基于SolidWorks的頁巖氣吸附解吸設備研究與開發

摘要：頁巖氣是吸附在有機頁巖中的一種非常規氣體，是重要的工業能源之一，為有效利用和開發頁巖氣資源，需要對頁巖氣的吸附解吸特性進行研究。目前，國內使用的吸附解吸設備較為原始，設備簡陋，設備精度和使用效率較低，隨著科技的不斷進步和發展，為實現現代工業技術領域的設備改造，不同學科交融性越來越明顯，微電子技術和物聯網技術向工業設備方向不斷滲透，工業產品越來越智能化。現基于SolidWorks進行設備的參數化建模設計，通過三維建模、虛擬裝配、仿真演示，并利用物聯網技術實現數據信息交換和共享，使設備更加智能化、信息化。

關鍵詞：SolidWorks;建模設計;物聯網技術

0 ? ?引言

頁巖氣的組成主要包括吸附氣、游離氣和溶解氣，在這些組成成分中，吸附氣占比較大，大部分頁巖氣體通過吸附的方式存在，有機頁巖對吸附氣的吸附量較高，通常可達20%～80%。因此，研究頁巖氣的吸附解吸量對頁巖氣藏量資源的評價尤為重要，同時也是頁巖氣資源開發利用必不可少的一個環節。

1 ? ?設計技術路線

本文運用現有國家標準和行業標準對頁巖氣吸附解吸特性進行研究，結合有關企業關于頁巖氣吸附解吸實驗的作業指導書進行分析，通過對有機頁巖樣品進行氣體吸附解吸實驗，得出有機頁巖對氣體的吸附解吸特征，然后在國家標準和有關作業指導書的基礎上進行分析設計，運用SolidWorks軟件進行吸附解吸實驗裝置的三維建模，并通過機電仿真設計構建機械三維設計框架，設計完成后進行虛擬裝配及仿真演示，最后通過物聯網技術進行機電遠程控制。具體設計技術路線如圖1所示。

2 ? ?方案設計

目前頁巖氣現場解吸工作主要是通過排水集氣裝置進行，人工在現場讀取并記錄相關數據，后期對數據進行分析處理，最后作出相應的評價報告。而這樣的工作方式大大增加了人力成本，需要多人輪流值班，同時，傳統的排水集氣裝置通過一套設備進行組裝，需要恒溫水浴鍋、大氣壓表、溫度計、集氣管等設備，這些設備通常要帶到野外進行現場解吸實驗，繁多笨重，攜帶非常不方便，安裝繁瑣，增加了很多不必要的工作，導致工作效率較低。

隨著科技的進步和產業的發展，傳統的頁巖氣解吸裝置已不能滿足工作需求，為提高生產效率，降低勞動強度，提高檢測結果的準確性和認可度，設計一種便攜式的全自動現場解吸裝置尤為重要。全自動現場解吸裝置的設計主要運用SolidWorks進行，通過虛擬數字化的設計方式，結合現代信息技術，將虛擬三維建模運用到整個裝置的設計中，實現新產品的設計開發。

SolidWorks是現在主流的三維機械設計軟件，基于Windows系統進行開發，內部集成了三維機械設計（CAD）、結構有限元分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）、大型企業管理（PDM）和機構運動仿真分析等模塊。SolidWorks模塊化，易學易用，廣泛應用于航空航天、機械、交通等領域。

2.1 ? ?建模設計

SolidWorks的建模常用命令有草圖繪制、拉伸切除、鏡像、基準面建立、放樣、旋轉切除等，通過這些命令操作來實現對產品各個零件的建模設計，通過修改尺寸數據和幾何關系實現參數化建模。

在三維建模中，首先進行零件設計，即繪制各零件草圖。草圖繪制是三維實體造型的基礎，通過草圖繪制命令使直線、圓弧、矩形等幾何元素構成二維平面幾何圖形，再通過三維特征命令轉化為三維模型，進而完成三維實體建模。

2.2 ? ?虛擬裝配

零件設計完成后進行虛擬裝配，虛擬裝配是將單個零件組成一個完整的、能夠實現設計要求的三維機械設備整體模型。先通過SolidWorks的裝配模塊新建一個裝配圖，將繪制好的三維零件模型添加到新建的裝配圖內，通過添加兩個零件間的裝配關系，實現零件與零件的配合或者零件與裝置的配合。SolidWorks裝配關系主要包括重合、同心、平行等，通過該配合關系來定義部件間的運動連接關系，從而形成一個完整的裝配圖。

2.3 ? ?布線模型

通過設備的控制設計，完成設備的控制系統，電路設計的2D制圖可以通過在elecworks中完成;通過SolidWorks與elecworks 3D Layout模塊相適配，兩者進行有效融入，可以將平面原理圖中的元器件添加到SolidWorks的模型中，通過elecworks的布線附加模塊，根據布線圖和接線情況，在SolidWorks中設計布線模型如圖2所示。

2.4 ? ?物聯網模塊

物聯網模塊是按照有關通信協議，將設備與網絡進行有效連接，實現設備的信息交換和數據共享，使設備實現智能識別、自動監測監控，實現設備的智能管理。

物聯網模塊按有關通信協議進行分層設計，從底層到頂層分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。按頁巖氣吸附解吸量的特征，將物聯網模塊按設備層、控制層和管理層進行模塊劃分，實現設備信息交換。

物聯網以射頻識別、產品電子代碼和ZigBee技術為主導。經過無線傳感器網絡（WSN）傳輸上來的數據，與互聯網相結合，將數據傳輸到最上層。應用層提供各種數據接口，并且有分布處理技術、云計算和海計算平臺、數據融合技術等技術支持，對海量數據進行分析和處理。

便攜式的全自動現場解吸裝置的開發利用ZigBee技術實現短距離無線通信，該技術可靠性高、功耗低、速率低、成本低，能保證傳感器網絡的安全，主要基于IEEE 802.15.4標準，利用RF發射功率或通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離可實現無限擴展。

2.5 ? ?控制模塊

裝置系統采用可靠性高的西門子S7-200可編程序控制器進行編程，使用現有組態軟件設計人機交互界面，將頁巖氣的各項行業標準、傳感器測量國家標準等融入系統的設計過程，結合網絡技術和無線傳輸技術，實現對頁巖氣巖心解吸吸附特性的遠程在線監測。系統開發的最終目標是將C/S和B/S體系結構模式相結合，融合兩者的優點，完成對設備狀態的查詢和監督。

3 ? ?結語

本文基于SolidWorks進行設備的參數化建模設計，通過三維建模、虛擬裝配，搭建了虛擬仿真環境，完成了機電一體化虛擬原型，并利用物聯網技術實現數據信息交換和共享，建立起“機械—物聯”的基本設計架構;通過可編程序控制器進行控制系統設計，將現有標準公式融入系統控制，實現設備的自動檢測與監測，使設備更加智能化、信息化。

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收稿日期：2020-07-27

作者簡介：穆記永（1991—），男，云南人，助理工程師，研究方向：機電。