基于螺桿設(shè)計的雙螺桿壓縮機虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建

王 君，孫卓輝，王增麗

（中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

流體機械課程如過程流體機械、泵與壓縮機、泵與風(fēng)機等，具有應(yīng)用性強、實踐性強、內(nèi)容覆蓋面寬等特點，是過程裝備與控制工程、油氣儲運工程、熱能工程、石油工程等專業(yè)的核心專業(yè)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課。在教學(xué)中需要培養(yǎng)學(xué)生掌握多種流體機械的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、性能特點和工程應(yīng)用等方面的知識，從而使學(xué)生未來能夠從事各種類型流體機械的操作管理、使用選型、維修維護、設(shè)計改造和科研開發(fā)等工作。這就需要學(xué)生不但要掌握堅實的理論基礎(chǔ)，還要具有工程實踐意識、解決實際問題的能力和研究創(chuàng)新能力。因此流體機械課程中的實驗教學(xué)在學(xué)生培養(yǎng)中具有重要的作用。

由于流體機械具有運動部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作過程難以理解和運行環(huán)境高危等特點，在傳統(tǒng)利用流體機械真機運轉(zhuǎn)的實驗教學(xué)中存在一定的問題。以雙螺桿壓縮機為例，在運行中具有“黑箱”的特點，實驗人員只能測量其進排氣處的運行參數(shù)，而無法觀察其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子運動，也無法測量其內(nèi)部流體的增壓過程。因此，學(xué)生對其內(nèi)部的齒間容積變化、壓縮氣體過程缺乏直觀感性認識；導(dǎo)致學(xué)生難以理解其結(jié)構(gòu)和工作特性。此外，雙螺桿壓縮機的排氣溫度和排氣壓力通常較高，實驗環(huán)境較危險；實驗運行過程中產(chǎn)生的噪聲較大，對指導(dǎo)教師和學(xué)生的聽力及身心都會有影響；有油潤滑的雙螺桿壓縮機還需要經(jīng)常更換潤滑油，運行維護成本較高。因此雙螺桿壓縮機的真機運行實驗風(fēng)險較大，采用虛擬仿真實驗教學(xué)可有效解決以上問題。

虛擬仿真由于其使用成本低、仿真效果強、安全系數(shù)高及學(xué)習(xí)趣味濃等特點而得到廣泛應(yīng)用［1-2］。在我國一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心和實驗室被建立起來［3-4］。董桂偉等［5］開發(fā)了一套跟蹤剪切機的虛擬仿真設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有零部件的快速設(shè)計、設(shè)計環(huán)境直觀、自由度大的特點。朱新杰等［6］研究了在工業(yè)機器人實驗課程中開展虛擬仿真和實踐操作結(jié)合教學(xué)的方法，又設(shè)計了一個基于工業(yè)機器人的物料搬運實驗。這種結(jié)合既充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動性，又能避免實驗完全虛化而造成的與實際脫節(jié)，同時豐富了實驗內(nèi)容，提高了實驗效率。曾令艷等［7］針對燃燒學(xué)課程理論教學(xué)中存在概念難理解、現(xiàn)象直觀性差和缺少前沿科學(xué)等問題，開發(fā)了采用旋流、直流和W火焰煤粉燃燒技術(shù)的火電站鍋爐的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

