自补偿式端面水压密封三维参数化设计

2016-06-01张玺琛

黑龙江水利科技 2016年3期

关键词：三维设计参数化表达式

张玺琛

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

自补偿式端面水压密封三维参数化设计

张玺琛

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

摘要：混流式水轮机自补偿式端面水压密封是水轮机的重要密封部件，由于密封结构形式相对较为固定且多为回转部件，因此设计过程有利于实现三维建模和参数化建设，通过UG三维软件的应用，以excel作为参数控制工具，为后续的设计研发工作提供良好的便利条件。

关键词：三维设计；参数化；wave链接；表达式；电子表格控制；规律曲线

1结构特点

自补偿式端面水压密封由转动部件与固定部件组成，转动部件的抗磨板利用螺栓固定安装于主轴或转轮上。固定部件主要包括工作密封块、浮动密封环、弹簧、压紧螺栓、导向环、密封水箱、工作密封块磨损指示装置、供水排水管路等。整个密封装置中，弹簧为成型件，浮动密封环为铸件，其它大部分零部件为钢板焊接结构，并且大都是回转部件。

从以上结构特点可以看出，端面水压密封的结构相对简单固定，方便快速建立三维模型，由于多数为回转部件，参数化比较容易控制。

2三维参数化建模的优点

随着科学技术的发展以及水轮机用户的要求不断提高，为了提高设计水平，改善工作效率，满足客户需求，就必须借助三维可视化建模平台进行三维设计，而三维建模的参数化不但可以实现零部件的三维可视化，更重要的可通过输入机组的设计参数，快速得到经得起考验的设计产品，大大提高了工作效率的同时，也提高了设计质量。

目前，三维设计软件UG(unigraphics NX)不但能够实现像CAD、proe、solidworks等三维软件的建模功能[1]，而且还可以使建模得到参数化控制，设计人员只需使用一个制作好的参数表就能轻松改变模型的设计参数。其次，对于同一个机组的多个专业设计团队可以通过参数控制，实现同步协同设计的目的，避免各专业组之间出现沟通不顺畅而导致接口参数的错误问题的发生。

3参数化建模的具体步骤

建模的主要思路是运用整个主轴密封装置的轴面草图，通过wave几何链接器和实例几何体特征来控制整个装置的三维结构，再通过excel电子表格，将主轴密封在设计过程中所用到的几个基本参数，利用成熟的理论计算程序进行计算，得出的最优结通过UG表达式编辑器传递给三维模型[2]，实现自补偿是端面水压密封的设计参数化控制。

对于密封弹簧的建模设计，则采用规律曲线和截面扫掠的方法来完成。以下是建模的具体步骤：

1)第1步：首先，打开UG软件，新建一个模型文件，给模型取个名字。这里需注意的是名字不能带有中文字样。然后选择文件夹路径，最后单击确定，进入UG建模的工作界面。

2)第2步：点击“插入”、“任务环境中的草图”，打开“创建草图”对话框。以X—Z平面为基准平面进行多个截面草图的绘制，不同的零部件可以分别放入不同的草图里面，草图与草图之间进行几何约束控制。这里需要注意的是，所有草图都应该以X—Z平面为基准平面来绘制。由于设计的边界条件目前还无法实现，所以只能通过草图来首先确定设计边界条件，即主轴密封的安装高程和水轮机主轴的截面草图(所有线均设置为参考曲线，便于观察)。有了基本边界条件，则可进行“插入”—>“任务环境中的草图”来分别建立工作密封块、浮动密封环、弹簧、压紧螺栓、导向环、密封水箱、工作密封块磨损指示装置、供水排水管路等的二维轴面图。为了避免草图中出现过多的尺寸参数而导致系统资源的占用过高，可以将各个部件之间的螺栓孔的截面放入独立的草图中进行控制，这些草图界面均用几何约束与相应的零部件草图进行关联。草图创建图见图1。

图1草图创建示例

3)第3步：在装配导航器中搭建装配结构。将导航器切换到装配导航器，在工具栏上点击“装配”，“组件”，“新建组件”。重复上述操作可建立多个零部件，最终效果见图2所示：

图2　装配导航器

经过上述3个步骤的铺垫之后，接下来需要将所有草图(轴面图)中的曲线和基准分别链接到子装配或子零部件中去，由于所有的尺寸约束都在总装配的各个草图中，所以在分装配的设计中就不用考虑尺寸及约束的问题了，而是直接拿链接过来的曲线进行建模[3]。

