步骤如下：

（1）装配阴阳螺杆转子。①为阴阳螺杆转子的端面添加共面配合。②为阴阳螺杆转子添加齿轮配合关系，确定好正确的啮合位置后，设置转速比（如4∶6）。此时，阴阳螺杆转子已经可以进行正确的啮合运动。③将阴阳螺杆转子与机壳添加共面、同轴等配合关系，使螺杆转子能够正确的装配于机壳中。

（2）装配轴承、油封等部件。将轴承、油封、密封圈等部件装配于相应位置。

（3）装配端盖、轴承盖。先将共面等配合关系添加于机壳与端盖、轴承盖中，使它们正确地装配于机壳内。然后将螺栓、定位销等连接件装配于相应位置。双螺杆压缩机装配完成后如图5 所示。

图5 装配完成的双螺杆压缩机剖面图

打开装配图，选择“爆炸视图”选项，按照顺序拆解压缩机各零部件，拖动到合适的位置，制作能清晰反映压缩机各零部件装配关系的爆炸图，如图6 所示。

图6 双螺杆压缩机的爆炸图

3.2 双螺杆压缩机机组系统的虚拟装配

双螺杆压缩机机组系统主要由电动机、联轴器、压缩机主机、气路系统、油路系统、流量调节系统、冷却水、自动调节和保护系统等组成。双螺杆压缩机主机的阳螺杆通过联轴器与电动机直联；被压缩气体经进气过滤器，进入压缩机的吸气腔，通过阴阳转子的回转啮合，完成吸气、压缩和排气过程，并在压缩过程与喷入的润滑油混合；经压缩后的油气混合物依次被排入粗油气分离器和细油气分离器中，洁净气体被送入使用系统，润滑油循环使用。

将设计的螺杆压缩机机组全部组成三维模型并进行优化和渲染，按照装配关系，实现虚拟装配，如图7所示。由此可实现双螺杆压缩机机组全部组成部件的虚拟拆装。

图7 双螺杆压缩机机组拆装虚拟仿真

4 双螺杆压缩机工作过程的仿真模拟

双螺杆压缩机工作过程的仿真包括阴阳螺杆转子的运动仿真和气体增压过程模拟仿真。在三维软件中模拟压缩机的工作过程，将机壳半透明化以观察内部螺杆转子的瞬时运动状态，将气体压力以可视化的形式展示。方便学生观察整个工作过程：气体被吸入并填满齿间容积、齿间容积减小的气体被压缩过程、齿间容积与排气口连通后气体被排出过程。定量地观察气体压力的变化规律。

4.1 螺杆转子的运动仿真

采用运动仿真功能可以实现对压缩机的运动仿真。在装配文件中，选择“新建运动算例”进入设置界面，选择“电动机”，选择需要电动机驱动的零件及电动机转动方向。在该双螺杆压缩机中，选择阳螺杆转子为驱动零件，回转方向为顺时针，设置电动机转速。建立运动后观察运动仿真过程，能够清晰地看到阳螺杆转子在在机壳内腔带动阴螺杆转子运动的过程，如图8 所示。

图8 螺杆转子的运动仿真

同时，可以对齿间容积进行可视化处理，可以使学生清晰地观察双螺杆压缩机工作过程中齿间容积大小的变化规律，其压缩过程的齿间容积及最小齿间容积如图9 所示，从而更为深入理解双螺杆压缩机的气体压缩过程。

图9 双螺杆压缩机的齿间容积

4.2 气体增压过程模拟仿真

通过对双螺杆压缩机进行数值模拟，计算其工作过程中气体状态参数如压力在不同时刻的变化规律。

（1）对阴阳螺杆转子及其流体域进行三维建模，如图10 所示。

图10 转子和流体域三维建模

（2）对阴阳螺杆转子和流体域分别进行网格划分，如图11 所示。当阴阳螺杆转子和流体域的网格质量合格后便可进行计算。

图11 阴阳螺杆转子和流体域的网格

（3）通过数值模拟软件对其进行数值模拟，计算结束后对计算结果进行分析。工作过程中各时刻的压力分布如图12 所示。可见，工作腔内气体压力从进气口到排气口逐渐增大，压力最大位置位于排气口和与排气口相连的工作腔内，从与排气口相连的工作腔到排气口管路内的压力上升明显。工作腔内压力以两螺杆转子间的接触线形成的侧向密封和螺杆转子与机壳壁形成的周向密封为分界线呈阶梯状分布。从进气口到排气口，气体在工作腔内被压缩，使其压强升高，同时气体在啮合间隙处从压力较高的工作腔向压力较低的工作腔泄漏。

图12（a）时刻为初始时刻，此时吸气过程即将开始。图12（b）时刻吸气腔与吸气管路连通，吸气腔开始吸气。从图12（c）～（h）可以清楚地看出，随着主轴转角的变化，吸气腔容积增加；而压缩腔容积减小，其腔内的气体压力升高。

图12 双螺杆压缩机的压力分布

在双螺杆压缩机的吸气口、排气口、吸气腔、压缩腔和排气腔内设置监测点。通过对双螺杆压缩机进行仿真模拟计算，测得其排气量、各工作腔内的气体压力，最终获得压缩比、排气量、指示功率和容积效率等数据。学生可以更加清晰地且定量地掌握双螺杆压缩机的工作过程和性能指标。

5 结语

（1）在流体机械实验教学中，由于流体机械的实体运转，学生难以观察其内部结构和工作过程，教学效果不理想。针对流体机械教学实践中存在的学生缺乏感性直观理解、实验过程中安全风险大、实验成本高等问题。以流体机械中的双螺杆压缩机为例，基于其核心部件螺杆转子的设计，构建了一套双螺杆压缩机虚拟仿真实验教学系统，设计了虚拟仿真的实践教学方法。

（2）所构建的双螺杆压缩机虚拟仿真实验教学系统，具有学生参与度高、模型制作便捷、运动仿真直观等特点。不但有利于学生直接观察和理解双螺杆压缩机的工作原理和组成结构，更有利于培养学生的动手能力和主动学习能力。学生参与核心部件阴阳螺杆转子的设计与三维建模过程，便于学生理解双螺杆压缩机的设计思路，更能深入地理解双螺杆压缩机的工作过程，培养了学生的工程师思维。所提出的教学方法解决了目前流体机械课程教学中知识抽象、学生缺乏实践、实验不够直观的问题，为流体机械课程理论教学和实验教学提供了新的思路。

（3）学生通过核心部件阴阳螺杆转子的设计和三维建模、3D打印、双螺杆压缩机三维爆炸图的制作、压缩机组的虚拟拆装、工作过程的仿真模拟等教学环节，清晰直观地认识到双螺杆压缩机的内部结构，正确理解双螺杆压缩机的工作特性，提高了学生的工程实践意识和空间想象能力。所构建的双螺杆压缩机虚拟仿真实验教学系统对于提高流体机械的实验教学质量和流体机械实验室建设都发挥了良好的作用。