于立娟等［8］基于虛擬仿真設(shè)計了直線電動機的推力測試實驗，通過參數(shù)設(shè)置、模擬實驗過程、實物演示等步驟，使學(xué)生了解直線電動機的工作原理、動作過程及推力特性。方貴盛等［9］針對泵站性能測試實驗裝置，進行主要零部件的測繪與三維建模，設(shè)計了人機交互界面、可視化數(shù)據(jù)驅(qū)動機制，以及PLC 虛擬仿真控制系統(tǒng)。基于所開發(fā)的虛擬仿真實驗平臺，師生可開展多個泵站的性能測試實驗。李夢如等［10］總結(jié)并歸納了實現(xiàn)漸開線齒輪范成原理虛擬實驗的技術(shù)路線。閆莎莎等［11］論述了綜采工藝虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計、實操強化、實驗考核的方法；對虛擬仿真實驗教學(xué)過程和實驗教學(xué)效果開展跟進研究，并與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法進行比較和教學(xué)效果評價。結(jié)果表明：綜采工藝虛擬仿真實驗系統(tǒng)在場景展示、原理、綜采工藝實操和實驗考核方面有很大優(yōu)勢，調(diào)動了學(xué)生參與實驗的積極性和主動性，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。張穎等［12］以網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)平臺為基礎(chǔ)，綜合采用虛擬現(xiàn)實制作、Flash動畫仿真制作和3D 動畫制作相結(jié)合的方法，完成了“離心泵綜合性能測試”的設(shè)計。劉煥衛(wèi)等［13］設(shè)計了包括前端仿真教學(xué)系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)兩部分的壓縮機拆裝虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合，解決了實驗設(shè)備臺套數(shù)不足的問題，實現(xiàn)全員參與和達成。辛?xí)詵|等［14］針對學(xué)生在工程流體力學(xué)實驗課程學(xué)習(xí)中存在的學(xué)生基數(shù)較大、實驗任務(wù)量大、實驗課程時間相對緊張及現(xiàn)實實驗場地不足等問題，研究利用虛擬仿真實驗取代傳統(tǒng)的現(xiàn)實實驗，并介紹了虛擬仿真技術(shù)在流體力學(xué)實驗課程教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢。王江等［15］針對離心泵整體部件的虛擬仿真制作，實現(xiàn)了離心水泵的三維快速建模、導(dǎo)出二維圖紙和導(dǎo)出三維動畫的制作過程。

針對雙螺桿壓縮機這一典型的流體機械，設(shè)計了一套基于其核心部件陰陽螺桿轉(zhuǎn)子設(shè)計的雙螺桿壓縮機虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，包括4 部分內(nèi)容：①核心部件螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計與三維建模；②核心部件螺桿轉(zhuǎn)子的3D打印；③雙螺桿壓縮機整機的虛擬裝配與仿真；④雙螺桿壓縮機工作過程的仿真模擬。所提出的教學(xué)方法不僅有利于學(xué)生正確認識和掌握雙螺桿壓縮機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理、實現(xiàn)組成零件從靜態(tài)到動態(tài)仿真和實物演示、實現(xiàn)氣體增壓過程從定性到定量的描述，更有利于培養(yǎng)學(xué)生工程實踐意識和創(chuàng)新能力。對于提高流體機械課程的實驗教學(xué)水平和實驗室建設(shè)具有重要的意義。

1 核心部件螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計與三維建模

螺桿轉(zhuǎn)子是雙螺桿壓縮機的核心部件，是由端面型線沿著螺旋線掃描而成。通過向?qū)W生提供10 種常見的螺桿轉(zhuǎn)子端面型線［16］（見圖1），學(xué)生可自行選擇，再輸入中心距、螺桿長度、扭轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，構(gòu)建出陰陽螺桿的三維模型，完成螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計。由此學(xué)生能夠更為深入地理解螺桿轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)、明白不同端面型線對其性能的影響。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)子的10種常用端面型線

螺桿轉(zhuǎn)子端面型線不僅決定了雙螺桿壓縮機的工作腔的容積演變，還影響其吸氣、壓縮和排氣過程，是決定其性能的關(guān)鍵。在建立螺桿轉(zhuǎn)子三維模型前，要對螺桿轉(zhuǎn)子端面型線進行設(shè)計。其中原始對稱型線和雙邊對稱型線為第1 代型線，用于無油雙螺桿壓縮機；原始不對稱型線、單邊不對稱銷齒圓弧型線、Atlas-X型線、SRM-A型線為第2 代型線，其密封和潤滑效果好，螺桿轉(zhuǎn)子所受應(yīng)力小，常用于噴油式雙螺桿壓縮機；第3 代型線包括GHH 型線、SRM-D 型線、日立型線和復(fù)盛型線，由于第3 代型線使用了圓弧、曲線及其包絡(luò)線的設(shè)計，不僅增強了螺桿轉(zhuǎn)子的密封性，而且使?jié)櫥驮谵D(zhuǎn)子上易形成油膜；進而使得螺桿轉(zhuǎn)子的性能得到極大提升。

