浮选机关键零件的参数化设计

孟庆当,丁战友,杨善来,谈国荣,董玉德

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009;2.铜冠矿冶设备公司,安徽 铜陵 244000)

0 引 言

随着三维CAD软件的快速发展,针对三维CAD软件的二次开发越来越普及.对三维设计软件进行二次开发可以有效降低设计成本,避免重复性设计,提高设计效率.当前主流的设计软件,如SolidWorks、UG、Pro/E等都提供了二次开发接口(API),使用户能在软件本身功能的基础上开发出专用的功能模块,满足特定的要求.而SolidWorks作为一套基于Windows的三维CAD桌面集成开发软件,由于其操作简单,功能强大,且具有很好的开放性和兼容性,近年来SolidWorks得到了越来越广泛的运用.以SolidWorks为平台的针对不同机械产品的二次开发也越来越普遍.

浮选机是矿物加工过程的核心装备之一,世界上90%的有色金属和50%以上的黑色金属矿物采用浮选法处理[1].国内外对浮选机的研究、设计、制造和应用一直非常重视.但由于在浮选机设计过程中,设计周期较长,重复性设计较多,浮选机设计效率很难满足市场的需求,这就需要一种新的设计方法来尽量缩短设计周期,减少重复设计以提高设计效率,进而满足市场的需求.而对三维设计软件SolidWorks进行二次开发,开发出专用浮选机参数化设计模块,结合浮选机大型化技术以及数据库技术,有助于提高浮选机的设计效率,减少重复性设计并且利于浮选机的系列化.

1 浮选机结构设计

1.1 设计原理

SolidWorks API 也称为SolidWorks应用程序开发接口,是指SolidWorks程序暴露给开发人员使用的接口,接口为用户提供了自由、开放、功能完整的开发工具,其中包含了大量的功能函数.开发人员可以通过调用这些功能函数实现所需要的功能,如生成拉伸特征、生成草图等[2].SolidWorks二次开发接口(SolidWorks API)有良好的开发性和兼容性.而任何支持OLE(Object Linking and Embedding,对象的链接与嵌入)和COM(Commponent Object Model,组件对象模型)的编程语言都可以作为SolidWorks的开发工具，如VBA、VB、VC++等开发工具.由于SolidWorks系统本身是由VC++开发的,使用VC++对SolidWorks进行二次开发可以提高软件本身的兼容性,开发出的模块可以很好地嵌入到SolidWorks中而不会出现排斥,实现SolidWorks与VC的无缝集成.因此本研究以VC++6.0作为开发工具.SolidWorks二次开发分为两种:一种基于自动化技术,可以开发EXE形式的程序;另一种开发方式基于COM技术,可以生成动态链接库(*.dll)程序,将功能嵌入到SolidWorks菜单栏中,作为SolidWorks的一个插件.本研究采用后一种开发方式,即生成动态链接库.

1.2 浮选机结构及设计

XCF型自吸浆充气机械搅拌式浮选机结构如图1所示,主要由U形槽体、空心主轴、轴承体、对开式中心筒、对开式圆盘形盖板以及叶轮定子系统等部分组成.轴承体安装在兼做气道的横梁组件上.

图1 XCF型浮选机结构

浮选机的参数化设计分为3个步骤:

(1) 主轴部件的参数化设计 在主轴部件中,选定叶轮、轴承为关键零件,其尺寸为主动尺寸,其他零件尺寸与之关联,实现主轴部件的整体尺寸驱动及设计.其中轴承为标准件,将国家标准数据输入相应的数据库即可实现轴承的快速生成.浮选机中使用的叶轮尺寸尚无国家标准,可根据经验公式对其进行参数化设计计算.

(2) 槽体部件的参数化设计 在槽体部件中,浮选机容积主要由U形槽控制,因此,选定U形槽为槽体部件的关键零件.以U形槽的尺寸变动驱动其他零件尺寸变动,U形槽尺寸以总结出的经验公式进行设计,使浮选机容积变化进而实现整个槽体的设计.

(3) 浮选机主机整体设计 当主轴部件、槽体部件设计完成后,则将二者装配,然后对其他辅助零部件进行设计即完成浮选机主机的整体设计.

浮选机整机装配采用自下而上的装配体设计思路,即在自下而上的设计中,首先生成零件并将其插入装配体,然后根据设计要求配合零件.因为配合的零部件是独立设计的,它们的相互关系及重建操作比较简单和快捷,也就是说,当要修改配合零部件中的特征和尺寸时,可以直接打开相关联的零部件文件,对零件实体进行编辑.此时,系统会将零部件的编辑操作直接作用于装配体中,这种操作方式可以很好地保持设计者的设计意图与连贯性.

