胡劍波

（海軍駐九江地區(qū)軍事代表室 九江 332007）

1 引言

液壓系統(tǒng)具有功率重量比大、控制方便等優(yōu)點，在艦艇上得到了廣泛的運用。油源機組作為艦船液壓系統(tǒng)的動力裝置，設(shè)計時必須考慮艦船使用的特殊條件，滿足體積小、重量輕、耐腐蝕、堅固耐用等船用環(huán)境條件要求。以往的油源機組設(shè)計，受條件限制，采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法：方案選定→零件繪制→試制樣機→反復(fù)試驗→不斷修改和完善設(shè)計圖紙→正式投入生產(chǎn)。產(chǎn)品開發(fā)周期長、成本高且難以保證設(shè)計質(zhì)量，而虛擬樣機技術(shù)的運用恰恰解決了這一問題。在某型艦船電動液壓舵機的油源機組設(shè)計中，通過采用虛擬樣機技術(shù)大大的縮短了研制周期、保證了設(shè)計質(zhì)量，并降低了產(chǎn)品開發(fā)費用。虛擬樣機技術(shù)是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程技術(shù)。設(shè)計者利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型（虛擬樣機），根據(jù)產(chǎn)品實際使用工況對模型進行結(jié)構(gòu)分析和動力學(xué)仿真分析。根據(jù)仿真分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計，改進設(shè)計方案，是一種全新的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計方法。

虛擬樣機技術(shù)在油源機組設(shè)計中的應(yīng)用是通過Solid-Works軟件來實現(xiàn)的。SolidWorks是基于 Windows的CAD／CAM／CAE集成化機械設(shè)計軟件，具有全面的零件實體建模功能和變量化的草圖輪廓繪制功能。根據(jù)Solid-Works的功能特點，采取圖1所示步驟和方法進行油源機組設(shè)計和分析。

圖1 基于SolidWorks虛擬樣機設(shè)計方法

2 油源機組液壓原理設(shè)計

根據(jù)總體對油源機組的要求，確定其原理如圖2所示。油源機組由兩套相同的泵機組和控制油路組成，各自獨立，互為備用。泵6啟動后，液壓油經(jīng)過高壓濾油器7、單向閥11（開啟壓力0.05MPa）、“M”型電磁換向閥13、節(jié)流閥12直接回到油箱，油液流動過程中壓力損失較小，所以此工況下系統(tǒng)的功率消耗很小。節(jié)流閥12的進口壓力調(diào)整為液動閥16的控制壓力（約0.5MPa），以保證泵6啟動后由液壓力使液動閥16隨即換向到 “左位”工作位置，并控制液動閥16在打舵過程中始終處在“左位”；除此之外，節(jié)流閥1 2還確保泵停止工作后液動閥16控制口X的控制油壓力能迅速釋放，使液動閥16快速回到中位，隔離兩套相同的油路。

泵6啟動后，給電磁換向閥13一邊電磁鐵通電，液壓油經(jīng)雙單向節(jié)流閥15的單向閥和液動閥16輸出液壓油，系統(tǒng)排出的液壓油經(jīng)雙單向節(jié)流閥15節(jié)流后再經(jīng)過節(jié)流閥12回到油箱。系統(tǒng)采用出口節(jié)流調(diào)速方式既提高了系統(tǒng)機構(gòu)運行的平穩(wěn)性，又可防止失速或振動。

圖2 油源機組液壓系統(tǒng)原理圖

3 集成閥塊設(shè)計

3.1 閥塊設(shè)計

油源機組中閥件8，9，11，12，13，15，16集成在一個閥塊上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便等優(yōu)點。由于閥塊內(nèi)部油孔多、連通情況復(fù)雜，常規(guī)的二維軟件設(shè)計極其繁瑣、復(fù)雜且容易出錯。設(shè)計中出現(xiàn)錯誤很難避免，往往到樣機調(diào)試過程中才發(fā)現(xiàn)，造成資源浪費、工程延期。SolidWorks軟件具有壁厚自動分析功能，不同顏色表示不同的通道壁厚值（參見圖3）。在SolidWorks軟件中，可以將模型的任意一個或多個面設(shè)置為透明，觀察模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這大大減輕了設(shè)計人員的工作量，提高了設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，為閥塊設(shè)計提供了一種全新的思路。

在閥塊設(shè)計時將其表面設(shè)置為“透明”，并進行空間旋轉(zhuǎn)，從多角度仔細(xì)觀察閥塊內(nèi)部通道的連通情況，判斷內(nèi)部通道連通是否符合液壓原理圖要求（見圖3）。

圖3 閥塊內(nèi)部通道及孔道壁厚分析圖

在閥塊設(shè)計完成后必須進行通道壁厚校核，防止液壓沖擊時液壓油擊穿通道壁。SolidWorks具有全顏色顯示通道壁厚的功能，在小于設(shè)定壁厚的部位會以鮮艷的顏色顯示出來，使得通道壁厚校核變得直觀、簡單（見圖3）。

3.2 閥塊裝配體設(shè)計

圖4 閥塊三維設(shè)計圖與實際裝配圖

使用SolidWorks軟件對閥塊進行模擬裝配可以檢查各元件的裝配關(guān)系是否正確，如安裝元件空間位置夠不夠、元件安裝面油口與閥塊安裝面油口是否對應(yīng)，調(diào)節(jié)元件是否有足夠的調(diào)節(jié)空間等。這使復(fù)雜的液壓集成塊設(shè)計變得“簡單”了。液壓集成塊三維設(shè)計圖和實際裝配圖如圖4所示。

