浮選機關鍵零件的參數化設計

孟慶當,丁戰友,楊善來,談國榮,董玉德

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009;2.銅冠礦冶設備公司,安徽 銅陵 244000)

0 引 言

隨著三維CAD軟件的快速發展,針對三維CAD軟件的二次開發越來越普及.對三維設計軟件進行二次開發可以有效降低設計成本,避免重復性設計,提高設計效率.當前主流的設計軟件,如SolidWorks、UG、Pro/E等都提供了二次開發接口(API),使用戶能在軟件本身功能的基礎上開發出專用的功能模塊,滿足特定的要求.而SolidWorks作為一套基于Windows的三維CAD桌面集成開發軟件,由于其操作簡單,功能強大,且具有很好的開放性和兼容性,近年來SolidWorks得到了越來越廣泛的運用.以SolidWorks為平臺的針對不同機械產品的二次開發也越來越普遍.

浮選機是礦物加工過程的核心裝備之一,世界上90%的有色金屬和50%以上的黑色金屬礦物采用浮選法處理[1].國內外對浮選機的研究、設計、制造和應用一直非常重視.但由于在浮選機設計過程中,設計周期較長,重復性設計較多,浮選機設計效率很難滿足市場的需求,這就需要一種新的設計方法來盡量縮短設計周期,減少重復設計以提高設計效率,進而滿足市場的需求.而對三維設計軟件SolidWorks進行二次開發,開發出專用浮選機參數化設計模塊,結合浮選機大型化技術以及數據庫技術,有助于提高浮選機的設計效率,減少重復性設計并且利于浮選機的系列化.

1 浮選機結構設計

1.1 設計原理

SolidWorks API 也稱為SolidWorks應用程序開發接口,是指SolidWorks程序暴露給開發人員使用的接口,接口為用戶提供了自由、開放、功能完整的開發工具,其中包含了大量的功能函數.開發人員可以通過調用這些功能函數實現所需要的功能,如生成拉伸特征、生成草圖等[2].SolidWorks二次開發接口(SolidWorks API)有良好的開發性和兼容性.而任何支持OLE(Object Linking and Embedding,對象的鏈接與嵌入)和COM(Commponent Object Model,組件對象模型)的編程語言都可以作為SolidWorks的開發工具，如VBA、VB、VC++等開發工具.由于SolidWorks系統本身是由VC++開發的,使用VC++對SolidWorks進行二次開發可以提高軟件本身的兼容性,開發出的模塊可以很好地嵌入到SolidWorks中而不會出現排斥,實現SolidWorks與VC的無縫集成.因此本研究以VC++6.0作為開發工具.SolidWorks二次開發分為兩種:一種基于自動化技術,可以開發EXE形式的程序;另一種開發方式基于COM技術,可以生成動態鏈接庫(*.dll)程序,將功能嵌入到SolidWorks菜單欄中,作為SolidWorks的一個插件.本研究采用后一種開發方式,即生成動態鏈接庫.

1.2 浮選機結構及設計

XCF型自吸漿充氣機械攪拌式浮選機結構如圖1所示,主要由U形槽體、空心主軸、軸承體、對開式中心筒、對開式圓盤形蓋板以及葉輪定子系統等部分組成.軸承體安裝在兼做氣道的橫梁組件上.

圖1 XCF型浮選機結構

浮選機的參數化設計分為3個步驟:

(1) 主軸部件的參數化設計 在主軸部件中,選定葉輪、軸承為關鍵零件,其尺寸為主動尺寸,其他零件尺寸與之關聯,實現主軸部件的整體尺寸驅動及設計.其中軸承為標準件,將國家標準數據輸入相應的數據庫即可實現軸承的快速生成.浮選機中使用的葉輪尺寸尚無國家標準,可根據經驗公式對其進行參數化設計計算.

(2) 槽體部件的參數化設計 在槽體部件中,浮選機容積主要由U形槽控制,因此,選定U形槽為槽體部件的關鍵零件.以U形槽的尺寸變動驅動其他零件尺寸變動,U形槽尺寸以總結出的經驗公式進行設計,使浮選機容積變化進而實現整個槽體的設計.

(3) 浮選機主機整體設計 當主軸部件、槽體部件設計完成后,則將二者裝配,然后對其他輔助零部件進行設計即完成浮選機主機的整體設計.

浮選機整機裝配采用自下而上的裝配體設計思路,即在自下而上的設計中,首先生成零件并將其插入裝配體,然后根據設計要求配合零件.因為配合的零部件是獨立設計的,它們的相互關系及重建操作比較簡單和快捷,也就是說,當要修改配合零部件中的特征和尺寸時,可以直接打開相關聯的零部件文件,對零件實體進行編輯.此時,系統會將零部件的編輯操作直接作用于裝配體中,這種操作方式可以很好地保持設計者的設計意圖與連貫性.

