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電纜防噴管的模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)*

韓成才1, 朱林1, 魚洋2, 王小波3, 王麗春1

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710065；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司西安石油專用管分公司，陜西 西安710200；

3. 寶雞市賽孚石油機(jī)械有限公司，陜西 寶雞721006)

摘要：針對(duì)系列化電纜防噴管設(shè)計(jì)效率低下，提出以SolidWorks為二次開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合VB語(yǔ)言和Excel類型庫(kù)，對(duì)電纜防噴管進(jìn)行模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，在設(shè)計(jì)圖紙階段，模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)人員方便快捷準(zhǔn)確地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，提高效率140倍以上。很大程度上節(jié)省了人力資源和縮短了生產(chǎn)周期，從而降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：電纜防噴管；二次開發(fā)；模塊參數(shù)化；設(shè)計(jì)

0引言

參數(shù)化設(shè)計(jì)[1-5]是三維軟件重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的設(shè)計(jì)理念。參數(shù)是參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心概念，在一個(gè)模型中，參數(shù)是通過(guò)“尺寸”的形式來(lái)體現(xiàn)的。參數(shù)化設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)在于可以通過(guò)變更參數(shù)的方法來(lái)方便的修改設(shè)計(jì)意圖，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的工作，提高相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

基于某公司研發(fā)中心對(duì)于系列化產(chǎn)品— 電纜防噴管 —圖紙?jiān)O(shè)計(jì)效率低，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不統(tǒng)一，計(jì)算公式多樣化，系列化產(chǎn)品圖紙重復(fù)操作等，嚴(yán)重加大工作人員體力和腦力勞動(dòng)，影響公司產(chǎn)品生產(chǎn)效率。為了改善這一現(xiàn)狀，以solidworks三維軟件作為二次開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合VB語(yǔ)言，從電纜防噴管的設(shè)計(jì)思路到其研發(fā)最終輸出文件，參照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)。

1建立電纜防噴管三維模型

電纜防噴裝置是用于油田電纜測(cè)井作業(yè)時(shí)提供安全可靠的井口控制系統(tǒng)。在作業(yè)過(guò)程電纜處于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀況下密封井口，或者是在作業(yè)過(guò)程中井口有溢流不能控制及其他意外情況時(shí)關(guān)閉井口，防止井噴事故的發(fā)生，是油田安全作業(yè)的理想設(shè)備。電纜防噴管是電纜防噴裝置中不可或缺的關(guān)鍵部件之一，主要作用是在起、下作業(yè)工具串時(shí)起到容納作業(yè)工具串，并與電纜密封頭、防噴器等一起協(xié)同工作，起到防止井噴事故。因此電纜防噴管為下井工具串提供了壓力緩沖區(qū)和儀器通過(guò)的過(guò)渡區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，電纜防噴管可以多根組合使用。但不宜超過(guò)18 m。其工作環(huán)境一般是高壓、含H2S和酸的原油、天然氣、水的油氣井，工作溫度為-29~121 ℃。電纜防噴管根據(jù)基本結(jié)構(gòu)分為兩類：組合式防噴管和整體式防噴管。本文主要介紹整體式防噴管的設(shè)計(jì)過(guò)程，整體防噴管如圖1。

圖1　整體式防噴管1.公口護(hù)絲　2.管體　3.由壬螺母　4.O型圈　5.母扣護(hù)絲

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件，查詢電纜防噴管的通徑、長(zhǎng)度、工作壓力、工作溫度等級(jí)、承受壓力等級(jí)、材料，圖2為電纜防噴管尺寸圖，模型尺寸計(jì)算過(guò)程如下。

圖2　電纜防噴管尺寸圖

(1) 按剪切應(yīng)力計(jì)算螺紋強(qiáng)度

(1)

式中：Kz為載荷不均勻系數(shù)，d/P<9時(shí)，Kz=5P/d；d/P≥9時(shí)，Kz=0.56；d7為外螺紋小徑(mm)；b為螺紋牙根部寬度(mm)，普通三角螺紋b=0.75P，國(guó)標(biāo)Tr螺紋b=0.58P；P為螺距；z為螺紋旋合數(shù)； [τ]為許用剪切應(yīng)力(MPa)； [τ]=0.6[σ]=σs/2.5。