譬如有的人一喝牛奶就腹瀉，有的人一喝豆?jié){就脹氣，也有的人吃了蜂蜜就滑腸……這說明即使是有營養(yǎng)的食品，各人也都有個體質(zhì)適應(yīng)的問題。這里的關(guān)鍵是適應(yīng)，凡事適應(yīng)就好。飲食上如此，作息也是這樣。

螺桿轉(zhuǎn)子的三維建模過程包括以下步驟：

（1）選擇端面型線。以SRM-D端面型線為例，生成二維圖，如圖2 所示。

圖2 選擇螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線

（2）確定螺旋線。掃描生成相互嚙合的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子。陰陽螺桿轉(zhuǎn)子是沿著左旋和右旋兩條螺旋線生成的。在平面視圖中繪制出一條長度確定的螺旋線，選擇“掃描”命令，將端面型線設(shè)置為輪廓，螺旋線設(shè)置為路徑，選擇“輪廓扭轉(zhuǎn)”，根據(jù)實驗要求輸入相應(yīng)的螺桿轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)值。

（3）生成陰陽螺桿轉(zhuǎn)子。掃描后在材料設(shè)置中選擇相應(yīng)的材質(zhì)后，得到相互嚙合的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的三維模型，如圖3 所示。之后根據(jù)要求繪制轉(zhuǎn)子上的各個階梯軸，完成陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計和三維建模。

圖3 陰陽螺桿轉(zhuǎn)子

2 核心部件螺桿轉(zhuǎn)子的3D打印

將學(xué)生所設(shè)計的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子進行3D打印。通過嚙合演示，直接觀察陰陽螺桿轉(zhuǎn)子在回轉(zhuǎn)運動下的嚙合過程；同時觀察工作腔的周期性變化過程。雙螺桿壓縮機的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子呈三維扭曲結(jié)構(gòu)，在吸氣、壓縮和排氣過程中，雙螺桿壓縮機的封閉工作容積變化復(fù)雜。因此，通過陰陽螺桿轉(zhuǎn)子和腔體之間的裝配實體可以更好地觀察工作腔容積的變化規(guī)律，方便學(xué)生對其工作過程的深入理解。此外，通過螺桿轉(zhuǎn)子的3D打印實體，可以更加清晰地觀測到吸、排氣口的開設(shè)位置，使學(xué)生能夠深入理解吸、排氣口的開設(shè)原則。

由于螺桿轉(zhuǎn)子的三維扭曲結(jié)構(gòu)，其加工困難，且加工費用高。3D打印技術(shù)是利用光固化和紙層疊技術(shù)的一種快速成型方法。以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。通過3D 打印可以快速打印形狀復(fù)雜的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子，時間短、造價低。學(xué)生可以通過3D打印正確認識雙螺桿壓縮機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、吸排氣口的開設(shè)位置及工作過程。

以所設(shè)計的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子為例。先準(zhǔn)備好3D打印機，再將陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的三維模型轉(zhuǎn)換成STL 文件，并在3D打印機相關(guān)軟件中打開三維模型（STL 文件），檢查并確定打印方向后開始分層，最后完成陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的3D打印，如圖4 所示。

圖4 陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的3D打印實物圖

3 雙螺桿壓縮機整機的虛擬裝配與仿真

3.1 雙螺桿壓縮機組成零件的爆炸圖

學(xué)生在三維軟件中將裝配好的雙螺桿壓縮機整機進行拆解，制作爆炸視圖，可以完整反映整臺壓縮機的各個零件。在此過程中，學(xué)生可以觀察到壓縮機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、各個零件的安裝位置和裝配關(guān)系。對螺桿轉(zhuǎn)子建模完成后，打開提前預(yù)制的零件庫，開始進行壓縮機的整機裝配。新建一個裝配體文件，插入機殼作為固定件。接著插入零部件，將剩余的零件導(dǎo)入到裝配體文件中，具體步驟如下：

（1）裝配陰陽螺桿轉(zhuǎn)子。①為陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的端面添加共面配合。②為陰陽螺桿轉(zhuǎn)子添加齒輪配合關(guān)系，確定好正確的嚙合位置后，設(shè)置轉(zhuǎn)速比（如4∶6）。此時，陰陽螺桿轉(zhuǎn)子已經(jīng)可以進行正確的嚙合運動。③將陰陽螺桿轉(zhuǎn)子與機殼添加共面、同軸等配合關(guān)系，使螺桿轉(zhuǎn)子能夠正確的裝配于機殼中。

