1、基于 ProE 的离心蜗壳三维模型设计沈阳农业大学,200504,36(2):241243JournalofShenyangAgriculturalUniversity,2005-04,36(2):241243基于 Pro/E 的离心蜗壳三维模型设计赵青松,李成华术,王博,宫元娟,于玉真(沈阳农业大学工程学院,沈阳 110161)摘要:分析了目前离心泵蜗壳在三维模型设计中存在的问题 ,采用 Pro/E 零件模块和曲面造型模块的三维造型功能和实体转换特征,提出了一种离心泵蜗壳实体模型构造和研究的新方法,为离心蜗壳的三维模型设计与生成准确的工程图之间提供了一种新思路.生成的 Pro/E 参数化图形
2、直观,简洁,形象,便于修改设计和对产品进行系列化设计.为采用有限元分析方法和流体动力学分析方法进一步研究离心泵蜗壳提供了实体模型关键词:离心式水泵;蜗壳;Pro/E;模型设计中图分类号:$2779.2 文献标识码:A 文章编号:100017O0f2O05)02024103Three-DimensionalModelingDesignforCentrifugalSpiralCasingBasedonPro/EZHAOQingsong,LICheng-hua 术,WANGBo,GONGYuan-juan,YUYuzhen(CollegeofEngineering,ShenyangAgricultu
3、ralUniversity,Shenyang110161,China)Abstract:Themainproblemsinthreedimensionalmodelingdesignforspiralcasingofcentrifugalpumpwereanalyzed,andthedesignandstudymethodforspiralcasingmodelingwerediscussed.Adoptingpartsmodule,curvestructuremoduleandtransformentityofprogramPro/E,theproblemsofmodelingdesigno
4、fspiralcasingandthedifficultybetweenthreedimensionalmodelingdesignderivingengineeringdrawingsweresolved.TheparameterizeddrawingsderivedbyPro/Eareeasilytobemodifiedforseriesdesigns,whichoffersanewfeasiblemodelingdesignmethodforspiralcasing.Anentitymodelforfurtherstudywithfiniteelementandhydro-dynamic
5、methodsisavailable.Keywords:centrifugalpump;spiralcasing;pro/E;modeldesign泵是工农业生产中输送流体的主要设备,目前应用最为广泛的是离心式水泵.从流体力学角度分析,影响离心泵工作效率的主要工作部件是离心叶轮和离心蜗壳.随着 CAD 和 CAM 技术的广泛应用,离心叶轮和离心蜗壳的设计过程正逐步由二维化向三维参数化设计转变.不但加快新产品设计进程和提高产品的设计质量,而且有利于产品的系列化和通用化设计.有关离心泵叶轮的三维模型设计技术目前已有报道,但有关离心泵蜗壳三维模型设计技术还不够成熟和完善【.2.本研究基于目前应用广泛
6、的三维模型设计软件 Pm,E.研究离心泵蜗壳三维模型设计方法和相关设计过程.1 离心泵蜗壳的造型方法分析1.1 离心泵蜗壳的功用和类型离心泵蜗壳是流体重要过流部件,其主要功能是使流过叶轮流体的动能转变为压力能.离心泵蜗壳的形状参数决定流体能量损失的大小,直接影响离心泵的工作性能.以离心式水泵为例,目前低比速离心水泵和超低比转速离心泵的应用越来越广泛,但这类泵的效率普遍很低,除了圆盘摩擦损失随比转速的降低而明显增大外,泵蜗壳中的水力损失在水泵水力总损失中也占较大比例.低比转速离心泵,蜗壳中的水力损失占水泵总损失的 2550%;并且比转速越低,泵蜗壳内的水力损失越大翻 .我国目前泵的设计方法比较落
