（交通运输工程专业论文）罗茨鼓风机叶轮cadcam技术研究.pdf

摘要 罗茨鼓风机广泛应用于工业领域的各种气体输送，是一种重要的工业 装备。叶轮是罗茨鼓风机最为关键的部件，叶轮的设计制造质量高低直接 影响到罗茨鼓风机的工作性能。通过研究叶轮c a d c a m 技术，可大大提 高产品设计制造的质量，保证叶轮运行的可靠性。 圆弧线、渐开线、摆线是罗茨鼓风机叶轮的三种基本叶型。论文首先 对三种基本叶型的型线方程进行了分析研究，并对径距比的选取、面积利 用系数的计算进行了理论分析。 通过参数化设计可大大提高叶轮的设计效率。在分析总结参数化设计 方法的基础上，开展了基于s o l i d w o r k s 的叶轮参数化设计技术研究。提出 了能满足不同叶型叶轮参数化建模的思路，建立了叶轮参数化设计流程。 以v i s u a lb a s i c 为开发工具，在s o l i d w o r k s 环境下实现t - - - 叶圆弧型、三 叶圆弧型、二叶渐开线型、三叶渐开线型、二叶摆线型共五种类型叶轮的 参数化建模功能。 利用动态图形仿真技术，可有效地分析叶轮的工作啮合情况。论文研 究了基于s o l i d w o r k s 的三种动态图形仿真技术方案，包括二次开发方法、 利用插件c o s m o sm o t i o n 以及插件a n i m a t o r 的方法。以c o s m o sm o t i o n 和a n i m a t o r 为平台，实现了罗茨鼓风机叶轮的啮合仿真。 采用先进合理的数控加工技术和数控编程方法是保证叶型j u t _ 质量的 重要条件。论文研究了计算机辅助数控编程一般方法和叶轮数控刨削的技 术要点。在此基础上，开展了计算机辅助叶轮数控编程方法的研究，建立 了叶轮数控刨削加工代码自动生成算法流程。以v i s u a l b a s i c 为平台，开发 的程序实现了加工参数的交互输入和叶轮数控刨削代码的自动生成。 关键词罗茨鼓风机，叶轮，s o l i d w o r k s ，参数化设计，啮合仿真，数控 编程 a b s t r a c t r o o t sb l o w e r , w h i c hi sw i d e l ya p p l i e di nt h ei n d u s t r yd o m a i nf o re a c h k i n do fg a st r a n s f e r , i sa ni m p o r t a n ti n d u s t r ye q u i p m e n t t h ei m p e l l e ri st h e m o s te s s e n t i a lp a r to f r o o t sb l o w e r , a n di t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r eq u a l i t yw i l l a f f e c tt h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fr o o t sb l o w e rd i r e c t l y t h r o u g hr e s e a r c ho f c a d c a mt e c h n o l o g yf o ri m p e l l e r , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eq u a l i t yo f p r o d u c t c a nb eg r e a t l yi m p r o v e d ，a n dt h eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yo fi m p e l l e rc a n b eg u a r a n t e e d c i r c u l a rp r o f i l e ，i n v o l u t ep r o f i l e ，c y c l o i dp r o f i l ea r et h r e eb a s i cb l a d e p r o f i l e so f r o o t s b l o w e ri m p e l l e r t h ee q u a t i o no f t h et h r e eb a s i cb l a d ep r o f i l e s a r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e df l r s t l y , a n ds e l e c t i o no fr a d i a ld i s t a n c ea n da x i a l d i s t a n c er a t i o ，c a l c u l a t i o no f a r e au t i l i z a t i o nf a c t o ra