張璽琛

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

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自補償式端面水壓密封三維參數(shù)化設(shè)計

張璽琛

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

摘要：混流式水輪機自補償式端面水壓密封是水輪機的重要密封部件，由于密封結(jié)構(gòu)形式相對較為固定且多為回轉(zhuǎn)部件，因此設(shè)計過程有利于實現(xiàn)三維建模和參數(shù)化建設(shè)，通過UG三維軟件的應(yīng)用，以excel作為參數(shù)控制工具，為后續(xù)的設(shè)計研發(fā)工作提供良好的便利條件。

關(guān)鍵詞：三維設(shè)計；參數(shù)化；wave鏈接；表達式；電子表格控制；規(guī)律曲線

1結(jié)構(gòu)特點

自補償式端面水壓密封由轉(zhuǎn)動部件與固定部件組成，轉(zhuǎn)動部件的抗磨板利用螺栓固定安裝于主軸或轉(zhuǎn)輪上。固定部件主要包括工作密封塊、浮動密封環(huán)、彈簧、壓緊螺栓、導(dǎo)向環(huán)、密封水箱、工作密封塊磨損指示裝置、供水排水管路等。整個密封裝置中，彈簧為成型件，浮動密封環(huán)為鑄件，其它大部分零部件為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，并且大都是回轉(zhuǎn)部件。

從以上結(jié)構(gòu)特點可以看出，端面水壓密封的結(jié)構(gòu)相對簡單固定，方便快速建立三維模型，由于多數(shù)為回轉(zhuǎn)部件，參數(shù)化比較容易控制。

2三維參數(shù)化建模的優(yōu)點

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及水輪機用戶的要求不斷提高，為了提高設(shè)計水平，改善工作效率，滿足客戶需求，就必須借助三維可視化建模平臺進行三維設(shè)計，而三維建模的參數(shù)化不但可以實現(xiàn)零部件的三維可視化，更重要的可通過輸入機組的設(shè)計參數(shù)，快速得到經(jīng)得起考驗的設(shè)計產(chǎn)品，大大提高了工作效率的同時，也提高了設(shè)計質(zhì)量。

目前，三維設(shè)計軟件UG(unigraphics NX)不但能夠?qū)崿F(xiàn)像CAD、proe、solidworks等三維軟件的建模功能[1]，而且還可以使建模得到參數(shù)化控制，設(shè)計人員只需使用一個制作好的參數(shù)表就能輕松改變模型的設(shè)計參數(shù)。其次，對于同一個機組的多個專業(yè)設(shè)計團隊可以通過參數(shù)控制，實現(xiàn)同步協(xié)同設(shè)計的目的，避免各專業(yè)組之間出現(xiàn)溝通不順暢而導(dǎo)致接口參數(shù)的錯誤問題的發(fā)生。

3參數(shù)化建模的具體步驟

建模的主要思路是運用整個主軸密封裝置的軸面草圖，通過wave幾何鏈接器和實例幾何體特征來控制整個裝置的三維結(jié)構(gòu)，再通過excel電子表格，將主軸密封在設(shè)計過程中所用到的幾個基本參數(shù)，利用成熟的理論計算程序進行計算，得出的最優(yōu)結(jié)通過UG表達式編輯器傳遞給三維模型[2]，實現(xiàn)自補償是端面水壓密封的設(shè)計參數(shù)化控制。

對于密封彈簧的建模設(shè)計，則采用規(guī)律曲線和截面掃掠的方法來完成。以下是建模的具體步驟：

1)第1步：首先，打開UG軟件，新建一個模型文件，給模型取個名字。這里需注意的是名字不能帶有中文字樣。然后選擇文件夾路徑，最后單擊確定，進入UG建模的工作界面。

2)第2步：點擊“插入”、“任務(wù)環(huán)境中的草圖”，打開“創(chuàng)建草圖”對話框。以X—Z平面為基準平面進行多個截面草圖的繪制，不同的零部件可以分別放入不同的草圖里面，草圖與草圖之間進行幾何約束控制。這里需要注意的是，所有草圖都應(yīng)該以X—Z平面為基準平面來繪制。由于設(shè)計的邊界條件目前還無法實現(xiàn)，所以只能通過草圖來首先確定設(shè)計邊界條件，即主軸密封的安裝高程和水輪機主軸的截面草圖(所有線均設(shè)置為參考曲線，便于觀察)。有了基本邊界條件，則可進行“插入”—>“任務(wù)環(huán)境中的草圖”來分別建立工作密封塊、浮動密封環(huán)、彈簧、壓緊螺栓、導(dǎo)向環(huán)、密封水箱、工作密封塊磨損指示裝置、供水排水管路等的二維軸面圖。為了避免草圖中出現(xiàn)過多的尺寸參數(shù)而導(dǎo)致系統(tǒng)資源的占用過高，可以將各個部件之間的螺栓孔的截面放入獨立的草圖中進行控制，這些草圖界面均用幾何約束與相應(yīng)的零部件草圖進行關(guān)聯(lián)。草圖創(chuàng)建圖見圖1。