（2）裝配軸承、油封等部件。將軸承、油封、密封圈等部件裝配于相應(yīng)位置。

（3）裝配端蓋、軸承蓋。先將共面等配合關(guān)系添加于機殼與端蓋、軸承蓋中，使它們正確地裝配于機殼內(nèi)。然后將螺栓、定位銷等連接件裝配于相應(yīng)位置。雙螺桿壓縮機裝配完成后如圖5 所示。

圖5 裝配完成的雙螺桿壓縮機剖面圖

打開裝配圖，選擇“爆炸視圖”選項，按照順序拆解壓縮機各零部件，拖動到合適的位置，制作能清晰反映壓縮機各零部件裝配關(guān)系的爆炸圖，如圖6 所示。

圖6 雙螺桿壓縮機的爆炸圖

3.2 雙螺桿壓縮機機組系統(tǒng)的虛擬裝配

雙螺桿壓縮機機組系統(tǒng)主要由電動機、聯(lián)軸器、壓縮機主機、氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷卻水、自動調(diào)節(jié)和保護系統(tǒng)等組成。雙螺桿壓縮機主機的陽螺桿通過聯(lián)軸器與電動機直聯(lián)；被壓縮氣體經(jīng)進氣過濾器，進入壓縮機的吸氣腔，通過陰陽轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)嚙合，完成吸氣、壓縮和排氣過程，并在壓縮過程與噴入的潤滑油混合；經(jīng)壓縮后的油氣混合物依次被排入粗油氣分離器和細油氣分離器中，潔凈氣體被送入使用系統(tǒng)，潤滑油循環(huán)使用。

將設(shè)計的螺桿壓縮機機組全部組成三維模型并進行優(yōu)化和渲染，按照裝配關(guān)系，實現(xiàn)虛擬裝配，如圖7所示。由此可實現(xiàn)雙螺桿壓縮機機組全部組成部件的虛擬拆裝。

圖7 雙螺桿壓縮機機組拆裝虛擬仿真

4 雙螺桿壓縮機工作過程的仿真模擬

雙螺桿壓縮機工作過程的仿真包括陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的運動仿真和氣體增壓過程模擬仿真。在三維軟件中模擬壓縮機的工作過程，將機殼半透明化以觀察內(nèi)部螺桿轉(zhuǎn)子的瞬時運動狀態(tài)，將氣體壓力以可視化的形式展示。方便學(xué)生觀察整個工作過程：氣體被吸入并填滿齒間容積、齒間容積減小的氣體被壓縮過程、齒間容積與排氣口連通后氣體被排出過程。定量地觀察氣體壓力的變化規(guī)律。

4.1 螺桿轉(zhuǎn)子的運動仿真

采用運動仿真功能可以實現(xiàn)對壓縮機的運動仿真。在裝配文件中，選擇“新建運動算例”進入設(shè)置界面，選擇“電動機”，選擇需要電動機驅(qū)動的零件及電動機轉(zhuǎn)動方向。在該雙螺桿壓縮機中，選擇陽螺桿轉(zhuǎn)子為驅(qū)動零件，回轉(zhuǎn)方向為順時針，設(shè)置電動機轉(zhuǎn)速。建立運動后觀察運動仿真過程，能夠清晰地看到陽螺桿轉(zhuǎn)子在在機殼內(nèi)腔帶動陰螺桿轉(zhuǎn)子運動的過程，如圖8 所示。

圖8 螺桿轉(zhuǎn)子的運動仿真

同時，可以對齒間容積進行可視化處理，可以使學(xué)生清晰地觀察雙螺桿壓縮機工作過程中齒間容積大小的變化規(guī)律，其壓縮過程的齒間容積及最小齒間容積如圖9 所示，從而更為深入理解雙螺桿壓縮機的氣體壓縮過程。