r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h ed e s i g ne f f i c i e n c yo fi m p e l l e rc a nb e l a r g e l y e n h a n c e dt h r o u g h p a r a m e t r i cd e s i g n i nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y s i ss u m n l a r yo ft h em e t h o d so f p a r a m e t r i cd e s i g n , r e s e a r c ho fp a r a m e t r i cd e s i g nf o ri m p e l l e rb a s e do n s o l i d w o r k si s d e v e l o p e d i d e af o rp a r a m e t r i cm o d e l i n go fi m p e l l e rt h a ti s s u i t a b l ef o ra l lk i n d so fb l a d ep r o f i l ei sp r o p o s e d , a n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g n f l o wo fi m p e l l e ri se s t a b l i s h e d t a k i n gv i s u a lb a s i ca sd e v e l o p m e n tk i t ，u n d e r s o l i d w o r k se n v i r o n m e n t , f u n c t i o no fp a r a m e t r i cm o d e l i n go ff i v ek i n do f i m p e l l e r s ，i n c l u d i n gt w ob l a d ec i r c u l a ri m p e l l e r ，t h r e eb l a d ec i r c u l a ri m p e l l e r ， t w ob l a d ei n v o l u t ei m p e l l e r ，t h r e eb l a d ei n v o l u t ei m p e l l e r ，t w ob l a d ec y c l o i d i m p e l l e r , a r er e a l i z e d u s i n gd y n a m i cg r a p h i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h em e s h i n gs i t u a t i o no f i m p e l l e rc a nb ee f f e c t i v e l ya n a l y z e d t h ep a p e rh a ss t u d i e dt h r e ek i n do f d y n a m i cg r a p h i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ns o l i d w o r k si n c l u d i n g m e t h o do f f u r t h e rd e v e l o p m e n t ，m e t h o do f u s i n gp l u g - i nc o s m o sm o t i o na n d m e t h o do f u s i n gp l u g - i na n i m a t o r t a k i n gc o s m o sm o t i o na n da n i m a t o ra s p l a t f o r m s ，t h em e s h i n gs i m u l a t i o no f r o o t sb l o w e ri m p e l l e ri sr e a l i z e d u s i n g a d v a n c e dr e a s o n a b l en u m e r i c a l c o n t r o l l e d t e c h n o l o g y a n d n u m e r i c a l c o n t r o l l e dp r o g r a m m i n gm e t h o di sa l l i m p o r t a n tc o n d i t i o nt o g u a r a n t e et h ep r o c e s s 小脚i 够o fb l a d es e c t i o n t h ep a p e rh a ss t u d i e dg e n e r a l m e t h o