在装配体中选出关键零件以及零件的关键尺寸.关键零件是整个零部件的核心零件,利用SolidWorks方程式功能,使其他零件尺寸与关键零件尺寸直接或者间接关联.以关键零件的关键尺寸为主动尺寸,其他与之关联的零件尺寸为被动尺寸,在装配体中,当对关键零件进行参数化设计时,关键尺寸根据设计需要以一定的放大(缩小)规则变动,则与之相关的零件尺寸也随配合关系作出相应调整,使装配关系依然成立.这样,只需对关键零件进行重点设计,其他非关键零件尺寸视情况修改即可,这样就大大提高了浮选机整体的设计效率.

2 关键零件的设计及相似准则

系列化产品设计实际上就是在原型产品设计的基础上,参照相似学的相关原理,根据相似规律,计算出系列中其他规格零件或产品的尺寸、性能等参数,进行序列拓展.而“系列化设计准则”就是研究新型和原型两个相似系统之间的关系,分析参数构成,进而推导出参数之间的相似准则或者相互转换关系,并应用该准则或关系指导新的设计.将相似理论应用于产品的系列化设计中,最便捷的方式就是将新型与原型之间的相似准则直接或间接地应用到机械设计过程中,把系列化产品与已有的单一产品作为相似系统,这样,相似理论就为产品的系列化提供了重要的理论依据[3].

根据相似系列化设计理论,在主轴部件装配体中选择叶轮为关键零件,在槽体部件装配体中选择U形槽作为关键零件.对关键零件进行参数化设计时,根据一定的相似准则对关键零件进行放大,浮选机放大的关键在于依据相似学相关知识选择放大因子以及放大准则,不同的浮选机由于其工作原理、操作参数和适用范围的不同,其采用的放大因子和放大规则也不相同.

机械结构相似即保持浮选机的关键部件几何形状相似,包括槽体相似和叶轮搅拌机构相似.槽体相似和叶轮相似是浮选槽中悬浮相似和流体动力学相似的前提.表1为XCF型自吸浆充气机械搅拌式浮选机主要结构技术参数.

表1 XCF型浮选机技术参数

2.1 叶轮的设计及相似准则

叶轮是机械搅拌式浮选机的关键部件,担负着搅拌并循环矿浆及吸入并分散空气的作用.其设计与制造质量决定浮选机的机械性能与浮选工艺性能[4].

叶轮相似放大时,需要寻找叶轮的关键参数及其与浮选槽容积间的关系.最能体现叶轮性质的关键参数为叶轮直径,图2为根据表1拟合出的叶轮直径与槽体容积间关系图,从图2可以看出,叶轮直径与浮选机槽体容积呈幂函数关系,因此浮选机放大时可采用叶轮直径为叶轮形状放大的放大因子,其相似放大准则为

D=a1Vb1.

(1)

式中D为叶轮直径;V为槽体容积;a1，b1为槽体结构相关的系数.可通过同系列浮选机叶轮数据拟合确定.通过对同系列浮选机结构数据,应用MATLAB对数据进行拟合,计算出a1=0.398 2,b1=0.279 1.因此,叶轮放大规则为

D=0.398 2V0.279 1.

(2)

2.2 槽体的设计及相似准则

为避免矿砂堆积,有利于粗矿粒向槽中心移动以便返回叶轮区再循环,减少矿浆短路,一般将浮选机槽体设计成“U”型.对于充气机械搅拌式浮选机槽体适当加深,深槽可降低主轴搅拌功率,易实现大型化;浮选槽容积相同时,深槽占厂房面积小,可减少投资[5].因此,充气机械搅拌式浮选机一般采用深槽结构.

一般浮选机槽体放大方法,均以保持叶轮直径与槽体横截面特征尺寸的比值不变的方法进行放大.图3为槽体截面积与叶轮直径比值和槽体容积间的关系,从图3可以看出，槽体横截面面积与叶轮直径的比值和槽体容积间呈幂函数关系,因此浮选机槽体放大时采用截面积与叶轮直径的比值为放大因子,其放大规则为

S/D=a2Vb2.

(3)

式中S为横截面面积;D为叶轮直径;V为槽体容积;a2,b2为与槽体结构相关的系数,可通过同系列浮选机结构数据拟合确定.

通过对同系列浮选机结构数据,应用MATLAB对数据进行拟合,计算出a2=2.387,b2=0.382 3,因此,得出槽体放大规则为

S/D=2.387V0.382 3.