7、后,设计水平较低,有时批量生产的离心泵比模型泵的效率低 10%l.如何把优化设计得到的离心泵蜗壳水力模型参数准确地反映到泵的离心蜗壳上是目前设计面临的难点.离心泵蜗壳断面形状分为梯形断面,圆形断面和矩形断面三种(图 1).梯形断面结构简单,水力性能好,在泵行业应用广泛; 圆形断面多用于大型高压泵;矩形断面多用于化工和食品行业.在对蜗壳的光洁度要求很高的泵和大部分的风机上,都采用易于冲压成型的矩形断面结构.本研究以 3B33 型离心泵梯形断面蜗壳(图 2)三维造型为例,研究基于 Pro/E 的小型梯形断面离心泵蜗壳的模型设计方法收稿日期:200409-10作者简介:赵青松(1979 一)沈阳农业
8、大学硕士研究生,从事农业机械性能设计研究:通讯作者 Coespondingauthor:李成华(1958 一)沈阳农业大学教授,博士,从事农业机械化与自动化教学和科研工作?242?沈阳农业大学第 36 卷/,f(aJ 梯形断面(b) 矩形断面 (c)圆形断面TrapeziformsectionRectangularsectionCircularsection图 1 蜗壳断面形状Figure1Sectionshapeofspiralcasingc.I26图 2 蜗壳形状Figure2Shapeofspiralcasing1.2 离心泵蜗壳目前的主要模型设计及存在的问题目前对离心泵蜗壳形状和模型设
9、计的研究仍局限在二维空间内,主要应用AutoCAD 和 CAXA 对离心泵蜗壳进行设计存在的主要问题是在离心泵蜗壳试制并未对其进行试验以前,缺少对泵蜗壳的整体构造和外形参数的确切把握.很多离心泵样机试制完成以后,经过试验,泵的工作效率不高,结构不合理,外部造型不美观.但要更改外部模型参数需要重新订正木模,增加研制成本,造成不必要的浪费.二维空问绘图设计虽然较方便.但因其不具备参数化绘图功能,在设计的各个阶段,设计参数的每次修改都会引起相关的尺寸变动,如此反复,导致工作量大,且易出差错.目前虽然一些二维绘图软件扩展了三维绘图功能,可以进行三维实体模型设计,但操作麻烦,并且三维模型设计功能简单,对
10、于复杂零件要反复作布尔运算,其过程繁琐且效率不高.在以工程设计为目的的应用时,一般不采用 AutoCAD 实体模型设计功能41.在二维绘图软件如 AutoCAD 中也可以通过三维实体投影得到工程三视图,但得到的视图非矢量化,不能进行线型,图层或颜色修改.又因为离心泵蜗壳的截面在轴向,周向和径向的尺寸都要随一定的规律变化,一般设计软件很难表达其模型结构.1.3 离心泵蜗壳模型设计及特点离心泵蜗壳的截面在周向,轴向和径向都按一定规律变化,蜗壳的内表面和流体接触的所有曲面面都要求光滑过渡.离心泵蜗壳的厚度要求为均匀的 7mm.一般的 CAD 软件根本无法做出此泵蜗壳的实体模型.利用 Pro/E 零件
11、模块模型设计功能和曲面造型模块功能 ,可以准确生成光滑的流体蜗壳.可以对蜗壳任意截面位置和形状进行参数化设计,随时调控截面的位置,形状和尺寸,并生成蜗壳形状的准确二维工程图.本文研究利用 Pro/E 对蜗壳进行三维模型设计生成三维模型 ,然后生成二维工程图,并进行标注,输出.由 Pro/E 导出的工程图与在 AutoCAD 中绘制的图形一样,可以对不满意之处进行修改,可以提高设计,绘图,修改等工作的效率和质量.2 基于 Pr0/E 的离心蜗壳模型设计方法2.1 离心泵蜗壳三维参数化实体模型设计方法第一,利用混合扫描和边界扫描特性进行模型设计.首先对泵蜗壳部分进行模型设计.建立如图 3 所示坐标