do fc o m p u t e ra i d e dn u m e r i c a l c o n t r o l l e dp r o g r a m m i n ga n dm a i np o i n t s o fn u m e r i c a l - c o n t r o l l e ds h a p i n gt e c h n i q u e sf o ri m p e l l e r i nt h i sf o u n d a t i o n , r e s e a r c ho fc o m p u t e ra i d e dn u m e r i c a l c o n t r o l l e dp r o g r a m m i n gf o ri m p e l l e ri s d e v e l o p e d , a n df l o w c h a r to fa u t o m a t i cg e n e r a t i o no fn u m e r i c a l - c o n t r o l l e d s h a p i n gp r o c e s s i n gc o d ef o ri m p e l l e ri se s t a b l i s h e d t h ep r o g r a md e v e l o p e db y v i s u a lb a s i ch a sr e a l i z e di n t e r a c t i v e i n p u to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n d a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fn u m e r i c a l - c o n t r o l l e ds h a p i n gc o d ef o ri m p e l l e r k e yw o r d sr o o t sb l o w e r , i m p e l l e r , s o l i d w o r k s ，p a r a m e t r i cd e s i g n , m e s h i n gs i m u l a t i o n ，n u m e r i c a l c o n t r o l l e dp r o g r a m m i n g h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据 国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：盟年月学日 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 罗茨鼓风机概述 第一章绪论 罗茨鼓风机是回转式鼓风机的一种，于1 8 5 4 年由美国的弗朗西斯和菲兰德罗茨 两兄弟发明，并由此而得名。i t 作为气体增压与输送机械，罗茨鼓风机由于其结构简单， 使用维修方便，不需要内部润滑，在使用压力范围内排气几乎不变，容积效率高，并 具有输送介质不含油等特性，因此在国民经济各部门得到了广泛使用。 1 1 1 罗茨鼓风机的工作原理 罗茨鼓风机是一种双转子压缩机械，两转子的轴线互相平行。转子由叶轮与轴组 合而成，叶轮之间、叶轮与机壳及墙板之间具有微小间隙，以避免相互接触。两转子 由原动机通过一对同步齿轮驱动，作方向相反的等速旋转。借助于两叶轮的相互啮合( 假 定其叶面相互接触) ，鼓风机进、排气1 3 不直接相通，叶轮与机壳及墙板围成封闭的基 元容积，其大小在旋转过程中不发生变化。传统形式下，气体的压缩，是在基元容积 与排气口连通的一瞬间，由高压气体向基元容积回流均压而实现的。罗茨鼓风机基本 原理图如下图1 - 1 所示。 翮 嗣斟 ii 。恩。蕊翩一 配谶 劁 i 曙i 一。、 荔死 f 厂 、i il u ： fi、i脊鞫研j 【溢出 i 蝉学添 f 嘲 鼷汀嗣r 黼摘r 目 、 严 7 2 1 主动转子；2 从动转子；3 机秃：4 同步齿轮；5 主油籀；6 墙板；7 轴承；8 副油箱 图1 - 1 罗茨鼓风枷基奉原理图 1 1 2 罗茨鼓风机的特点 与其它类型的气体压缩机械比较，罗茨鼓风机具有下述特点f 1 】； ( 1 ) 由于是容积式鼓风机，因而具有强制输气特征。在转速一定的条件下，流量也 l 工程硕士学位论文第一章绪论 一定( 随压力的变化很小) 。即使在小流量区域，也不会像离心式鼓风机那样发生喘振现 象，具有比较稳定的工作特性。 ( 2 ) 作为回转式机械，没有往复运动机械，没有气阀，易损件少，因此使用寿命长， 并且动力平衡性好，能以较高的速度运转，不需要重型基础。运转一周有多次呼、排 气，相对于活塞压缩机而言，气流速度比较均匀，不必设置储气罐。 ( 3 ) 叶轮之间、叶轮与机壳及墙板之间具有间隙，运转时不像螺杆式和滑片式压缩 机那样需要注油润滑，因此可以保证输送的气体不含油，也不需要使用气一油分离器 等辅助设备。