在裝配體中選出關鍵零件以及零件的關鍵尺寸.關鍵零件是整個零部件的核心零件,利用SolidWorks方程式功能,使其他零件尺寸與關鍵零件尺寸直接或者間接關聯.以關鍵零件的關鍵尺寸為主動尺寸,其他與之關聯的零件尺寸為被動尺寸,在裝配體中,當對關鍵零件進行參數化設計時,關鍵尺寸根據設計需要以一定的放大(縮小)規則變動,則與之相關的零件尺寸也隨配合關系作出相應調整,使裝配關系依然成立.這樣,只需對關鍵零件進行重點設計,其他非關鍵零件尺寸視情況修改即可,這樣就大大提高了浮選機整體的設計效率.

2 關鍵零件的設計及相似準則

系列化產品設計實際上就是在原型產品設計的基礎上,參照相似學的相關原理,根據相似規律,計算出系列中其他規格零件或產品的尺寸、性能等參數,進行序列拓展.而“系列化設計準則”就是研究新型和原型兩個相似系統之間的關系,分析參數構成,進而推導出參數之間的相似準則或者相互轉換關系,并應用該準則或關系指導新的設計.將相似理論應用于產品的系列化設計中,最便捷的方式就是將新型與原型之間的相似準則直接或間接地應用到機械設計過程中,把系列化產品與已有的單一產品作為相似系統,這樣,相似理論就為產品的系列化提供了重要的理論依據[3].

根據相似系列化設計理論,在主軸部件裝配體中選擇葉輪為關鍵零件,在槽體部件裝配體中選擇U形槽作為關鍵零件.對關鍵零件進行參數化設計時,根據一定的相似準則對關鍵零件進行放大,浮選機放大的關鍵在于依據相似學相關知識選擇放大因子以及放大準則,不同的浮選機由于其工作原理、操作參數和適用范圍的不同,其采用的放大因子和放大規則也不相同.

機械結構相似即保持浮選機的關鍵部件幾何形狀相似,包括槽體相似和葉輪攪拌機構相似.槽體相似和葉輪相似是浮選槽中懸浮相似和流體動力學相似的前提.表1為XCF型自吸漿充氣機械攪拌式浮選機主要結構技術參數.

表1 XCF型浮選機技術參數

2.1 葉輪的設計及相似準則

葉輪是機械攪拌式浮選機的關鍵部件,擔負著攪拌并循環礦漿及吸入并分散空氣的作用.其設計與制造質量決定浮選機的機械性能與浮選工藝性能[4].

葉輪相似放大時,需要尋找葉輪的關鍵參數及其與浮選槽容積間的關系.最能體現葉輪性質的關鍵參數為葉輪直徑,圖2為根據表1擬合出的葉輪直徑與槽體容積間關系圖,從圖2可以看出,葉輪直徑與浮選機槽體容積呈冪函數關系,因此浮選機放大時可采用葉輪直徑為葉輪形狀放大的放大因子,其相似放大準則為

D=a1Vb1.

(1)

式中D為葉輪直徑;V為槽體容積;a1，b1為槽體結構相關的系數.可通過同系列浮選機葉輪數據擬合確定.通過對同系列浮選機結構數據,應用MATLAB對數據進行擬合,計算出a1=0.398 2,b1=0.279 1.因此,葉輪放大規則為

D=0.398 2V0.279 1.

(2)

2.2 槽體的設計及相似準則

為避免礦砂堆積,有利于粗礦粒向槽中心移動以便返回葉輪區再循環,減少礦漿短路,一般將浮選機槽體設計成“U”型.對于充氣機械攪拌式浮選機槽體適當加深,深槽可降低主軸攪拌功率,易實現大型化;浮選槽容積相同時,深槽占廠房面積小,可減少投資[5].因此,充氣機械攪拌式浮選機一般采用深槽結構.

一般浮選機槽體放大方法,均以保持葉輪直徑與槽體橫截面特征尺寸的比值不變的方法進行放大.圖3為槽體截面積與葉輪直徑比值和槽體容積間的關系,從圖3可以看出，槽體橫截面面積與葉輪直徑的比值和槽體容積間呈冪函數關系,因此浮選機槽體放大時采用截面積與葉輪直徑的比值為放大因子,其放大規則為

S/D=a2Vb2.

(3)

式中S為橫截面面積;D為葉輪直徑;V為槽體容積;a2,b2為與槽體結構相關的系數,可通過同系列浮選機結構數據擬合確定.

通過對同系列浮選機結構數據,應用MATLAB對數據進行擬合,計算出a2=2.387,b2=0.382 3,因此,得出槽體放大規則為

S/D=2.387V0.382 3.