圖1草圖創(chuàng)建示例

3)第3步：在裝配導(dǎo)航器中搭建裝配結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)航器切換到裝配導(dǎo)航器，在工具欄上點擊“裝配”，“組件”，“新建組件”。重復(fù)上述操作可建立多個零部件，最終效果見圖2所示：

圖2　裝配導(dǎo)航器

經(jīng)過上述3個步驟的鋪墊之后，接下來需要將所有草圖(軸面圖)中的曲線和基準分別鏈接到子裝配或子零部件中去，由于所有的尺寸約束都在總裝配的各個草圖中，所以在分裝配的設(shè)計中就不用考慮尺寸及約束的問題了，而是直接拿鏈接過來的曲線進行建模[3]。

對于如何鏈接曲線，首先，我們需要打開wave功能，在裝配導(dǎo)航器的標題欄位置右鍵選擇“wave模式”，使得“wave模式”前面出現(xiàn)一個“√”。然后，選擇總裝配右鍵，選擇“WAVE”，“將幾何體復(fù)制到組件”，在彈出的對話框中，將過濾器選擇為曲線模式，選擇曲線，接著點擊“確定”，進入組件選擇步驟，然后選擇零部件，點擊確定完成曲線鏈接過程。wave功能演示圖見圖3。

4表達式鏈接的創(chuàng)建

當所有的零部件通過UG的三維建模方法進行建模之后，為了實現(xiàn)更多的參數(shù)控制功能，則需要通過表達式編輯器來進行參數(shù)及公式的關(guān)聯(lián)。這里以密封水箱為例，打開表達式編輯器，輸入關(guān)于密封水箱的合縫面角度位置參數(shù)、水箱與水箱蓋之間把合螺栓的角度和數(shù)量參數(shù)，以及水箱與密封壓蓋之間把合螺栓的角度和數(shù)量參數(shù)，以便在做水箱建模時進行部件間鏈接控制。表達式編輯器見圖4。

圖3　wave功能演示

圖4　表達式編輯器

表達式編輯器中提供了一個表達式鏈接功能，可通過該功能實現(xiàn)與總裝配參數(shù)的鏈接。鏈接對話框見圖5。引用對話框見圖6。

圖5　鏈接對話框

圖6　部件間引用對話框

5使用電子表格控制表達式參數(shù)

在完成建模步驟之后，有些參數(shù)是通過相關(guān)的計算所得出來的，并且希望這些參數(shù)可以自動與模型相關(guān)聯(lián)，需要在UG里面能夠使用電子表格功能，接下來具體闡述電子表格是如何控制幾何體參數(shù)的。

在靜壓自調(diào)節(jié)主軸密封中，彈簧是最關(guān)鍵的部件之一，其參數(shù)的設(shè)置直接影響到整個主軸密封的密封效果，為了能夠用理論公式得到彈簧的參數(shù)，需要對UG表達式進行相關(guān)設(shè)置[4]。

首先，在總裝配模型的狀態(tài)下，打開表達式對話框，建立表達式，所建立的表達式為:

RPC_spring_D

RPC_spring_d

RPC_spring_H0

RPC_spring_H2

RPC_spring_k

RPC_spring_n

RPC_spring_nz

RPC_spring_p

表達式建立完畢后，點擊確定將表達式對話框關(guān)閉，接著點擊工具欄上的“工具”，選擇“電子表格”，打開excel電子表格并編輯?？傃b配下的表達式編輯見圖7。電子表格計算頁面及參數(shù)設(shè)定見圖8。

圖7　總裝配下的表達式編輯

圖8　電子表格計算頁面及參數(shù)設(shè)定

由于excel表格是通過UG打開的，因此會有UG的相關(guān)加載項，于是可以在 excel表格的工具欄上面找到“加載項”。用鼠標單擊進入加載項選項卡，然后找到“定義表達式范圍”按鈕，在點擊該按鈕的時候需確保圖8中電子表格里面定義的表達式已經(jīng)處于被選中的狀態(tài)，即上一步所講的框選參數(shù)。找到“選項”下拉菜單，單擊確定，退出“更新方法”對話框。找到“更新NX部件”按鈕，點擊進行更新。參數(shù)的更新操作見圖9。

圖9參數(shù)的更新操作

待更新完畢后，關(guān)閉excel表格。退出電子表格之后，打開表達式，則可以看到相關(guān)的參數(shù)已經(jīng)成功從表格中更新到表達式，同時三維模型的相關(guān)尺寸大小也隨著表達式參數(shù)的變化發(fā)生了相應(yīng)地改變。