12、系,把蜗壳分为一 l8 共 l0 个截面,其中一 l 截面和 8 截面重合,分别建立 l0 个绘图基准面.绘制混合扫描截面图形.由于蜗壳曲线从 0 截面开始,为保证蜗壳的完整封闭性,一 l 截面和 0 截面的截面图形应相同.其余的各截面如图 3 所示(尺寸略).在绘制各截面图时一定要注意各截面的图元数必须相等;图元的生成方向也要相同,如同为顺时针方向;各图元的端点要重合并且图元组成的截面图要封闭 ,否则无法进行混合扫描.扫描轨迹在 XOY 平面内,圆心在原点,由九段圆弧组成一个圆.圆的半径可以是任意值.各段圆弧所对的圆心角为各相邻截面问的夹角.第二,采用混合扫描实体方式进行扫描.按顺时针方向选
13、定从 0 截面到 8 截面的 8 段圆弧为扫描轨迹,依次选择蜗壳外壁截面图形为扫描截面,扫描出蜗壳实体.采取同样的方法混合扫描出 0 截面到一 l 截面之间的蜗壳实体.得到内部是实心的泵蜗壳实体.第三,采用混合扫描剪切方式进行扫描.扫描的轨迹和方法同第二步,截面采用蜗壳内壁截面图形进行扫描,在第一步的基础上可以扫描剪切出了泵蜗壳的内部空间.得到构造外形和内部表面过渡圆滑,尺寸精确的离心泵蜗壳 f 图 4).第四,对出水管实体采用边界扫描造型设计.出水管顶部的边界曲线如图 5(a)和(b)所示,在 8 截面上的边界曲线的外边缘采用蜗壳的内壁曲线图形如图 5(c)所示.扫描轨迹分别沿 Y 轴负方向
14、,对扫描得到的曲面进行加笙塑一赵青松等:基于 Pro/E 的离心蜗壳三维模型设计.243.厚得到如图 6 所示蜗壳出水管.出水管内部与蜗壳相交部分多余材料采用边界扫描实体化方式去除.图 3 泵蜗壳的扫描截面及扫描轨迹Figure3Scantrackandscansectionofspiralcasing图 4 扫描后的泵蜗壳部分实体Figure4Scanedpartentityshapeofspiralcasing第五,采用 Pro/E 绘图模块对生成的三维实体模型进行三视图投影及其他视图的生成和二维工程图的标注.Pm/E 默认的视图投影视角是第三视角,注意一定要把视图的投影视角改为第一视角,
15、使其符合我国的视图投影标准.2.2 离心风机蜗壳三维参数化实体模型设计方法离心式风机蜗壳可采用边界扫描的方法进行模型设计.离心风机蜗壳一般采用沿对称平面分型冲压制造,因此在 XOZ 平面上下两部分分别采用边界扫描造型,便于设计蜗壳上下腔的安装接口和冲压模具,扫描后内部的多余材料与泵的蜗壳处理方法相同.对模型设计后的风机离心蜗壳进行实体加厚即得到风机蜗壳实体模型如图 7 所示.因为离心风机蜗壳截面图形的位置和尺寸参数已经参数化,如果对离心风机蜗壳形状不满意,可以随时对蜗壳参数进行修改,即可及时生成图形,直到设计图形符合设计要求为止(a)(b)(C)图 5 泵蜗壳出水管主要截面形状Figure5M
16、ainsectionshapeofdrainpipeofspiralcasing3 结论图 6 完全扫描后泵蜗壳Figure6Entirelyscanedshapeofspiralcasing图 7 小型离心风机蜗壳Figure7Shapeofminitypeofspiralcasing与传统设计方法相比,采用参数化设计和实体模型设计方法,只要绘制出零件的基本特征,就能生成所要求的零件图,其空间感,活动感和实体感明显直观,且操作容易,修改方便,提高了机械设计的效率.在设计过程中可以对零件任意放大,缩小,移动和旋转,以便设计者从不同的位置,方向,角度进行观察.在转变成二维工程图时,可以自动生成三视图,截面图,局部放大视图等.若图形不理想,可以回到零件模块修改参数,零件设计修改完成,二维工程图自动精确生成,快速简洁,使绘图工作量大幅度减少,对机械零件的设计具有一定的现实意义参考文献:1刘厚林,袁寿其 ,施卫东,等.离心泵水力元件维实体造型的研究J1. 水泵技术,2003(3):2223,332赵啸冰,许洪元 ,王晓东,等.水力机械蜗壳的设计进展 fJ.农业机械,2003,34(3):136140.31 施卫东 ,泵行业存在的主要问题及急需解决的关键技术【J.排灌机械,2001,19(6):79.【责任编辑亓国】