圖9 雙螺桿壓縮機的齒間容積

4.2 氣體增壓過程模擬仿真

通過對雙螺桿壓縮機進行數(shù)值模擬，計算其工作過程中氣體狀態(tài)參數(shù)如壓力在不同時刻的變化規(guī)律。

（1）對陰陽螺桿轉(zhuǎn)子及其流體域進行三維建模，如圖10 所示。

圖10 轉(zhuǎn)子和流體域三維建模

（2）對陰陽螺桿轉(zhuǎn)子和流體域分別進行網(wǎng)格劃分，如圖11 所示。當(dāng)陰陽螺桿轉(zhuǎn)子和流體域的網(wǎng)格質(zhì)量合格后便可進行計算。

圖11 陰陽螺桿轉(zhuǎn)子和流體域的網(wǎng)格

（3）通過數(shù)值模擬軟件對其進行數(shù)值模擬，計算結(jié)束后對計算結(jié)果進行分析。工作過程中各時刻的壓力分布如圖12 所示。可見，工作腔內(nèi)氣體壓力從進氣口到排氣口逐漸增大，壓力最大位置位于排氣口和與排氣口相連的工作腔內(nèi)，從與排氣口相連的工作腔到排氣口管路內(nèi)的壓力上升明顯。工作腔內(nèi)壓力以兩螺桿轉(zhuǎn)子間的接觸線形成的側(cè)向密封和螺桿轉(zhuǎn)子與機殼壁形成的周向密封為分界線呈階梯狀分布。從進氣口到排氣口，氣體在工作腔內(nèi)被壓縮，使其壓強升高，同時氣體在嚙合間隙處從壓力較高的工作腔向壓力較低的工作腔泄漏。

圖12（a）時刻為初始時刻，此時吸氣過程即將開始。圖12（b）時刻吸氣腔與吸氣管路連通，吸氣腔開始吸氣。從圖12（c）～（h）可以清楚地看出，隨著主軸轉(zhuǎn)角的變化，吸氣腔容積增加；而壓縮腔容積減小，其腔內(nèi)的氣體壓力升高。

圖12 雙螺桿壓縮機的壓力分布

在雙螺桿壓縮機的吸氣口、排氣口、吸氣腔、壓縮腔和排氣腔內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點。通過對雙螺桿壓縮機進行仿真模擬計算，測得其排氣量、各工作腔內(nèi)的氣體壓力，最終獲得壓縮比、排氣量、指示功率和容積效率等數(shù)據(jù)。學(xué)生可以更加清晰地且定量地掌握雙螺桿壓縮機的工作過程和性能指標(biāo)。

5 結(jié)語

（1）在流體機械實驗教學(xué)中，由于流體機械的實體運轉(zhuǎn)，學(xué)生難以觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過程，教學(xué)效果不理想。針對流體機械教學(xué)實踐中存在的學(xué)生缺乏感性直觀理解、實驗過程中安全風(fēng)險大、實驗成本高等問題。以流體機械中的雙螺桿壓縮機為例，基于其核心部件螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計，構(gòu)建了一套雙螺桿壓縮機虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計了虛擬仿真的實踐教學(xué)方法。

（2）所構(gòu)建的雙螺桿壓縮機虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，具有學(xué)生參與度高、模型制作便捷、運動仿真直觀等特點。不但有利于學(xué)生直接觀察和理解雙螺桿壓縮機的工作原理和組成結(jié)構(gòu)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和主動學(xué)習(xí)能力。學(xué)生參與核心部件陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計與三維建模過程，便于學(xué)生理解雙螺桿壓縮機的設(shè)計思路，更能深入地理解雙螺桿壓縮機的工作過程，培養(yǎng)了學(xué)生的工程師思維。所提出的教學(xué)方法解決了目前流體機械課程教學(xué)中知識抽象、學(xué)生缺乏實踐、實驗不夠直觀的問題，為流體機械課程理論教學(xué)和實驗教學(xué)提供了新的思路。

（3）學(xué)生通過核心部件陰陽螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計和三維建模、3D打印、雙螺桿壓縮機三維爆炸圖的制作、壓縮機組的虛擬拆裝、工作過程的仿真模擬等教學(xué)環(huán)節(jié)，清晰直觀地認識到雙螺桿壓縮機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，正確理解雙螺桿壓縮機的工作特性，提高了學(xué)生的工程實踐意識和空間想象能力。所構(gòu)建的雙螺桿壓縮機虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)對于提高流體機械的實驗教學(xué)質(zhì)量和流體機械實驗室建設(shè)都發(fā)揮了良好的作用。