(2) 按彎曲應(yīng)力計(jì)算螺紋強(qiáng)度

(2)

式中：h為螺紋牙的工作高度(mm)，普通三角螺紋h=0.54P，國(guó)標(biāo)Tr螺紋h=0.5P，美標(biāo)ACME螺紋h=0.5P，美標(biāo)SA螺紋h=0.3P。[σ]w為材料許用彎曲應(yīng)力(MPa)，[σ]w=σs/1.5。

按式(1)和(2)計(jì)算螺紋長(zhǎng)度，取其中較大者，向上圓整即為設(shè)計(jì)螺紋長(zhǎng)度。

由以上尺寸計(jì)算過(guò)程可知，電纜防噴管模型尺寸主要由壓強(qiáng)P、通徑D、材料、螺紋類型、溝槽等直接或間接計(jì)算確定。取通徑D=62 mm，P=35 MPa，材料為35CrMo，長(zhǎng)度為1 500 mm，螺紋連接為SA型螺紋，溝槽內(nèi)徑為60.4 mm，計(jì)算各個(gè)尺寸參數(shù)。啟動(dòng)SolidWorks，建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的防噴管管體三維模型，并將模型文件與數(shù)據(jù)文件放到一起。

2模塊設(shè)計(jì)

電纜防噴管模型尺寸主要由壓強(qiáng)P、通徑D、材料、螺紋類型、溝槽等直接或間接計(jì)算確定。所以將模型的模塊設(shè)計(jì)分為四部分：①基本參數(shù)(通徑、壓力、長(zhǎng)度、材料、安全系數(shù))；②外形設(shè)計(jì)；③扣型設(shè)計(jì)；④溝槽設(shè)計(jì)。這四部分包含了所有的基本變量，這些變量也就是程序設(shè)計(jì)中需要定義的變量。如通徑“D”壓力“P”、長(zhǎng)度“L”、安全系數(shù)“α”、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)文件名“扣型”“溝槽內(nèi)徑”“O型圈規(guī)格”等，如圖3(b)。

圖3　用戶界面

2.1　模塊窗口設(shè)計(jì)

在Visual Basic 6.0中建立用戶使用界面[6]，該界面分為兩個(gè)窗體：“防噴管管體設(shè)計(jì)”和“計(jì)算結(jié)果如下”?！胺绹姽芄荏w設(shè)計(jì)”用戶界面主要包括四部分：①基本參數(shù)；②外形設(shè)計(jì)；③扣型設(shè)計(jì)；④溝槽設(shè)計(jì)。用戶通過(guò)輸入基本參數(shù)，選擇所需螺紋類型等點(diǎn)擊試算，就會(huì)彈出“計(jì)算結(jié)果如下”窗口，該窗體可以明確的顯示計(jì)算結(jié)果，并推薦螺紋、密封溝槽內(nèi)徑尺寸、管體外徑、O形圈規(guī)格。經(jīng)過(guò)用戶考慮核實(shí)，然后再選擇或輸入這些數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊建模，應(yīng)用程序直接啟動(dòng)SolidWorks，完成用戶模型如圖3(a)。

2.2　操作失誤提示窗口

圖4　問(wèn)題提示

雖然模塊窗口很清晰，但也難免會(huì)出現(xiàn)操作失誤，如在操作過(guò)程中如果沒(méi)有選擇螺紋類型，模型將不完整，無(wú)法建模。為了提醒用戶正確操作，加入了問(wèn)題提示如圖4。

程序如下：

Private Sub Command1_Click()

If Cb2.Text=”請(qǐng)選擇螺紋類型” Then

MsgBox “請(qǐng)選擇連接螺紋類型”，0，“警告”

ElseIf Cb2.Text=“SA螺紋”or“ACME螺紋”Then.........