4 油源機組設(shè)計

4.1 油箱設(shè)計

為方便油源機組使用和維修，液壓元件布置在油箱頂面。油箱頂板要具備足夠的承重能力，同時還得滿足油箱體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的要求。因此，必須對油箱進行應(yīng)力、變形分析以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。為避免出現(xiàn)實際裝配過程中零部件無法安裝的情況，對整個油源機組進行虛擬裝配并對裝配體進行干涉檢查。

油箱箱體選用4毫米1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，在箱體頂板下及箱體下部焊接加強筋，以增強油箱體的承重能力。在沒有實物樣機的情況下，焊接后的油箱體承重能力如何只能通過對其進行應(yīng)力、變形分析確定。如果沒有必要的應(yīng)力、變形分析，就無法保證油箱的設(shè)計質(zhì)量，產(chǎn)品可能會存在由于承載能力差引起箱體變形或由于裕量太大造成箱體笨重的設(shè)計缺陷。

COSMOSWorks有限元分析模塊，是一個與Solid－Works完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。COSMOSWorks能夠提供廣泛的分析工具去檢驗和分析復(fù)雜零件和裝配體。利用COSMOSWorks可以進行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析、優(yōu)化分析、非線性分析、掉落測試分析和疲勞分析。使用COSMOSWorks模擬分析代替昂貴的現(xiàn)場測試，不但可以減少成本及開發(fā)周期，還可以快速模擬多個概念與情景，讓設(shè)計者在作出最終決定之前有更多的時間思考創(chuàng)新設(shè)計。

圖5 油箱體應(yīng)力分析圖

COSMOSWorks分析模塊對油箱體進行設(shè)備安裝后的應(yīng)力分析見圖5，設(shè)備安裝后的箱體變形大小分析見圖6，安全系數(shù)檢查見圖7。從圖中可以看出給整個油箱體加上等量實際負(fù)載后應(yīng)力分布、變形及安全系數(shù)均很理想，最大的變形點在油箱頂板中部的閥塊底座上，變形量只有0.1056mm，油箱體其它部位變形量更小；油箱的最小安全系數(shù)點出現(xiàn)在頂板下的支撐架上，最小安全系數(shù)值是12。從圖5、圖6和圖7的分析結(jié)果可以看出：油箱結(jié)構(gòu)合理，受力均勻，完全滿足使用要求。

圖6 油箱體合力位移分析圖

圖7 油箱體設(shè)計檢查圖

4.2 油源機組裝配設(shè)計

油箱設(shè)計完成后對油源機組進行模擬裝配，然后對裝配體進行物理特性計算，對組裝元件進行干涉檢查。

用SolidWorks軟件對油源機組進行模擬裝配可以很直觀的判斷設(shè)計尺寸是否正確無誤、結(jié)構(gòu)是否合理、各元件之間裝配關(guān)系是否正確、外形是否美觀。油源機組三維設(shè)計圖和實際裝配圖如圖8所示。

圖8 油源機組三維設(shè)計圖和實際裝配圖

復(fù)雜的裝配體中，用視覺來檢查零部件之間是否干涉是很困難的。SolidWorks具有 “干涉檢查”功能，將互相干涉的零部件透明，將干涉部位不同的顏色表示出來。油源機組預(yù)裝配后干涉檢查結(jié)果如圖9所示。

預(yù)裝配設(shè)計完成后可應(yīng)用軟件所帶的工具自動計算裝配體的物理特性，包括裝配體的質(zhì)量、體積、表面積、重心等參數(shù)，如圖10所示，這些參數(shù)對油源機組在艇上的安裝有重要意義。軟件計算的油源機組質(zhì)量為339.47kg實際稱重約330kg，相差無幾，差值主要是由各元器件樣本標(biāo)注重量與實際重量的誤差累計造成的。

采用虛擬樣機技術(shù)設(shè)計的油源機組在零部件加工和裝配過程中，所有零部件一次裝配到位，液壓元件與閥塊油口對應(yīng)準(zhǔn)確，閥塊油路連通正確，油源機組做到了一次試車成功，取得了良好的效果。

圖9 油源機組干涉檢查結(jié)果

圖10 油源機組質(zhì)量特性計算結(jié)果

5 結(jié)語

在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計過程中，嘗試采用新技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計，可以提高設(shè)計效率，縮短研制周期，保證設(shè)計質(zhì)量，避免試制過程中的設(shè)計更改，為順利完成軍工研發(fā)任務(wù)提供保障、為企業(yè)帶來實實在在的經(jīng)濟效益。

［1］黎啟柏.液壓元件手冊［M］.冶金工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，2000，8，（1）.

［2］葉修梓，陳超詳.COSMOS基礎(chǔ)教程：COSMOSWorks Designer（美）SolidWorks公司著［M］.機械工業(yè)出版社，2007，（4）.

［3］葉修梓，陳超詳.COSMOS基礎(chǔ)教程：COSMOSWorks professional（美）SolidWorks公司著［M］.機械工業(yè)出版社，2007，（4）.