基于Solidworks 對散裝水泥車的自頂向下設計

羅 情，封 江

（中國重汽集團柳州運力專用汽車有限公司，廣西 柳州 545112）

0 引言

散裝水泥車又稱粉粒物料運輸車，由專用汽車底盤、罐體、進氣管路、卸料裝置等部分組成，主要用于運輸散裝粉煤灰、水泥、石灰粉、顆粒堿、大米、黃豆等粉粒物料和顆粒物料。水泥廠、攪拌站和大型建筑工地等地方大量使用散裝水泥車，可節省很多編織袋和減輕裝卸勞動力。

Solidworks 三維設計軟件是設計過程比較簡潔且方便的軟件之一，具有自頂向下設計和自底向上設計的強大功能。能對散裝水泥車技術設計提供不同的設計方案，減少散裝水泥車設計過程中的錯誤以及提高產品質量。

散裝水泥車的傳統的設計方式是自底向上設計，通過該設計方法，先設計零件，后由零件組裝配件，在后續中需要不斷地進行干涉檢查等工作來確定各零件的最終圖紙，過程需要耗費比較多的時間，因此不適合用自底向上模式對新型散裝水泥車復雜的整體結構進行設計。而自頂向下則是在技術設計過程中，根據技術方案先對散裝水泥車進行總體設計，繪制總體草圖，通過尺寸、坐標等關系將各部件約束，再分別設計各部件時則可以利用總體草圖進行布局，充分協調各部件的關系，并且有效避免各部件的干涉，因此自頂向下設計能極大地提高散裝水泥車的設計效率。

1 散裝水泥車的工作原理

散裝水泥車通過壓縮機將空氣壓縮進入進氣管路，空氣再順著氣袋進入罐體（圖1），當空氣氣流速度達到一定程度后，氣流向上的浮力大于或等于罐體內粉粒重量時，此時罐體內部的粉粒表現出流動狀態，通過壓力表得知當罐體內部壓力，當壓力達到一定程度時，打開卸料管路，在罐體內部巨大的壓力作用下，將粉粒從卸料管路中輸送到卸料塔中（圖2），從而完成粉粒運送工作[1]。

圖1 壓縮空氣

圖2 粉粒卸料

2 自底向上設計與自頂向下設計

傳統的機械設計中，設計產品圖紙則是根據技術方案，先繪制產品的重要零件，再根據各零件組成相應的產品裝配圖，在裝配圖中發現問題時則再次對零件進行修改，這種設計方式則是自底向上設計。

自底向上設計是一種從局部到整體的設計方法，基本思路就是先根據散裝水泥車總產品結構特點及組成關系完成各個零部件的設計，然后將零件進行組裝得到完整的裝配產品，具體設計流程如圖3 所示。這種設計方法中零部件之間僅僅存在裝配配合關系，如果需要修改裝配產品結構，需要總產品對相關聯的各個零部件逐一進行修改，甚至還需要重新進行裝配，總體效率比較低下。這種設計方法主要用于裝配關系比較簡單的產品設計、對已有產品的升級改造或者是對機器的售后保障。

圖3 自底向上設計

目前，在對新型散裝水泥車設計時，由于散裝水泥車部件多，結構復雜，運用傳統的自底向上設計模式耗費時間長，效率相對偏低，已經不符合現行的設計節奏，因此自頂向下設計模式應運而生。

自頂向下設計（top - down design）是一種從整體到局部的設計方法，基本思路是，先根據散裝水泥車整機產品總體參數、結構特點及各部件組成關系設計一個總體骨架模型，這個總體骨架模型反映整個裝配產品的總體結構布局關系及主要的設計參數，然后將總體骨架逐級往下細分或細化，最終完成各個零部件的設計[2]，具體設計流程如圖4 所示。需要特別注意的是，自頂向下設計中的總體骨架模型及控件模型均是“中間產物”，完成產品設計后需要隱藏處理，這種設計方法中所有主要零部件均受到總體骨架模型的控制，如果需要修改裝配產品結構，只需要對總體骨架模型或主要的零部件進行修改即可，總體效率非常高。這種設計方法特別適用于裝配關系比較復雜的散裝水泥車產品設計[3]。