(4)

图2 叶轮直径与槽体容积间关系 图3 槽体截面积与叶轮直径比值和槽体容积间关系—+—原始数据；——拟合曲线

3 关键零件参数化设计

3.1 叶轮参数化设计

图4所示为叶轮参数化设计界面,在叶轮的设计计算中,槽体有效容积是指槽体实际处理矿浆的能力,输入槽体有效容积V后,则根据式(2)计算出叶轮直径D,计算出叶轮直径后,根据叶片高度与直径之间一定的比例关系计算出上下叶片高度.叶轮外形尺寸计算出后,其他尺寸部分与其他零件尺寸关联,部分尺寸可根据需要适当修改,则对叶轮的参数化设计放大过程完成,当然,由于式(2)是拟合公式,因此,计算出的数据应适当修正并进行优化,对于成熟的可行的尺寸,可单击【新建】按钮存至数据库列表中,这样利于叶轮的系列化.

图4 叶轮参数化设计界面

叶轮设计计算部分程序如下所示:

void thirtydlg::OnCalculator()

{ UpdateData(TRUE);

…

m-D=static-cast(0.3982*pow(m-V,0.2791)*1000);//计算叶轮直径

m-b=0.4*m-D;//计算高度

double L1;

L1=m-D/2;

m-L1.Format("%.1f",L1);

double H5;

H5=0.22*m-b;

m-H5.Format("%.1f",H5);

double H6;

H6=0.3*m-b;

m-H6.Format("%.1f",H6);

double H7;

H7=0.34*m-b;

m-H7.Format("%.1f",H7);

double D1;

D1=0.552*m-D;

m-2R1.Format("%.1f",D1);

double D3;

D3=0.41*m-D;

m-2R3.Format("%.1f",D3);

int R2;

R2=static-cast(0.94*m-D/2*10+0.5f);

double r2;

r2=R2/10;

m-R2.Format("%.1f",r2);

UpdateData(FALSE);

}

3.2 U形槽参数化设计

图5为槽体部件U形槽参数化界面.

图5 U型板参数化界面

图5中，n=V1/V.其中，n为槽体有效容积系数;V1为槽体的有效容积;V为槽体的几何容积.几何容积包括有效容积以及叶轮、定子、槽底死角等所占用的体积.输入槽体有效容积系数以及槽体有效容积后,则根据式(2),(4)可以计算出槽体横截面积S.根据表1数据,可知槽长L=2R,且槽体长宽尺寸相等，即S=L2,因此可以计算出槽长L以及U形板半径R,在计算槽体深度H时应使用槽体的几何容积进行计算.槽体设计计算程序如下:

void eighteendlg::OnCalculator()

{ UpdateData(TRUE);

if(m-n==0)

{AfxMessageBox("请输入有效容积系数n");

return;}

if(m-V1==0)

{AfxMessageBox("请输入有效体积V1");

return;

}

double V2;

V2=m-V1/m-n*pow(10,9);

double Dx;//叶轮直径

Dx=0.3982*pow(m-V1,0.2791)*pow(10,3);

double Sx;//槽体截面积

Sx=2.7215*pow(m-V1,0.4326)*Dx*pow(10,3);

double Lx;//槽体长度

Lx=sqrt(Sx);

m-L.Format("%.1f",Lx);

double R;//U形槽半径

R=Lx/2;

m-R.Format("%.1f",R);

double Sa;//槽体端面面积

Sa=V2/Lx;

double S1;

S1=3.14*pow(R,2)/2;

double S2;

S2=Sa-S1;

double H2;

H2=S2/Lx;

double H;

H=R+H2;//计算槽体高度

m-H.Format("%.1f",H);

UpdateData(FALSE);}

4 结束语

本文介绍了以SolidWorks为开发平台,以其二次开发技术为基础,结合相似学有关知识提出关键零件相似准则,对浮选机关键零件进行相似放大,根据设计思路实现整个装配体的放大.通过对关键零件进行设计计算并参数化,进而实现整个装配体的快速建模,有助于浮选机的系列化.同时也对浮选机的设计方法进行了一定的探索.在企业产品设计开发过程中,运用参数化的方法与实际相结合,可以开发出符合自身需要的变量化模型,这将极大地提高设计效率,缩短产品开发周期,具有较强的现实意义.

参考文献：

[1] 沈政昌.浮选机理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,2012:5-35.

[2] 王文波,涂海星,熊君星.Solidworks2008二次开发基础与实例[M].北京:清华大学出版社,2009:59-90.

[3] 张伟.非标机械产品系列化设计准则及工程应用研究[D].郑州:郑州机械研究所,2011:30-53.

[4] 沈政昌,卢世杰,杨丽君.KYF系列大型浮选机的研制开发与应用[J].有色金属,2008,60(4):116-117.

[5] 沈政昌,刘振春.XCF自吸浆充气机械搅拌式浮选机[J].矿冶,1996,5(4):42.