End If

End Sub

3建立模塊、模型、參數(shù)之間的聯(lián)系

模型通過(guò)模塊改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)模型的重新建立，但有些參數(shù)不能隨意輸入，如螺紋，溝槽等，這些參數(shù)都有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，必須按照標(biāo)準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。所以必須調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這就需要建立模型、模塊、參數(shù)之間的聯(lián)系。

3.1　建立模型與模塊之間的聯(lián)系

SolidWorks通過(guò)OLE(對(duì)象的嵌入與鏈接)或者COM為用戶提供了自由開放、功能完整的二次開發(fā)接口(API)[3]。所以，可以通過(guò)Visual Basic編程語(yǔ)言建立SolidWorks模型和VB模塊之間的聯(lián)系，關(guān)鍵程序如下：

Option Explicit

Dim swapp As Objection

Dim Part As Objection.....’定義全局變量

Set swapp=CreateObject(Sldworks.application)’創(chuàng)建Sldworks對(duì)象

Swapp.visible=True

Set Part=swapp.OpenDoc(App.Path&“防噴管體.sldprt’’,1)

Set Part=swapp.ActivateDoc(“防噴管管體”)’激活建模對(duì)象

Part.Parameter(“L@草圖1”).SystemValue=(Val(Text3)+Val(Text11))/1000

Part.Parameter(“d2@草圖1”).SystemValue=Val(Text12/1000)

Part.Parameter(“d5@草圖1”).SystemValue=Val(L1/1000)

......’編輯公式，變量賦值

Part.EditRebuild ’刷新，重新建模

Part.ShowNameView”*上下二等角軸測(cè)”，8’最佳顯示視角

Part.viewZoomtofit2

Boolstatus=part.Extension.SelectByID2(“前示準(zhǔn)面”，“PLANE”，0，0，0，True，1，Nothing，0)

Part.ClearSelection2 True

......

3.2　建立模塊與參數(shù)的聯(lián)系

在二次開發(fā)過(guò)程中，一開始采用文件數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)驗(yàn)，但由于數(shù)據(jù)庫(kù)量巨大，數(shù)據(jù)整理麻煩而且易出錯(cuò)。微軟公司的電子表格軟件Excel具有快捷方便的數(shù)據(jù)輸入和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，它對(duì)編輯、格式化、設(shè)計(jì)報(bào)表和打印等功能都提供了很完美的解決方案，為我們的工作帶來(lái)了極大方便[7]。本文實(shí)現(xiàn)了外圍Excel類型庫(kù)大中型數(shù)據(jù)為SolidWorks的調(diào)用，建立了模塊與參數(shù)之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)了模型與參數(shù)之間的聯(lián)系。在應(yīng)用前確保工程引用Excel類型庫(kù)：從“工程”菜單中選擇“引用”欄，選擇Microsoft Excel 9.0 Object Library。以下為VB模塊調(diào)用Excel數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序：

Private Sub Command_2Click()

Dim XlsApp As Excel.Application

Dim XlsWorkbook As Excel.Workbook

Dim XlsSheet As Excel.Worksheet’定義Excel對(duì)象

Dim i As Integer

Dim j As Integer

Dim s(13,13)As String

Set XlsApp=CreatObject(“Excel.Application”)’創(chuàng)建Excel對(duì)象

Set XlsWorkbook=XlsApp.Workbooks.open(App.Path&”SA螺紋.xls”) ’打開存在的Excel工作薄

XlsApp.Visible=False’不可見

Set XlsSheet=XlsWorkbook.worksheets(“Sheet1”)’設(shè)置“表”名

XlsSheet.Activate

For i=1 to 13

For j=1 to 13

S(i-1,j-1)=XlsSheet.Cell(i,j)‘將Excel中的數(shù)據(jù)取出

Next j

Next i

Text1.Text=S(0,0)

Text2.Text=S(0,1)

.....