圖4 自頂向下設計

3 散裝水泥車的詳細技術設計流程

通常我們對散裝水泥車新產品的設計在技術設計階段的目標是根據水泥車的總體技術參數對產品有明確構型要求，運用Solidworks 三維設計軟件從整體到局部的設計方法，先繪制散裝水泥車的總體設計草圖（圖5）及部件1 到部件3 的裝配草圖，并搭建相應的三維骨架。在運用Solidworks 三維設計軟件的自頂向下設計理念時，充分規劃好各子部件的空間和相互聯系，避免不必要的干涉，協調好相互之間的關系，盡可能地利用有限地空間設計出完美地產品。因此，可從總體三維骨架開始，將其分解為多個子部件和子組件。

圖5 總體設計草圖

3.1 部件1-罐體設計（根據容積設計罐體）

從總體設計草圖中復制罐體大致輪廓圖，畫封頭輪廓、畫中截面（控制寬度不得超過2.5 m）。如圖6，控制好流化床角度（流化床角度一般不小于12°）、罐體長度。畫封頭及罐筒三維（半邊），如圖7。

圖6 罐體輪廓

圖7 封頭及罐筒三維

由于罐體前后對稱，使用鏡像就可以得到一個罐體（如圖8）。用Solidworks 測量工具測量體積是否達到設計容積，如未達容積要求則可通過Solidworks 參數修改調節罐體長度和角度來調節容積。

圖8 罐體

3.2 部件2-支座設計

首先根據罐體形狀畫出支座草圖，控制好整車尺寸（圖9）。然后確定牽引銷位置S，S 不允許超過1.6 m，確定軸距，計算軸荷分配（圖10）。

圖9 支座草圖

圖10 牽引銷位置

3.3 主要零部件的校核

在完成對散裝水泥車的主要零部件（如罐體支座總成）建模后，此時方能定出作用于罐體支座總成的載荷，通過諸如ANSY 等有限元分析軟件對罐體支座總成施加載荷，對它的受力情況進行詳細的分析計算，根據校核結果，對該部件薄弱零件可通過Solidworks 參數修改進行加強，提高其可靠性，直到滿意為止。在設計三維圖時，要充分考慮零件的加工和裝配工藝的便利性、設計制造及采購環節的經濟性問題。

在散裝水泥車技術設計的各個步驟中，一些現代設計技術和方法，例如優化設計技術、有限元分析技術和可靠性技術等，在使結構參數的選擇達到最佳效果、獲取復雜情況下較好的近似定量計算結果，以及通過對所設計零部件結構及其參數作出可靠性評價來提高散裝水泥車機器的設計質量等。

3.4 零部件出工程圖及試生產

按最后定型的Solidworks 三維圖紙出工程圖，通過工程圖上的問題可以找出三維圖上的一些細小錯誤，再通過Solidworks 對三維圖尺寸進行修改。

在散裝水泥車技術設計完成后，由工藝師根據工程圖和本公司工藝路線制定工藝流程卡，對新設計的散裝水泥車試生產，通過裝配或試生產進一步暴露技術設計中的問題，通過暴露的問題再回到設計階段重新修改圖紙，最后達到完善的程度。上述這些新的設計方法和概念，應當在設計中加以應用與推廣，使之得到相應的發展[4]。

4 結語

Solidworks 軟件自頂向下的設計是由整體到局部的設計，便于設計師在總體設計時對產品的總體設計方向的把控。在設計總體骨架時根據產品的功能和動作要求將其分成各個部件，又可以由多個設計師根據總體骨架的總體布局進行協同設計，減少分歧，提高工作效率。利用Solidworks 軟件的功能在總體設計布局草圖中通過尺寸、坐標等關系將各部件的零件進行約束，在發現問題后需要修改時，僅在總體設計圖中作出相應修改就可以，與其對應的零部件三維圖及關聯的工程圖也會隨著更改，關聯設計就此形成。

利用了Solidworks 軟件自頂向下的設計，快速地完成了散裝水泥車新產品的技術設計階段的工作，并大幅度提高了散裝水泥車的設計效率和產品質量。