ВОЗМОЖНОСТИ  ПОЛУЧЕНИЯ  ИНЖЕНЕРНОЙ  ИНФОРМАЦИИ  ПРИ  РАЗРАБОТКЕ  ИЗДЕЛИЙ  В  CAD -СРЕДАХ  НА  ПРИМЕРЕ  СОЗДАНИЯ  3-D  МОДЕЛИ  «КОМПРЕССОРА»  В  SOLID  WORKS

Попович  Владислав  Андреевич

студент  2  курса,  кафедра  конструкторско-технологическое  обеспечение  машиностроительных  производств  ПИ  СФУ,  РФ,  г.  Красноярск

E-mail: 

Головина  Людмила  Николаевна

научный  руководитель,  доцент  ПИ  СФУ,  РФ,  г.  Красноярск

Базовым  продуктом  среды  3D-моделирования  является  математическая  модель  твердого  тела,  обладающая:  топологией,  геометрией,  набором  физико-механических  свойств,  необходимых  для  анализа  поведения  деталей  и  сборочных  единиц,  и  обеспечения  их  работоспособности  на  этапе  проектирования.

При  создании  новых  изделий,  перед  конструктором  возникает  необходимость  решения  инженерных  задач:

·     анализ  размерных  цепей; 

·     оптимизация  массо-инерционных  характеристик;

·     исследования  поведения  механической  системы  и  ее  элементов  под  воздействием  рабочих  нагрузок. 

Решение  этих  задач  позволяет  обеспечить  качество  и  работоспособность  изделия  на  этапе  проектирования.

Создавая  изделие  необходимо  учитывать,  что  детали,  входящие  в  изделие,  должны  сохранять  свои  эксплуатационные  показатели,  выполнять  заданные  функции  в  течение  расчетного  срока  службы. 

В  данной  статье,  на  примере  модели  компрессора,  выполненного  в  CAD-среде  SolidWorks,  показана  возможность  решения  инженерных  задач  на  этапе  проектирования.

Компрессор  (рисунок  1)  состоит  из  основных  узлов:  корпуса,  коленчатого  вала,  цилиндра,  головки  цилиндра,  шатунно-поршневой  группы.  Корпус  компрессора,  отливаемый  из  алюминиевого  сплава,  является  основной  базирующей  деталью,  на  которой  монтируются  все  остальные  узлы  и  детали.  Коленчатый  вал  опирается  на  два  шарикоподшипника  расположенных  в  корпусе  подшипника.  Шатун  смонтирован  на  шатунной  шейке  коленчатого  вала.  Цилиндр  выполнен  из  алюминия,  наружная  поверхность  для  обеспечения  необходимой  теплоотдачи  сделана  ребристой.  Ребра  на  головке  цилиндра  так  же  служат  для  охлаждения.

Рисунок  1.  Сборка  компрессора

Компрессор  предназначен  для  сжатия  воздуха,  подаваемого  в  систему.  Данный  компрессор-поршневой,  одинарного  действия.

Принцип  дейстаия  компрессора  становится  понятней,  при  рассмотрении  его  в  разрезе  (рисунок  2).

Поршень  совершает  возвратно-поступательное  движение  в  гильзе,  запрессованной  в  цилиндр.  При  движении  поршня  вниз  в  цилиндре  создается  разрежение.  Всасывающий  клапан  открывает  отверстие  в  верхнем  диске,  и  воздух  поступает  в  камеру  цилиндра.  При  движении  поршня  вверх  воздух  сжимается.  Под  действием  сжатого  воздуха  открывается  нагнетательный  клапан,  и  воздух  через  отверстия  нижнего  диска  и  отверстие  в  головке  цилиндра  поступает  в  систему.  Возвратно  поступательное  движение  поршень  получает  от  коленчатого  вала  через  шатун.  Верхняя  головка  шатуна  соединена  с  поршневым  пальцем.  Нижняя  головка  сидит  на  выступе  коленчатого  вала.  Коленчатый  вал  компрессора  установлен  в  шаррикоподшипниках,  смонтированных  в  коррпусе  подшипника.

Рисунок  2.  Разрез  сборки  компрессора

При  проектировании  изделия  в  CAD-среде  появляется  возможность  анализа  принципа  действия  изделия,  как  совокупности  взаимосвязей  отдельных  деталей  изделия.  Можно  перемещать  компонент  в  пределах  его  степеней  свободы,  наблюдая  за  поведением  сборки.

