潜油电泵机组计算机CAX集成应用

摘 要：采用三维计算机辅助CAX技术进行潜油电泵机组开发设计，对关键部件进行计算、分析，得到可视化的优化方案，装配出数字化虚拟机组样机模拟运行，提高了产品的性能和可靠性，缩短产品研制周期，集成数控加工，大大提高了生产效率和精度。CAX的集成应用，构造成企业的简单计算机制造系统，降低了企业成本，以信息化带动企业工业化的升级，真正增强了企业的核心竞争能力。

关键词：潜油电泵机组；CAX；CAD；CAE；CAM；集成应用

中图分类号：TE393

大庆油田力神泵业有限公司是研发、制造、营销潜油电泵和螺杆泵等石油泵类产品的专业公司， 是中国最大的潜油电泵集成供应商。在立足国内市场的基础上，规模化进入了苏丹、印尼、哈萨克斯坦、科威特等国际市场。在国内外市场激烈的竞争下，我公司通过计算机辅助技术CAX集成应用，利用先进的计算机技术进行潜油电泵机组产品结构调整及制造业工艺装备改造与升级，利用信息化带动企业的工业化，促进经济快速增长，提高企业的市场竞争力。

1 三维设计，提高设计质量

1.1 问题分析

我公司在国际市场面对美国、英国、俄罗斯等强劲同行对手，公司传统的二维产品设计方式已不再适应企业对产品的时间、质量、成本的要求，企业信息化是企业提高核心竞争能力的必然途径。

1.2 采用三维设计

产品设计的数字化设计是企业信息化的重要内容。为了提高设计水平及质量，经缜密论证与原二维DWG数据具有最好的继承兼容性，我产品研发人员采用支持产品创新设计最为重要的技术和工具—三维计算机辅助设计CAD软件Autodesk Inventor。三维的设计方式使产品的结构直观可见，设计过程中可随时得到部件模型的面积、体积、质量和重心等重要物理性数据，很大地提高了设计的质量和精度；设计出来的三维模型可快捷地创建符合GB的工程图纸，解决了复杂零部件的投影线生成难、漏标尺寸、漏画图线等问题。我项目设计人员利用三维建模检查出先前两维设计的某机组电机头与电缆联接处有一处1.5mm的楞缺，这个微小的楞缺导致动力电缆与潜油电机头的联接处不能够严密地密封，会使井液渗入潜油电机内，造成电机的烧毁，至使整套潜油电泵机组的损坏，设计人员及时发现了问题并修改完善了设计，避免了这个可能造成的几百万元损失的设计缺陷。

在18X系列新产品开发过程中，设计人员充分发挥三维设计方式提高创新能力和协同开发设计（CPC）能力，使得原本8个月潜油电泵机组的开发周期在5个月内就完成了，较大缩短了产品研制周期，加快了新产品投入市场的速度，使得新产品尽早地推向市场，并赢得了国际市场的合同。

1.3 虚拟潜油电泵机组数字化样机

三维设计出潜油电泵机组的所有部件，采用自底而上和自顶而下两种装配模式，进行电泵机组的仿真装配，虚拟装配出潜油电泵机组数字化样机。

（1）对潜油电泵机组数字化样机进行物性干涉检查，尽早发现出设计阶段存在的干涉或设计不合理等错误，避免了以往各部件要等到实际生产出来了才发现错误而造成的可避免的损失。（2）潜油电泵机组在车间实际装配之前，预先在计算机中模拟装配过程中，通过分析部件间装配关系，定义和建立零部件的特征信息和参数信息，使零件的结构设计更加合理，保证了实际生产的加工工艺性和装配的工艺性。（3）使用数字化样机作产品机构的仿真分析。通过计算机模拟电泵机组实际运动状态，数值化地掌握有没有动态干涉，可科学分析、解决机组机构的几何关系和运动关系，使得产品开发设计更精确、更合理。（4）设计数字化虚拟样机，可以减少甚至避免产品样机的实际生产，较大降低了产品研制的成本。（5）三维模型的高清晰逼真的产品渲染照片，装配过程的动画视频，易于产品的外观、结构等生产信息的表达、交流和传递。