6使用規(guī)律曲線完成彈簧建模過程

在自補償端面水壓密封中所使用的彈簧為壓縮彈簧，整個密封裝置通過壓縮彈簧來實時調(diào)節(jié)密封端面的水壓力。彈簧具有螺旋上升的結(jié)構(gòu)特點，而且其旋繞比、有效圈數(shù)、節(jié)距等參數(shù)一旦給定，則其形成的螺旋曲線可以被視為有規(guī)律的螺旋上升曲線，那么就可以通過表達式的方式建立該螺旋曲線，下面來講解如何利用規(guī)律曲線來生成彈簧的建模過程。

在講彈簧的建模過程之前，這里將講述一下規(guī)律曲線的生成原理。任何軟件都是用程序編輯的，因此，可以把規(guī)律曲線特征的生成過程理解為如下程序代碼的運行過程：

float t;//定義一個浮點型變量t

doublext,yt,zt；//定義三個雙精度浮點型變量xt,yt,zt

t=20;//將t賦值為20

for(t=0;t<=1;t+0.1)//循環(huán)語句,開始時t被賦值為0，假設(shè)每循環(huán)一次t增加0.1

{

xt=3*t;//定義xt函數(shù)

yt=2*t+1;//定義yt函數(shù)

zt=0;//定義zt函數(shù)

}//當t被賦值為1.1的時候，t<=1條件不滿足，自動退出循環(huán)語句。

程序運行結(jié)束后，得到如下11組數(shù)組

每組數(shù)組對應(yīng)一個空間的點坐標，最后將這11個點坐標連接起來，就形成了一條規(guī)律曲線。這就是規(guī)律曲線的生成原理。

結(jié)合規(guī)律曲線的生成原理，將彈簧的螺旋線轉(zhuǎn)化為規(guī)律曲線。由于彈簧為兩段磨平結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)有三段規(guī)律曲線組成，則需要定義三段函數(shù)。函數(shù)的具體定義如下：

定義t,xt,yt,zt函數(shù)

t=0(取值范圍0至1)

第一段規(guī)律曲線

xt=cos(360*n*t)*spring_D1/2

yt= sin(360*n*t)*spring_D1/2

zt= (H2-2*spring_d2)*t+spring_d2

第二段規(guī)律曲線

xt1=cos(360*t)*spring_D1/2

yt1= sin(360*t)*spring_D1/2

zt1= spring_d2*t

第三段規(guī)律曲線

xt2= cos(360*t)*spring_D1/2

yt2= sin(360*t)*spring_D1/2

zt2= H2-spring_d2+spring_d2*t

將上面的函數(shù)表達式輸入表達式編輯器之后，如圖10所示。

接下來，點擊“插入”，“曲線”，“規(guī)律曲線”，彈出規(guī)律曲線對話框，將x規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)xt；y規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)yt；z規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)zt。

接著插入第2條規(guī)律曲線，將參數(shù)設(shè)置為: x規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)xt1；y規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)yt1；z規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)zt1。將曲線坐標系指定到實例幾何曲線的中心線的端點位置。

接著插入第3條規(guī)律曲線，將參數(shù)設(shè)置為: x規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)xt2；y規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)yt2；z規(guī)律類型設(shè)置為根據(jù)方程，參數(shù)t，函數(shù)zt2。將曲線坐標系指定到實例幾何曲線的中心線的端點位置。規(guī)律曲線的生成見圖11。

圖10　規(guī)律曲線表達式

圖11　規(guī)律曲線的生成

7結(jié)論

自補償式端面水壓密封的三維參數(shù)化設(shè)計，有效利用了相似模型的固化結(jié)構(gòu)特征，對相似模型可以重復(fù)利用打下了基礎(chǔ)，通過參數(shù)化的控制，大大簡化了設(shè)計工作量，提高了設(shè)計質(zhì)量，同時從三維模型制作出可重復(fù)利用的二維圖紙，提高了出圖效率，為設(shè)計人員爭取到更多設(shè)計思考的時間，同時也為優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供了有力的方法和依據(jù)。

參考文獻：

[1]曾向陽.基于UG的裝配用三維標準件圖庫的開發(fā)[J].機械設(shè)計與研究,1988(04)：29-31.

[2]萬久團,黃翔.基于UG的三維參數(shù)化標準件庫的建立[J].機械制造與自動化，2002(06)：82-84.

[3]洪如瑾.UG CAD快速入門指導(dǎo)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002：40-56.

[4]吳家洲,吳波,楊叔子.UG軟件的二次開發(fā)[J].精密制造與自動化,2002，(01)：29-31.

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：B

[作者簡介]張璽琛(1982-)，男，山西絳縣人，工程師，從事水輪機設(shè)計工作。

[收稿日期]2016-01-18

文章編號：1007-7596(2016)03-0044-05