由于存在间隙及没有气阀，输送含粉尘或带液滴的气体时也比较安全。 ( 4 ) 无内压缩过程，理论上比那些有内压缩过程的鼓风机要多耗压缩功。但除同步 齿轮和轴承外，不存在其他的机械摩擦，因此机械效率高。特别是大型罗茨鼓风机， 容积效率高，全绝热效率也比较高。 此外，罗茨鼓风机还具有结构简单、制造容易、操作方便、维修周期长等优点。 其缺点是：无内压缩过程，绝热效率较低( 小机型尤为偏低) ；由于间隙的存在， 造成气体泄漏，且泄漏流量随升压或压力比增大而增加，因而限制了鼓风机向高压的 发展；由于进、排气脉动和回流冲击的影响，气体动力性噪声较大。 1 1 3 罗茨鼓风机的发展趋势 罗茨鼓风机的发展趋势，主要是进一步提高效率，降低噪声、增强可靠性及扩大 应用范围。 ( 1 ) 提高效率 主要是优化叶轮型线，改善叶轮“啮合”间隙的内密封效果；提高鼓风机的制造 精度，改善转子间隙的均匀程度，并使之尽可能缩小，从而减少气体泄漏，提高容积 效率。此外，要合理匹配电机，避免出现大马拉小车的情况。 ( 2 ) 降低噪声 重点是进行低噪声技术开发，如预进气结构设计、扭叶转子加工等，以减小气流 脉动，降低气体动力性噪声。同时应不断改善叶轮平衡品质，提高同步齿轮制造精度， 以减小振动，降低机械性噪声。大多数情况下，还需要采取消声和隔声等辅助措施， 控制噪声在传播途径中的辐射，以满足用户对噪声的要求。 ( 3 ) 增强可靠性 一是改进产品实物质量，二是加强安全保护措施。为此，应注重低压安全阀和逆 止阀的研制与配置，并得用微机控制技术，对鼓风机的压力、油温、电流等运行参数 进行自动监测，通过联锁或报警等方式，对鼓风机起动、运行及停车过程进行控制， 使其处于安全、稳定、可靠的受控状态。 ( 4 ) 扩大应用范围 应注重密封技术与村料技术的应用研究，改进产品的密封性、耐磨性、耐腐蚀性、 2 工程硕士学位论文第一章绪论 阻燃防爆性等，以满足各种易燃、易爆、有毒、含尘及腐蚀性气体的输送要求。也可 针对高温、高压或高负压等特殊要求，开发适销对路的产品，以此扩大罗茨鼓风机的 应用范围，向其他类型鼓风机和真空泵的使用领域渗透。 1 2 现代c a d c a m 主流支撑软件简介 1 a u t o c a d a u t o c a d 是美国a u t o d e s k 公司为微机开发的一个交互式绘图软件，基本上是一个 二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、尺寸标注以及方便用户进行二次开发功 能( 目前主要是利用a r x 进行二次开发) ，也具有部分的三维造型功能，主要用来进行 计算机辅助设计和计算机辅助绘图等工作。是目前世界上应用最广泛的c a d 软件。 2 p r o e n g i n e e r p r o e n g i n e e r 是美国p t c ( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 公司的产品，是一 种单一数据库结构、标准的基于特征的建模技术以及独特的全相关技术的机械设计自 动化软件。其特点有： ( 1 ) 先进的特征建模技术：p r o e n g i n e e r 扩展的特征建模工具包括了自适应过 程特征，能把行为建模技术的优点广泛应用到开发活动中。 ( 2 ) 使用的方便性：除了简洁的菜单描述和充分的在线帮助，其下拉式菜单使用户 能以直观的方式进行各种操作和预先设定。 ( 3 ) 相关性：p r o e n g i n e e r 是建立在一个统一的能在系统内部引起变化的数据结 构的基础上，因此开发过程中某一处所发生的变化能够很快传遍整个设计制造过程， 以确保所有的零件和各个环节保持一致性和协调性。 ( 4 ) 参数化、面向零件的实体模型设计制作：p r o e n g i n e e r 的零件设计功能是一 些和系统内部蕴藏的知识、智能相联结的过程，可以画出非常复杂的几何外形。 ( 5 ) 超大型部件：p r o e n g i n e e r 的核心技术是以部件为中心，所以它能使工程 师高效率地设计、归档和管理任意大小的产品部件。 ( 6 ) 以i n t e r a c t 为中心：为了促进企业范围内的信息交流，提高桌面系统的访问能 力，p r o e n g i n e e r 提供了全面的以i n t e m e t 为中心的工具。 3 u g u g ( u n i g r a p h i c s ) 是美国m cd o n n e l l 公司开发的一个集c a d 、c a e 和c a m 于 一体的计算机辅助机械设计制造系统。u g 系统的显著特点是其工程背景具有很强的设 计制造功能，是混合建模技术的提倡者和首先使用者，也是第一个将c a p p 和c a q 智 能c a d ( i c a d ) 集成到系统中的软件。u g 系统的混合建模技术领先，c a m 、c a q 、 c a t 、c a p p 独到，统一的数据库真正实现了c a d 、c a e 、c a m 各模块之间无数据交 3 工程硕士学位论文 第一章绪论 换的自由切换，便于实施并行工程。