Solid works环境下螺杆空压机转子的参数化建模

王莉静

（河南三门峡职业技术学院，河南 三门峡472000）

0 引 言

螺杆空气压缩机是回转容积式压缩机，是用带有螺旋槽的一个或两个转子 （螺杆）在气缸内旋转相互啮合，使气体压缩并排出的装置.按照螺杆转子数量的不同，螺杆式空气压缩机分为单螺杆空气压缩机和双螺杆空气压缩机两种.双螺杆空气压缩机在工作时是依靠一个阳转子与一个阴转子，内置于机壳内互相平行啮合运动，使齿槽之容积变化而实现空气压缩的，转子副在与它精密配合的机壳内转动使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化而沿着转子轴线，由吸入侧推向排出侧，完成吸入、压缩、排气三个工作过程［1］.

1 螺杆压缩机的结构和特点

螺杆式空气压缩机由螺杆机头、电动机、油气分离桶、冷却系统、空气调节系统、润滑系统、安全阀及控制系统等组成.转子是螺杆机头中的主要部件，一对高精密度主 （阳）、副 （阴）转子水平且平行地装于机壳内部，通常采用整体式结构，将螺杆与轴做成一体.主 （阳）转子有5个齿，而副 （阴）转子有6个齿［2］.主转子直径大，副转子直径小.齿形成螺旋状，两者相互啮合.主副转子两端分别由轴承支承定位，工作时电动机通过联轴器 （或皮带）直接带动主转子，由于两转子相互啮合，主转子直接带动副转子一同旋转，将空气压缩并排出.见图1.

就压缩气体的原理而言，螺杆式压缩机与往复活塞式压缩机一样，同属于容积式压缩机械，就其运动形式而言，螺杆式压缩机的转子与离心式压缩机的转子一样，作高速旋转运动.所以螺杆式压缩机具有可靠性能好，振动小、噪声低、操作方便、易损件少、运行效率高等特点.

图1 双螺杆空气压缩机

2 Solid works简介

Solid works是现代工程设计中常用的一种三维设计软件，它具有丰富的零件实体建模功能.通过拉伸、旋转、抽壳、特征阵列以及打孔等操作，简便的实现产品的设计.通过带控制线的扫描、放样、填充等实现复杂的曲面构造，并可以对曲面进行直观的修剪、延伸、倒角和缝合等操作［3］.Solid works除了具有强大的三维实体建模功能外，自身具有各种功能插件，可以方便的进行工程设计和分析，并且应用了参数化或变量化的设计技术，可以通过改变现有零件模板的某些参数，获得大小不同而结构相近的系列零件，具体来说就是建立该类零件的较为系统的参数化设计库，使用者只需要通过输入一些参数，系统就会自动输出符合使用者要求的三维零件及其二维工程图，操作者不必再进行零件的复杂建模［4］.因此这种通过修改零件对象的某些尺寸而获得类似零件模型的方法，大大提高了产品的设计效率，避免了重复性的劳动.本文则借助于Solid works的这一功能，对螺杆空压机转子进行参数化建模.

3 螺杆的参数化建模实例

螺杆空压机中的转子通常是将螺杆与轴做成一体，阴阳转子的啮合传动是由相互啮合的齿轮传动演变过来的.蜗杆上的每个轮齿在圆柱面上缠绕一周以上，螺杆属于轴套类零件，其基本几何结构是由不同的轴段组成，轴上有轮齿、键槽、倒角、退刀槽等结构.

螺杆的参数化建模主要是利用Solid works软件中提供的高级参数设计功能，将尺寸定义一个名称后，就可以将其在一方程式中当作变量，以控制模型尺寸［5］.方程式的应用，会让图形更符合设计的要求，进而大幅度提高图形的准确度和建模效率.

3.1 确定螺杆基本参数

本例蜗杆轴向模数m＝2，蜗杆齿数z＝6，压力角α＝20°，螺旋线升角γ＝4°23′55"，齿顶圆直径32 mm，变位系数为0.

图2 螺杆主体结构

3.2 创建螺杆毛坯

螺杆主体是回转体，可以利用Solid works的草图环境绘制草图，Solid works中草绘的截面都是参数化尺寸驱动，在建立实体后仍可通过修改草图来改变实体结构与尺寸.通过 “旋转”、“倒斜角”具体操作，设定参数实现初步的实体造型，如图2所示.

3.3 添加基本参数方程式

启动Solid works，确定 “零件”选项，选择工具菜单的下拉菜单中的方程式，打开 “方程式”对话框，如图3所示.在 “方程式”对话框中单击 “添加”按钮，系统弹出 “添加方程式”操控板.在操控板中输入 “外径＝32”，单击 “确定”按钮，如图4所示.参照上述方法创建方程式 “模数＝2”和 “长度＝100”，在 “方程式”对话框中单击 “确定”按钮，完成方程式的创建.

图3 创建方程式

图4 添加方程式

3.4 连结数值

在模型树中右击 “注解”节点，系统弹出快捷菜单，选择 “显示特征尺寸”命令，在图形区显示出特征尺寸.选择尺寸 “40”（长度方向尺寸），右击，在弹出的快捷菜单中选择 “连接数值”命令，系统能够弹出 “共享数值”对话框，如图5所示.在 “名称”下拉列表框中选择 “长度”选项，使得尺寸 “40”等于方程式中设置的长度值，单击 “确定”按钮，完成尺寸 “40”的连接.参照尺寸 “40”的连接操作连接尺寸 “φ58”等于 “外径”.单击重建模型按钮，重新生成模型结果.

