基于SolidWorks的壓縮機參數化設計及動平衡分析

柏子剛

（桂林電子科技大學信息科技學院， 廣西　桂林　541004）

引言

隨著CAD技術的不斷發展，SolidWorks軟件憑借強大的設計功能和參數化設計優勢，在壓縮機設計中得到了廣泛應用。為減少壓縮機設計過程中的重復勞動，縮短開發周期，降低開發成本，對活塞壓縮機進行參數化設計，具有非常重要的工程意義和實用價值。本文在SolidWords環境下，利用二次開發技術對壓縮機進行參數化設計，并對曲軸進行相應的動平衡計算分析，使曲軸零件達到動平衡的要求，從而達到減震和提高壓縮機壽命的目的。

1　基于SolidWorks壓縮機參數化設計

SolidWorks作為一款優秀的設計軟件，提供了很多 API（Application Program Interface）函數，開發者可以利用這些API函數，直接訪問SolidWorks，利用支持 OLE 和 COM 的 Visual Basic、VBA、Visual C++和Delphi等編程語言作為開發工具，對這些API函數進行調用，從而實現零件參數化設計[1]。在這些編程語言中，Visual Basic由于自身可視化和簡單易學的特點[2]，在利用SolidWorks進行產品的參數化設計中得到較多的應用。在VB環境下，基于SolidWorks參數化設計有兩種方式，一種是設計變量和編程語言相結合的設計方式，一種是完全編程設計[3]。其中第一種是利用SolidWorks提供的宏錄制功能，得到零件三維建模的宏代碼，將這些宏代碼在VB環境中進行編輯修改和優化，進而實現零件的參數化設計。本文在VB 6.0環境中，采用編輯宏代碼的方式對壓縮機各個組件（活塞、連桿、氣缸和曲軸四個組件）分別進行了相應參數化設計。并將壓縮機設計程序作為一個獨立的應用程序（格式為“壓縮機.exe”），利用新建宏方式將壓縮機設計程序添加到SolidWorks中，完成SolidWorks的控制和操作。壓縮機參數化設計主界面如圖1所示，分為四個菜單，每個菜單都有相應的下拉菜單，例如點擊“曲軸”菜單中的“曲拐軸”，就會進入圖2所示的曲軸設計界面。

圖1　壓縮機參數化設計主界面

2　壓縮機曲軸參數化設計過程

活塞壓縮機有活塞、連桿、氣缸和曲軸四個組件，每個組件又有若干零件，其參數化設計具有一定共性，因此以典型零件曲軸為例說明壓縮機參數化設計的過程，曲軸參數化設計過程如下。

1）以反映曲軸特征的尺寸參數作為主要參數（圖2界面中的輸入參數即為主要參數），并以此作為設計變量。

2）分析要建立的曲軸模型，在VB環境下，根據設計意圖創建窗體界面，創建的曲軸設計界面如圖2所示。

3）編寫曲軸參數化設計程序代碼。在SolidWorks 2012環境下，利用宏錄制功能把曲軸三維建模的過程錄制成宏文件。然后在VB6.0環境中對宏代碼進行編輯修改，找出關鍵函數和關鍵常數，并對程序進行優化。編寫曲軸參數化設計程序代碼關鍵環節有以下四點：首先，定義變量；其次，建立VB與Solid-Works的互聯；再者，將變量參數值賦予曲軸建模；最后，將程序添加到SolidWorks。其中建立VB與SolidWorks的互聯的關鍵代碼如下[4]：

4)通過在圖2設計界面中輸入參數自動生成曲軸的三維模型。點擊“模型創建”后，運行結果如圖3所示。

圖2　曲軸設計界面

圖3　曲軸三維模型

4　曲軸動平衡分析

平衡計算可以分為靜平衡計算和動平衡計算兩種形式。對于曲軸這種軸向尺寸較大的零件，偏心質量分布于若干個不同的回轉平面內，會產生慣性力偶，進而引起噪音和振動，降低壓縮機壽命，所以曲軸的動平衡計算變得尤為重要。

本文利用SolidWorks的SolidWorks Simulation插件對曲軸進行動平衡計算。具體操作步驟如下[5]：

1）打開SolidWorks Simulation插件；

2）新建一個靜態算例；

3）添加夾具：選擇圖3中兩個軸頸（安裝軸承的軸段）面為“固定鉸鏈”夾具；

4）添加外部載荷為“離心力”，選擇“曲軸的回轉中心線”為參考，給定1500r／min的轉速（以原動機的轉速而定）。

5）右鍵點擊“網格”，然后點擊“生成網格”，生成的網格如圖4所示。

圖4　生成網格

6）點擊Simulation菜單中的“運行”，計算完成后右鍵點擊“結果”，選擇“列舉合力”。在合力對話框中選擇“反作用力”，在要列舉的“面、邊線或頂點”選擇框中，選擇圖4添加固定鉸鏈的兩個面，點擊按鈕“更新”，這時在“反作用力（N）”處能得到一個表格，里面列舉了反作用力的具體數據。如圖5所示。

圖5　列舉合力結果

整個模型的合力為419.06N，說明整個曲軸模型有較大的反作用力，動不平衡現象明顯，需要對曲軸在結構上進行修改調整，然后再運用如上步驟進行運算，用此法逐漸“修改—計算—再修改-再計算” 的方式，得到滿足設計精度的曲軸。滿足設計精度的曲軸運行結果如圖6和圖7所示。圖6和圖3對比在結構上做了修正。

圖6　兩個支撐位置反作用力具體數值

圖7　修正后的列舉合力結果

5　結論

由于CAD技術的不斷發展，加之SolidWorks在功能設計及二次開發方面所展現出的優越性，得到越來越多設計人員的青睞。本文利用SolidWorks二次開發技術實現了壓縮機的參數化設計，并利用SolidWorks的自帶插件SolidWorks Simulation完成了曲軸的動平衡分析，從而減少壓縮機設計過程中的重復勞動，縮短了開發周期，降低開發成本，同時達到減震和提高壓縮機壽命的目的。

[1]陳毅.基于SolidWorks二次開發的齒輪參數化系統設計[J].機械制造與研究，2009（2）：26-28.

[2]明日科技.Visual Basic從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]邰金華，上官同英，孔垂雨.基于SolidWorks的帶式輸送機標準件庫二次開發[J].煤礦機械，2012（2）：211-213.

[4]索超，李玉翔，林樹忠.基于VB語言對SolidWorks參數化設計的二次開發[J].制造業自動化，2013（8）：137-139.

[5]程娟，席久恒，蘭翼，等.SolidWorks在機械平衡計算上的應用[J].農業裝備與車輛工程，2011（8）：42-46