u g i i 系统采用f o r t r a n 、c 和c + + 语言混合编程， 支持所有主导工作站硬件平台，采用m o t i f 用户界面。在c a d 、c a e 、c a m 三个方面， 不但提供了较强的功能模块，还提供了供选择的主导专业应用系统的接口，特别在动 态装配过程仿真，无网络有限元分析，尺寸测量接口技术规范等方面功能独特，开发 工具功能强大，产品数据管理系统内容丰富。u gi i 系统的软件结构开放性优良，但软 件集成框架功能较弱，数据管理尚待进一步提高，从用户角度而言，菜单文字太小， 影响方便使用。 4 i - d e a s i - d e a s 是美国s d r c ( s l r u c u n d y n a m i c s r e s e a r c h c o r p o r a t i o n ) 公司开发的机械 产品设计、制造、分析等系列工程软件。id e a s 提供了从设计的最先进技术v g x ， 到全面仿真和分析能力，直至复杂的7 轴连动、5 轴加工能力，使i - d e a s 成为所有机 械设计自动化软件中功能最强的软件系统。i - d e a s 为用户展现了一个动态的高度集成 的开放环境，帮助产品开发队伍真正以团队方式来协同工作，使团队成员之间更方便 地交换信息，在协同环境中快速共享在整个产品研发过程中所做的工作。id e a s 与 s d r c 自身的m e t a p h a s e 这一当今最先进的产品数据管理( p d m ) 软件的无缝集成为企 业提供了掌握产品开发全过程的保证。该软件的特点有：先进的v g x 变量化技术。 实时协同工程。功能高度集成。良好的开放性。 5 s o l i d w j r k s s o l i d w o r k s 是由美国s o l i d w o r k s 公司研制开发的基于特征的实体建模技术机械 c a d 系统。它有着易用和友好的界面，可以最大限度地满足设计者的设计意图，操作 简单，功能强大，容易上手。它采用自顶向下的设计方法，可以用来进行零件设计、 装配设计和工程绘图。设计和绘图是在同一界面下同时进行的，可以减少设计的工作 量。s o l i d w o r k s 使用的特征分为草图和应用型两类：草图特征是以2 d 设计为基础的， 一般地，这种草图可通过拉伸、旋转、扫描转化为实体。应用型特征是直接在实体 模型上生成，如导角和沟槽。s o l i d w o r k 支持v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 或任何支持0 l e 的程序语言来作二次开发。1 2 】 6 s o l i d e d g e s o l i d e d g e 软件是美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的中端c a d 软件包，s o l i d e d g e 提供了杰出的机械装配设计和制图性能、高效的实体造型能力和无与伦比的易用性。 s o l i d e d g e 参数化以及基于特征的实体建模操作依据定义清晰、直观一致的工作步骤， 推动了工作效率的提高。s o l i d e d g e 全面应用s t r e a m 技术，其强大的造型工具能帮 助用户更快地将高质量的产品推入市场。s o l i d e d g e 是适用于w m d o w s 的机械装配设计 系统，s o l i d e d g e 由前沿先进实体模型制作技术开发而成。s o l i d e d g e 是第一个将真参数 化、特征化实体模型制作引入操作舒服且为大家所熟悉的w m d o w s 环境的机械设计工 4 工程硕士学位论文第一章绪论 具。s o l i d e d g e 建立于世界上最开放和互用性软件技术之上，可以快速方便地与其它的 计算机辅导工具相配合。 7 c a ：n a c a t i a 是法国达索飞机公司工程部开发的产品。c a l l a 系统是在c a d a m 系统( 原 由美国洛克希德公司开发，后并人美国m m 公司) 基础上扩充开发的。其特点有： ( 1 ) 机械设计解决方案。从概念设计到详细设计甚至到生成图样生成，机械设计解 决方案加速了产品设计的核心活动。 ( 2 ) 外形设计和风格设计解决方案。c a t i a 对设计零件提供了广泛的集成化工具， 而在设计零件时创新化的形状和复杂的外形又是关键的设计因素。 ( 3 ) 分析与模拟解决方案。c a t i a 为设计师提供了高度自动化、透明的分析解决方 案，同时也为专家提供了高技术、灵活的解决方案。 “) 制造解决方案。c a t i a 对n c 铣床编程提供了强大的工具，同时也有处理嵌套、 机器人、复合材料设计和树脂快速原型建立等应用程序。 ( 5 ) 设计与系统工程解决方案。c a t i a 处理电子和流体系统的设计、更改和分析等 问题，同时也包括装配模拟和综合空间管理。 ( 6 ) 网络计算解决方案。c a t i a 可以帮助扩展型企业的所有用户同时测览、分析产 品的原始数据，便于协同合作。 ( 7 ) 应用体系解决方案。