对于如何链接曲线，首先，我们需要打开wave功能，在装配导航器的标题栏位置右键选择“wave模式”，使得“wave模式”前面出现一个“√”。然后，选择总装配右键，选择“WAVE”，“将几何体复制到组件”，在弹出的对话框中，将过滤器选择为曲线模式，选择曲线，接着点击“确定”，进入组件选择步骤，然后选择零部件，点击确定完成曲线链接过程。wave功能演示图见图3。

4表达式链接的创建

当所有的零部件通过UG的三维建模方法进行建模之后，为了实现更多的参数控制功能，则需要通过表达式编辑器来进行参数及公式的关联。这里以密封水箱为例，打开表达式编辑器，输入关于密封水箱的合缝面角度位置参数、水箱与水箱盖之间把合螺栓的角度和数量参数，以及水箱与密封压盖之间把合螺栓的角度和数量参数，以便在做水箱建模时进行部件间链接控制。表达式编辑器见图4。

图3　wave功能演示

图4　表达式编辑器

表达式编辑器中提供了一个表达式链接功能，可通过该功能实现与总装配参数的链接。链接对话框见图5。引用对话框见图6。

图5　链接对话框

图6　部件间引用对话框

5使用电子表格控制表达式参数

在完成建模步骤之后，有些参数是通过相关的计算所得出来的，并且希望这些参数可以自动与模型相关联，需要在UG里面能够使用电子表格功能，接下来具体阐述电子表格是如何控制几何体参数的。

在静压自调节主轴密封中，弹簧是最关键的部件之一，其参数的设置直接影响到整个主轴密封的密封效果，为了能够用理论公式得到弹簧的参数，需要对UG表达式进行相关设置[4]。

首先，在总装配模型的状态下，打开表达式对话框，建立表达式，所建立的表达式为:

RPC_spring_D

RPC_spring_d

RPC_spring_H0

RPC_spring_H2

RPC_spring_k

RPC_spring_n

RPC_spring_nz

RPC_spring_p

表达式建立完毕后，点击确定将表达式对话框关闭，接着点击工具栏上的“工具”，选择“电子表格”，打开excel电子表格并编辑。总装配下的表达式编辑见图7。电子表格计算页面及参数设定见图8。

图7　总装配下的表达式编辑

图8　电子表格计算页面及参数设定

由于excel表格是通过UG打开的，因此会有UG的相关加载项，于是可以在 excel表格的工具栏上面找到“加载项”。用鼠标单击进入加载项选项卡，然后找到“定义表达式范围”按钮，在点击该按钮的时候需确保图8中电子表格里面定义的表达式已经处于被选中的状态，即上一步所讲的框选参数。找到“选项”下拉菜单，单击确定，退出“更新方法”对话框。找到“更新NX部件”按钮，点击进行更新。参数的更新操作见图9。

图9参数的更新操作

待更新完毕后，关闭excel表格。退出电子表格之后，打开表达式，则可以看到相关的参数已经成功从表格中更新到表达式，同时三维模型的相关尺寸大小也随着表达式参数的变化发生了相应地改变。

6使用规律曲线完成弹簧建模过程

在自补偿端面水压密封中所使用的弹簧为压缩弹簧，整个密封装置通过压缩弹簧来实时调节密封端面的水压力。弹簧具有螺旋上升的结构特点，而且其旋绕比、有效圈数、节距等参数一旦给定，则其形成的螺旋曲线可以被视为有规律的螺旋上升曲线，那么就可以通过表达式的方式建立该螺旋曲线，下面来讲解如何利用规律曲线来生成弹簧的建模过程。

在讲弹簧的建模过程之前，这里将讲述一下规律曲线的生成原理。任何软件都是用程序编辑的，因此，可以把规律曲线特征的生成过程理解为如下程序代码的运行过程：

float t;//定义一个浮点型变量t

doublext,yt,zt；//定义三个双精度浮点型变量xt,yt,zt

t=20;//将t赋值为20

for(t=0;t<=1;t+0.1)//循环语句,开始时t被赋值为0，假设每循环一次t增加0.1

{

xt=3*t;//定义xt函数

yt=2*t+1;//定义yt函数

zt=0;//定义zt函数

}//当t被赋值为1.1的时候，t<=1条件不满足，自动退出循环语句。