图5 共享数值

3.5 创建草图，添加螺旋线

选择下拉菜单 “插入”→ “草图绘制”命令.选取前视基准面作为草图基准面.在草图绘制环境中以坐标原点为圆心，绘制直径为32 mm的圆轮廓，绘制完毕后退出草图设计环境.选择下拉菜单 “插入”→ “曲线”→ “螺旋线／涡状线”命令［6］.选择刚绘制的32 mm的圆作为螺旋线的横断面，在 “定义方式”区域的下拉列表框中选择 “高度和螺距”选项.选择旋转方向为 “逆时针”，起始角为 “0°”，其他均按系统默认设置，高度和螺距参数任意给定，单击 “确定”按钮，完成螺旋线的创建.

3.6 添加螺旋线相关方程式

选择下拉菜单 “工具”→ “方程式”命令，系统弹出 “方程式”对话框.在 “方程式”对话框中单击“添加”按钮，系统弹出 “添加方程式”操控板.在图形区选择螺距尺寸 “15”，在操控板中输入 “"D4＠螺旋线／涡状线1"＝pi*"模数"”，结果如图6所示.参照螺距尺寸方程式的创建方法创建螺旋线长度方程式 “"D3＠螺旋线／涡状线1" ＝"长度"”，在 “方程式”对话框中单击 “确定”按钮，完成方程式的创建.单击 “重建模型”按钮，生成螺旋线新模型.

3.7 添加约束齿形轮廓相关方程式

创建草图，选取上视基准面作为草图基准面，在草图环境中绘制草图，绘制完毕后退出草图设计环境.选择下拉菜单 “工具”→ “方程式”命令，系统弹出 “方程式”对话框.在 “方程式”对话框中单击“添加”按钮，系统弹出 “添加方程式”操控板.在图形区选择尺寸 “12.34”，在操控板中输入 “"D4＠草图3" ＝ （" 模数"*pi）／2”.参照尺寸 “12.34”方程式的创建方法创建尺寸 “11.98”的方程式为“"D1＠草图3" ＝ （" 外径" －4.2*" 模数"）／2”，尺寸 “12.27”的方程式为 “"D2＠草图3" ＝（" 外径" －2*" 模数"）／2”，在 “方程式”对话框中单击 “确定”按钮，完成方程式的创建.单击“重建模型”按钮，生成新模型.

图6 添加方程式

图7 转子

3.8 添加零件特征——切除－扫描

创建草图，选取上视基准面作为草图基准面，在草图环境中绘制草图，绘制完毕后选择 “退出草图”命令，退出草图设计环境.选择下拉菜单 “插入”→ “切除”→ “扫描”命令，系统弹出 “切除－扫描”窗口.选取草图作为扫描特征的轮廓，螺旋线作为扫描特征的路径［7］.单击窗口中的 “确定”按钮，完成切除—扫描的创建，如图7所示.

3.9 零件模型创建完毕，选择下拉菜单 “文件”→ “保存”命令，即可保存零件模型.

3.10 使用同样的方法，通过添加方程式来定义参数，进行另一个转子的建模设计，因为阴阳转子是啮合运动的，所以在进行另一个转子建模时，应将外径、模数、压力角和方向等参数设置一致，便于装配.

4 结束语

在产品设计和开发过程中，零部件的标准化、通用化和系列化是提高产品设计质量、缩短产品开发周期的有效途径，而基于三维CAD系统的参数化设计与二维绘图相比更能够满足制造信息化的要求［8］.运用Solidowrks中的方程式添加功能，巧妙的对其进行参数化设计，在不同的使用环境中方便的进行可视化修改，从而到达最直接的参数驱动建模的目的，这对于提高螺杆压缩机设计质量与效率具有实际意义.

［1］ 郁永章.容积式压缩机技术手册 ［M］.北京：机械工业出版社，2000：10－30

［2］ 邢子文.螺杆压缩机理论、设计及应用 ［M］.北京：机械工业出版社，2000：20－50

［3］ 伍涛，谢庆生.用Delphl对Solid works进行二次开发 ［J］.贵州工业大学学报，1999，（06）：34－38，55

［4］ 张长胜.采用Visual C＋＋对参数化造型软件Solid works进行二次开发的方法 ［J］.模具技术，2005，（06）：9－11

［5］ 陶元芳，安喜平，于万成，等.用VC＋＋对Solid works进行二次开发 ［J］.模具技术太原科技大学学报，2006，（02）：101－105

［6］ 王文波，涂海宁，熊君星.Solid works2008二次开发基础与实例 （VC＋＋）［M］.清华大学出版社，2009：8

［7］ 邹平贵.基于Pro／E的渐开线圆柱齿轮三维参数化建模 ［J］.机电工程，2007，24（02）：52－54

［8］ 安美玲，孙伟.基于Pro／E的减速器参数化建模与运动仿真 ［J］.机械研究与应用，2009，（02）：88－90