它包括用于接口、工作组实现、可视化、应用开发的工具。 ( 8 ) a e c i 厂设计解决方案。作为用于工厂和建筑设计及维护的下一代面向对象系 统，a e c i 厂设计解决方案用来处理任何项目的所有主要问题。 8 m a s t e r c a m m a s t e r c a m 是美国c n c 系统公司开发的一套适用于机械产品设计、制造的，运行 在p c 平台上的3 dc a d c a m 交互式图形集成系统。它不仅可以完成产品的设计，更 能完成各种类型数控机床的自动编程，包括数控铣床( 2 5 轴) 、车床( 可带c 轴) 、 线切割机( 4 轴) 、激光切割机、加工中心等的编程加工。 产品零件的造型可以由系统本身的c a d 模块来建立模型，也可以通过三坐标测量 仪测得的数据建模。系统提供的d x f 、i g e s 、c a d l 、v d a 、s t l 等标准图形接口可 实现与其它c a d 系统的双向图形传输，也可通过专用d w g 图形接口直接与a u t o c a d 进行图形传输。系统具有很强的加工能力，可实现多曲面连续加工、毛坯粗加工、刀 具干涉检查与消除、实体加工模拟、d n c 连续加工以及开放式的通用后置处理功能。 工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题的研究意义 罗茨鼓风机应用广泛，服务于石油、化工、空分、冶金、电力、矿山、环保、轻 纺、地铁、隧道、军工及国民经济中重大技术装备等众多领域。叶轮是罗茨鼓风机最 为关键的部件之一，其结构尺寸的合理与否直接影响到罗茨鼓风机的工作性能。 在叶轮传统的设计计算过程中，涉及到大量的尺寸计算以及平面绘图，不仅工作 效率不高，而且修改设计不方便。在实际生产中，设计人员需要快速响应用户提出的 性能要求而进行产品的设计变更，同时需要实时验证设计修改后的效果。因此，研究 罗茨鼓风机三维环境下叶轮自动化生成技术以及叶轮啮合动态仿真技术，可提高叶轮 设计的工作效率，保证叶轮设计的可靠性。 叶轮型面传统的加工方法有仿形法、两点式基圆展成法。但这两种方法一般只能 用于加工相对固定的叶轮型线，这对于目前多品种小批量的产品很不适合，特别是三 叶型叶轮的加工，尤为不方便。相比之下，数控刨削以其高效率的加工特点成为叶轮 加工改革的主要方向，而以往的数控刨削编程繁琐，对工艺人员及操作者技术水平要 求较高。因此，本文针对罗茨鼓风机叶轮的数控刨削技术进行了研究和总结工作，以 顺应数控技术及计算机的发展，提高叶轮的加工质量和效率。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 罗茨鼓风机叶型设计研究现状 罗茨鼓风机的叶型设计目前仍处在研究和发展之中，已有许多文献有过相关报道 3 - 1 3 】，比如：彭学院，何志龙，束鹏程【3 1 对传统三叶渐开线叶型进行改进，克服了型线 干涉并提高了面积利用系数。天津鼓风机厂与西安交大合作开发了两种新型的三叶复 合型转子型线，其面积利用系数达到了0 5 3 ，容积效率在升压为9 8 l 【p a 时提高了5 8 ，噪声下降了3 4 d b ( a ) 【4 】。南通市恒荣机泵厂经过研发获得一项国家专利技术： 由渐开线二叶轮向三叶轮转变时，在保持高的径距比的情况下，获得了更高的面积利 用系别卯。另外，由于企业的技术保密，些新型的叶型还未有公开报道。然而，尽管 存在各种样式的新型叶型，但它们都是在三种基本叶型的基础上演化发展得来，并且 它们的共性都在于：叶型是由几段曲线组合而成，每段曲线由参数方程确定。 1 4 2 基于三维c a d 软件的叶轮参数化设计研究现状 根据查阅的资料，关于水泵叶轮参数化设计技术的研究已有不少的论文【1 4 彩】，包 括轴流泵、旋流泵、离心泵等的叶轮，其中尤以针对离心泵叶轮参数化设计的研究论 文比较多，其使用的语言包括v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，建模平台包括p r o e n g i n e e r 、 6 工程硕士学位论文第一章绪论 s o l i d w o r k s 等，取得了一定的研究成果。针对罗茨鼓风机参数化设计技术研究的论文 很少，相关的论文如；王学军等刚发表的“基于3 d 的鼓风机参数化设计及其虚拟装配 设计”，其以s o l i d w o r k s 为平台，进行了针对d i s 0 0 型鼓风机产品的自定义零件库的 二次开发。霍明等【2 5 】发表的“罗茨鼓风机性能参数计算机辅助设计系统软件的开发及 应用”，其用v i s u a lc + + 6 0 开发了一个c a d 软件以实现罗茨鼓风机性能参数的自动计 算。而具体针对罗茨鼓风机叶轮c a d c a m 技术的研究工作还尚未开展。 1 4 3 基于s o l i d w o r k s 的动态仿真技术研究现状 关于s o l i d w o r k s 的动态仿真技术的研究主要包括三个方面。第一，利用c o s m o s m o t i o n 插件进行机构动态仿真。