XlsApp.Quit’結(jié)束

Set XlsSheet=Nothing’釋放

Set XlsWorkbook=Nothing

Set XlsApp=Nothing

3.3　整理文件

在VB-文件下生成exe應(yīng)用程序，并將所有文件放到一個(gè)文件夾中，如圖5。

圖5　文件內(nèi)容

4調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

打開電纜防噴管模塊文件包，雙擊防噴管VB.exe，進(jìn)入到模塊界面，基本參數(shù)部分輸入通徑、安全系數(shù)、壓力、長(zhǎng)度、材料，扣型設(shè)計(jì)選擇螺紋類型、扣型，溝槽設(shè)計(jì)選擇溝槽內(nèi)。，至于其他參數(shù)，模塊將會(huì)自動(dòng)計(jì)算，并填寫。如果程序計(jì)算的參數(shù)不能滿足設(shè)計(jì)者要求，設(shè)計(jì)者可以自行填寫參數(shù)如圖3(a)右側(cè)。然后點(diǎn)擊試算，模塊將會(huì)彈出“計(jì)算結(jié)果如下”，給設(shè)計(jì)者一定參考。然后再點(diǎn)擊建模，將會(huì)啟動(dòng)SolidWorks,建立出設(shè)計(jì)者所要求的電纜防噴管三維模型，如圖6。

圖6　電纜防噴管建模過(guò)程

三維模型確定后，設(shè)計(jì)者很快就完成二維工程圖及其標(biāo)注。整個(gè)過(guò)程大概10 min左右，并且與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比較，模塊參數(shù)化的電纜防噴管工程圖完全滿足加工要求。經(jīng)調(diào)查，以防噴管管體設(shè)計(jì)為例，如果按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，一位正式設(shè)計(jì)人員完成圖紙大概要3天，而應(yīng)用模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)，包括打印、審核在內(nèi)僅僅是10 min左右的時(shí)間。該公司還對(duì)法蘭、防噴器等進(jìn)行模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)開發(fā)出適用于自己的應(yīng)用程序和參數(shù)化模塊，極大的減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，提高工作效率140倍以上。

5結(jié)語(yǔ)

以VB和Excel為基礎(chǔ)，SolidWorks為平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)電纜防噴管模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)人員工作效率140倍以上，從而縮短了企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)和制造成本。

首次實(shí)現(xiàn)Excel中參數(shù)調(diào)入VB6.0建立的模塊，實(shí)現(xiàn)外圍Excel中大型數(shù)據(jù)為SolidWorks的調(diào)用，極大簡(jiǎn)化了標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的處理，節(jié)省了模塊參數(shù)化的工作量，為模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步開發(fā)提供了新方法。

模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)是非常適合基本結(jié)構(gòu)不變的系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，尤其對(duì)單件小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，極大的降低生產(chǎn)成本。因此模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)日益多樣化的市場(chǎng)具有很大優(yōu)勢(shì)，可以提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，為廣大企業(yè)指明了方向。

參考文獻(xiàn)：

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Parametric Design of Wireline Lubricator Module

HAN Cheng-cai1, ZHULin1, YUYang2, WANG Xiao-bo3, WANG Li-chun1

(1.CollegeofMechanicalEngineering，Xi′anShiyouUniversity，Xi′anShaanxi710065，China；

2.BaojiPetroleumSteelPipeCo.,Ltd,OctgBranch，Xi′anShaanxi710200,China;

3.BaojiSaifuPetroleumMachineryCo.,Ltd，BaojiShaanxi721006,China)

Abstract:For the series of wireline lubricator low design efficiency, parametric design of wireline lubricator module is put forward,which is made in SolidWorks secondary development platform and combined with VB language and the Excel type library.Practice has proved that module parametric design can help designers complete design tasks easily ,quickly and accurately and improve 140 times greater efficiency in the design drawings stage.The new way largely saves human resources and shorten the production cycle, thus reducing the cost of production.

Key words:wireline lubricator;secondary development;module parametric;design

中圖分類號(hào):TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-4414(2015)03-0180-04

作者簡(jiǎn)介：韓成才(1962-)，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向:井下工具、石油裝備設(shè)計(jì)與研發(fā)。

*收稿日期：2015-03-20