(4)

圖2 葉輪直徑與槽體容積間關系 圖3 槽體截面積與葉輪直徑比值和槽體容積間關系—+—原始數據；——擬合曲線

3 關鍵零件參數化設計

3.1 葉輪參數化設計

圖4所示為葉輪參數化設計界面,在葉輪的設計計算中,槽體有效容積是指槽體實際處理礦漿的能力,輸入槽體有效容積V后,則根據式(2)計算出葉輪直徑D,計算出葉輪直徑后,根據葉片高度與直徑之間一定的比例關系計算出上下葉片高度.葉輪外形尺寸計算出后,其他尺寸部分與其他零件尺寸關聯,部分尺寸可根據需要適當修改,則對葉輪的參數化設計放大過程完成,當然,由于式(2)是擬合公式,因此,計算出的數據應適當修正并進行優化,對于成熟的可行的尺寸,可單擊【新建】按鈕存至數據庫列表中,這樣利于葉輪的系列化.

圖4 葉輪參數化設計界面

葉輪設計計算部分程序如下所示:

void thirtydlg::OnCalculator()

{ UpdateData(TRUE);

…

m-D=static-cast(0.3982*pow(m-V,0.2791)*1000);//計算葉輪直徑

m-b=0.4*m-D;//計算高度

double L1;

L1=m-D/2;

m-L1.Format("%.1f",L1);

double H5;

H5=0.22*m-b;

m-H5.Format("%.1f",H5);

double H6;

H6=0.3*m-b;

m-H6.Format("%.1f",H6);

double H7;

H7=0.34*m-b;

m-H7.Format("%.1f",H7);

double D1;

D1=0.552*m-D;

m-2R1.Format("%.1f",D1);

double D3;

D3=0.41*m-D;

m-2R3.Format("%.1f",D3);

int R2;

R2=static-cast(0.94*m-D/2*10+0.5f);

double r2;

r2=R2/10;

m-R2.Format("%.1f",r2);

UpdateData(FALSE);

}

3.2 U形槽參數化設計

圖5為槽體部件U形槽參數化界面.

圖5 U型板參數化界面

圖5中，n=V1/V.其中，n為槽體有效容積系數;V1為槽體的有效容積;V為槽體的幾何容積.幾何容積包括有效容積以及葉輪、定子、槽底死角等所占用的體積.輸入槽體有效容積系數以及槽體有效容積后,則根據式(2),(4)可以計算出槽體橫截面積S.根據表1數據,可知槽長L=2R,且槽體長寬尺寸相等，即S=L2,因此可以計算出槽長L以及U形板半徑R,在計算槽體深度H時應使用槽體的幾何容積進行計算.槽體設計計算程序如下:

void eighteendlg::OnCalculator()

{ UpdateData(TRUE);

if(m-n==0)

{AfxMessageBox("請輸入有效容積系數n");

return;}

if(m-V1==0)

{AfxMessageBox("請輸入有效體積V1");

return;

}

double V2;

V2=m-V1/m-n*pow(10,9);

double Dx;//葉輪直徑

Dx=0.3982*pow(m-V1,0.2791)*pow(10,3);

double Sx;//槽體截面積

Sx=2.7215*pow(m-V1,0.4326)*Dx*pow(10,3);

double Lx;//槽體長度

Lx=sqrt(Sx);

m-L.Format("%.1f",Lx);

double R;//U形槽半徑

R=Lx/2;

m-R.Format("%.1f",R);

double Sa;//槽體端面面積

Sa=V2/Lx;

double S1;

S1=3.14*pow(R,2)/2;

double S2;

S2=Sa-S1;

double H2;

H2=S2/Lx;

double H;

H=R+H2;//計算槽體高度

m-H.Format("%.1f",H);

UpdateData(FALSE);}

4 結束語

本文介紹了以SolidWorks為開發平臺,以其二次開發技術為基礎,結合相似學有關知識提出關鍵零件相似準則,對浮選機關鍵零件進行相似放大,根據設計思路實現整個裝配體的放大.通過對關鍵零件進行設計計算并參數化,進而實現整個裝配體的快速建模,有助于浮選機的系列化.同時也對浮選機的設計方法進行了一定的探索.在企業產品設計開發過程中,運用參數化的方法與實際相結合,可以開發出符合自身需要的變量化模型,這將極大地提高設計效率,縮短產品開發周期,具有較強的現實意義.

參考文獻：

[1] 沈政昌.浮選機理論與技術[M].北京:冶金工業出版社,2012:5-35.

[2] 王文波,涂海星,熊君星.Solidworks2008二次開發基礎與實例[M].北京:清華大學出版社,2009:59-90.

[3] 張偉.非標機械產品系列化設計準則及工程應用研究[D].鄭州:鄭州機械研究所,2011:30-53.

[4] 沈政昌,盧世杰,楊麗君.KYF系列大型浮選機的研制開發與應用[J].有色金屬,2008,60(4):116-117.

[5] 沈政昌,劉振春.XCF自吸漿充氣機械攪拌式浮選機[J].礦冶,1996,5(4):42.