这同时属于虚拟样机技术范畴，已发表的论文如曹桂 霞的“基于c o s m o sm o t i o n 软件的机构动态仿真及应用”；第二，利用a n i m a t o r 插件 进行动画制作。这主要是用来制作产品演示视频，以动画的形式展现产品功能，已发 表的论文如黄阳的“基于s o l i d w o r k s 的机构运动仿真及其动画制作技术研究”：第三， 通过二次开发编程实现动态仿真。这方面进行的研究内容最多，主要是利用s o l i d w o r k s 提供的a p i 函数针对具体的应用领域进行编程，以实现机构的较复杂的动态仿真效果， 这方面发表的论文如段路茜的“基于s o l i d w o r k s 的基本机构空间运动仿真研究”，陈立 新、党玉功的“用v b a 在s o l i d w o r k s 中实现高级动画”，仝美娟、冯小宁的“基于 s o l i d w o r k s 的数控加工过程仿真系统的设计”，岳东方、史俊友的“基于s o l i d w o r k s 的 抛丸清理机仿真系统设计”。 a s - 3 l 】 1 4 4 叶轮c a m 技术研究现状 目前对三叶渐开线叶轮数控刨削加工技术的研究居多。张彦博发表了“罗茨鼓风 机叶轮渐开线数控加工的等误差逼近节点计算方法”，介绍了用直线及阿基米德螺旋线 逼近渐开线的两种方法，节点计算过程简单，并且可以保证每个程序段上的误差相等。 袁宏德发表了“数控加工罗茨鼓风机叶轮渐开线型面的坐标计算”，找到了一个以叶轮 端面渐开线上任意点的啮合角为变量的加工叶轮渐开线型面的刀具圆心方程式，根据 该方程式可以比较方便地计算出加工叶轮渐开线型面的刀具圆心的各点坐标。王宁发 表了“数控刨床加工罗茨鼓风机转子的研究”，介绍了改造刨床所用数控系统的功能配 置，以及对牛头刨床和龙门刨床改造的方法。另外，金健，等发表了“罗茨鼓风机扭叶 转子的数控刨床加工”介绍了一种用数控刨床加工罗茨鼓风机扭叶转子的方法。 3 2 - 4 1 】 1 5 本论文的主要工作 为提高罗茨鼓风机的设计制造效率，提高其运行可靠性，本文针对罗茨鼓风机叶 轮进行c a d c a m 技术的研究，主要工作包括以下几个方面： 7 工程硕士学位论文第一章绪论 1 叶型分析 分析总结罗茨鼓风机三种基本叶型( 圆弧线叶型、渐开线叶型、摆线叶型) 的设计原 理和方法，研究其型线理论参数方程和实际参数方程，以及面积利用系数等重要参数 的计算。 2 基于s o l i d w o r k s 的参数化设计技术研究 详细归纳基于s o l i d w o r k s 的参数化设计方法，研究s o n d w o r k s 的二次开发技术， 以及利用v i s u a lb a s i c 对s o l i d w o r k s 进行二次开发的具体方法和步骤。 3 罗茨鼓风机叶轮参数化设计技术的研究 研究实现叶轮三维模型参数化设计的技术要点，总结归纳叶轮参数化设计的开发 流程，建立基于s o l i d w o r k s 的叶轮参数化设计二次开发流程图。针对二叶圆弧线叶型、 三叶圆弧线叶型、二叶渐开线叶型、三叶渐开线叶型、二叶摆线叶型共五种型线的叶 轮，给出其二次开发程序的详细实现步骤。 4 叶轮的啮合动态仿真技术研究 归纳概括基于s o l i d w o r k s 的三种动态仿真方法，包括二次开发方法，利用c o s m o s m o t i o n 插件以及a n i m a t o r 插件，并以c o s m o sm o t i o n 和a n i n m t o r 为平台实现罗茨鼓 风机叶轮的啮合仿真。 5 罗茨鼓风机叶轮c a m 技术的研究 在研究一般数控加工技术的基础上，研究叶轮数控刨削加工的技术要点。建立数 控刨削代码辅助生成流程图，并根据此流程图开发相应的程序。 s 工程硕士学位论文第二章叶型分析 第二章叶型分析 罗茨鼓风机的叶型设计对于叶轮乃至鼓风机的性能都是至关重要的因素，叶型设 计的好坏将从根本性上影响整个鼓风机的性能。叶型设计的目标是：有好的气流密闭 效果；有合理的径距比，以获得光滑的叶型形状；有尽可能高的面积利用系数，以增 大有效容积，提高流量；产生尽可能小的噪声。目前罗茨鼓风机叶型主要分三种基本 类别，分别是：圆弧线叶型、渐开线叶型、摆线叶型。按叶轮头数分，可分为二叶型 和三叶型。每种叶型都是由几段曲线组合而成，每段曲线都可由参数方程确定，叶型 分析的目的就是推导出各类叶型实际型线的参数方程，在此基础上才能进行c a d 技术 以及后续c a e 、c a m 技术的研究工作。 2 1 圆弧线叶型 2 1 1 基本尺寸关系 圆弧线叶型的叶峰为圆弧线，叶谷为圆弧包络线。叶峰位于节圆以外，叶谷位于 节圆以内，两者在节圆处相接。标准圆弧线叶型的叶峰，其圆心位于长轴之上( 如图2 一1 ) 。 潦 笋 。 ， 一 一t 一 一 一 ，璇 梦落 丘 l _ h 一 ( a )( b ) ( a ) 两叶型：( b ) 三叶型 图2 - 1圃弧线叶型示意图 9 工程硕士学位论文第二章叶型分析 设叶轮头数为z ，外圆半径为b ，叶峰半径为， 到叶轮中心的距离为b 。