2 三维集成应用

建立起多个系列潜油电泵机组的三维模型数据库，基于统一的数据库平台，把CAD、CAE、CAM软件有机地结合起来，统一组织各种数据信息的提取、交换、共享和处理，形成我企业简捷的集成化应用。

2.1 产品设计中CAD/CAE集成应用

由于潜油电泵机组要放到几百甚至几千米深的地下油井中使用，受到油井套管内径尺寸的严格限制，至使潜油电泵机组的结构是又细又长的。潜油电泵的关键部件—泵轴也是细长的，泵轴直径的设计是否合理，不仅决定了潜油泵功率输出能力的大小，而且也关系到潜油泵中叶导轮过流空间的大小，因此潜油泵轴的合理设计是潜油电泵机组设计的关键。

潜油电泵轴主要功能是传递动力功率，工作过程中主要受到的是扭矩的作用。使用CAE计算机辅助计算软件ANSYS对潜油泵轴进行有限元受力、强度的计算，根据等参数单元概念，位移函数和几何坐标的变换式取相同形函数建立起有限元力学模型。

单元应力的计算：[σ]=[σx σy σz τxy τyz τzx]T=[D][B][δ]e=[D][B1 B2 … B10][δ]e

式中：[D]为弹性矩阵；[B]为单元几何矩阵，[δ]e为单元位移列阵。

边界面上各节点的等效节点载荷为：

通过计算、分析，验证应力最大点主要集中在泵轴的花键齿与花键收尾相交的根部，是潜油泵轴发生断裂的最危险的位置。

针对计算分析得到的结果，对泵轴进行多次优化设计，最后恰当地确定花键收尾圆弧半径技术参数，有效降低了该部位应力集中的问题，不仅大大降低了潜油泵发生断轴的风险，还使得泵轴最大功率输出能力比原来的设计提高了29%，提高了潜油电泵机组功率等级，增强了潜油电泵机组的安全可靠性。

2.2 机械加工中CAD/CAM集成应用

CAM是CAX系统应用中最能明显发挥效益的环节。我们使用的计算机制造CAM系统是Edge CAM（for Inventor），Edge CAM系统直接读取三维模型数据，无需任何转换接口，智能化自动识别模型的几何体结构相关的各种加工特征信息，不造成任何丢失。软件自动优化刀具路径，仿真模拟与现场相同的加工过程，对加工工艺进行模拟，检验产品设计的合理性，减少了加工过程中可能出现的加工缺陷。通过软件自动形成基于我公司FANUC系统的数控设备模版的DNC代码，通过网络联接，一对多地把数据传送给加工车间10余台数控机床和加工中心，使得一台计算机可以同时控制多台数控加工设备，很大程度上提高了加工自動化，提高了加工精度和加工质量，缩短了生产周期。

3 结束语

通过计算机（CAX）辅助技术使得信息技术、制造技术、自动化等技术的集成应用，形成我企业简单的集成制造系统（CIMS），最大限度地实现了企业信息共享，实现产品设计、制造数字化、一体化，建立新的企业运行方式，深化了我企业信息化，通过提高设计能力、缩短新产品研制周期、提高产品加工质量与效率，以及产品结构调整和制造工艺装备改造与升级，扩展了企业在产品关键领域的应用能力，降低了企业成本，以信息化带动工业化，真正增强了企业的核心竞争能力，增强了企业生存和发展的主要力量，促进企业经济增长，使企业走上一条持续、快速、健康的发展之路。

参考文献：

[1]陈伯雄.三维设计是CAD技术应用的必然趋势.计算机辅助设计与制造，2000（08）：11.

[2]李健.实施制造业信息化工程提高中国制造业竞争力.中国信息导报，2003（10）：17.

作者简介：栾沈军（1970.09-），1990年毕业于黑龙江省电子工业学校，1997年毕业于哈尔滨工程大学，计算机工程师，从事软件开发、企业信息化建设工作。

作者单位：大庆油田力神泵业有限公司技术研发中心，黑龙江大庆 163311