这些数之间的关系为： ，= 瓦- b 口2 + 6 2 2 a b c o s 二l ：r 2 2 z 联立以上两式，得： 6 ： 笠二! ： 2 ( 毛咄c o s 匀 两叶轮中心距为2 4 ，叶峰圆心 + 口2 2 a 也c o s 考 r = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - = 2 ( 如一c o s 匀 设节圆半径为髟，谷圆半径为咚，则有： r p - - - - d r 艮= 2 a 一墨 2 1 2 型线方程 1 理论型线方程 ( 1 ) 在图2 - i 的坐标系x o f f 中，叶峰理论型线a i b i 参数方程为： o 一6 c o s 争2 + 一6 s i n 争2 = ， 式中，口s i n 丢y 毛s i n - z = ( 2 ) 如图2 - 2 所示为圆弧线叶轮啮合示意图。 ， 一i t 泌述! 。| j _ 图2 - 2 圆弧线叶轮啮合示意图 经推导，叶谷理论型线的参数方程如下： 1 0 公式( 2 - 1 ) 公式( 2 - 2 ) 公式( 2 3 ) 公式( 2 4 ) 公式( 2 - 5 ) 公式( 2 毋) 公式( 2 - 7 ) 工程硕士学位论文 第二章叶型分析 l f = a d 一识口一n o , = 2 a c o s 口- b c o s 2 口- r c o s 声 iy = d d 一0 ；q g n = 2 a s i n a 一矗s i n 2 a + r s i n 二一二= 二- 二 公式( 2 8 ) 其中： 8 h 2 兰竺z 竺竺2 ( 6 s 逾缸一4 s i n a ) ! ：竺二! 竺竺竺 公式( 玉。) 【c o s p = q f o i 肘= ( 4 c o s 口一b c o s 2 a ) a 2 + 6 2 2 a b c o s l z 参变量口的取值范围为o 口告。 2 实际型线方程 设两叶轮之间的间隙为艿( 见图2 - 3 ) ，叶峰的实际半径为 ，形成叶谷实际型线的 共轭圆弧半径为r 2 ，则： = ，- 8 2 r 2 = ，+ 万2 泳 磐 图2 - 3 圆弧线叶型的实际型线 参照式( 2 7 ) ，写出叶峰实际型线方程： ( x - 6 c o s 争2 + o b s i n 争2 = 干 参照式( 2 8 ) ，写出叶谷实际型线方程 f z = 2 a c o s a b c o s 2 a r 2 c o s p 【y = 2 a s l n a b s i n 2 a + r 2s i n p 2 1 3 径距比的选取 公式( 2 1 0 ) 公式( 2 - 1 1 ) 径距比的选取对于叶型设计是非常重要的，它直接决定了叶型的形状。如下图2 _ 4 所示为6 ，口值对叶谷形状的影响。 工程硕士学位论文第二章叶型分析 入险除 + 吼 ( a )( b )( c ) 图2 - 4b a 值对叶谷形状的影响 1 当6 口 o 5 时，叶谷呈凸形；当6 4 2 0 5 时，虽然叶谷与短轴之点处的曲率半 径p 2 ，但此处并非凹凸并存( 如图2 - 4 a ) 。这样的叶型密封状况差，面积利用系数小， 一般很少采用。 2 当0 5 1 时，角点会显得非常突出，这样的叶型不能采用。 可见，b a 的适用范围为o 5 b a 疋表2 1 给出了吖口、b 加及如肛的取值 范围。此时叶谷凹凸并存，无角点。 氧2 - 1 b | n 、r i | a 及r m | o 的适甩范固 两叶型( z ；2 )两叶型铌= 3 ) 0 5 b a 0 9 2 8 80 5 b a 0 9 6 6 9 1 2 3 6 8 f q m a i 6 6 9 81 1 1 9 6 0 3 3 0 20 8 8 0 = t r g a o 5 2 3 0 2 1 4 面积利用系数 如图2 5 所示，叶轮横断面的面积分为三部分：曲边三角形a o p 的面积s 1 ，三角 形0 l o p 的面积s 2 ，扇形b o l p 的面积s 3 。三者的公共界点p 位于节圆之上。 t 2 工程硕士学位论文 第二章叶型分析 ， ， o ( a )( b ) ( a ) 两叶型；( b ) 三叶型 图2 - 5 圆弧线叶轮横断面积示意图 经推导，叶轮横断面总面积s 计算公式如下： s = 2 z ( 墨- i - 岛+ 岛) z - - 2 时( - - 叶型) ： s = ( 2 口2 + 6 2 + ，2 ) 万一姚b - 1 6 r ( a + b ) 驯 2 8 1 i f 14 a ( 口 b + s i n 2 ，d z = 3 时( 三叶型) ： s = ( 2 口2 + 6 2 + ，2 ) ，一6 拍一2 4 ，( 口+ 6 ) 2 l 4 a b s i n 2 7 ， 叶轮面积利用系数的定义为： 旯：竺：1 一三 s o石蟛 设r m a = k ，式( 2 - 3 ) 和( 2 川可化为： 之= 芒囊= 萌k 2 - 1 钒幻民2 ( 鲁一c o s 丢) 鲁2 足( 足一c o s 乏) 门p v ：笔墨犁：壬k 2 _ 2 k c o sn + l 嗍目 如 2 ( 鲁一c o s 参鲁2 x ( 置一螂匀儿v v 当z = 2 时： 名= t 万2 一斤( 回一刀