Анализ  размерных  цепей.

Размерной  цепью  называется  замкнутая  цепь  взаимосвязанных  размеров,  относящихся  к  одной  или  нескольким  компонентам  и  определяющих  относительное  положение  поверхностей  или  осей  этих  компонентов.  Размеры,  составляющие  размерные  цепи,  называются  звеньями  размерной  цепи.  Каждая  размерная  цепь  состоит  из  составляющих  звеньев  и  замыкающего  звена.  Размер,  который  при  сборке  изделий  является  результатом  выполнения  остальных  составляющих  звеньев,  называется  замыкающим  звеном.  Составляющие  звенья  разделяются  на  увеличивающие  и  уменьшающие.  Увеличивающим  звеном  является  звено,  с  увеличением  которого  возрастает  замыкающее  звено.  Уменьшающим  звеном  называется  звено,  с  увеличением  которого  уменьшается  замыкающее  звено.

На  примере  подшипникового  узла  компрессора,  представленного  на  рисунке  3,  видно,  что  в  качестве  компенсатора  размерной  цепи,  используется  прокладка  под  крышкой  подшипника.

Рисунок  3.  Подшипниковый  узел  компрессора

Программный  пакет  SolidWorks  так  же  позволяет  рассмотреть  массо-инерционные  характеристики,  как  отдельных  деталей,  так  и  готовой  сборки,  что  позволяет  упростить  задачи,  состоящие  перед  инженером-конструктором  (рисунок  4).

Инертность  —  свойство  физических  тел,  оставаться  в  некоторых  системах  отсчёта  в  состоянии  покоя  или  равномерного  прямолинейного  движения  в  отсутствие  или  при  взаимной  компенсации  внешних  воздействий. 

Сохранение  неизменной  скорости  возможно  в  реальных  условиях  только  тогда,  когда  все  внешние  силы,  приложенные  к  телу,  взаимно  уравновешены.  В  остальных  случаях  неуравновешенные  внешние  силы  изменяют  скорость  тела  в  соответствии  с  мерой  его  инертности. 

Масса  тела  зависит  от  количества  вещества  тела  и  характеризует  его  свойство  —  как  именно  приложенная  сила  может  изменить  его  движение.  Одна  и  та  же  сила  вызовет  большее  ускорение  у  тела  с  меньшей  массой,  чем  у  тела  с  большей  массой.

При  исследовании  движений  часто  бывает  необходимо  учитывать  не  только  величину  массы,  но  и  её  распределение  в  теле.  На  распределение  материальных  точек  в  теле  указывает  местоположение  центра  масс  тела.  В  абсолютно  твердом  теле  имеются  три  точки,  положения  которых  совпадают,  это:  центр  масс,  центр  инерции  и  центр  тяжести. 

Момент  инерции  тела  —  это  мера  инертности  тела  при  вращательном  движении.  Момент  инерции  тела  относительно  оси  равен  сумме  произведений  масс  всех  материальных  точек  тела  на  квадраты  их  расстояний  от  данной  оси. 

В  деформирующейся  системе  тел,  когда  ее  части  отдаляются  от  оси  вращения,  момент  инерции  системы  увеличивается.  Инерционное  сопротивление  увеличивается  с  отдалением  частей  тела  от  оси  вращения  пропорционально  квадрату  расстояния  (рисунок  4).

Рисунок  4.  Расчет  массовых  характеристик  на  примере  «компрессора»

Эту  модель  можно  использовать  для  анализа  изменений  перемещения,  скоростей,  ускорений,  сил  инерции,  напряжений  деформации  под  воздействием  рабочих  нагрузок.

Решение  этих  задач  пока  не  рассматривалось,  и  будут  рассматриваться  в  последующих  семестрах.

Работоспособность  и  надежность  деталей  характеризуются  определенными  критериями:  Прочность,  жесткость,  износоустойчивость,  теплостойкость,  виброустойчивость.  Выполняя  расчёты  по  критериям,  определяют  материал  и  размеры  деталей.

Корпус  выполнен  из  алюминиевого  литейного  сплава,  а  значит,  он  выполнен  фасонной  отливкой.  Корпус  имеет  множество  отверстий  и  канавок,  получаемых  сверлением  и  фрезерованием.  Корпус  имеет  сложную  форму,  поэтому  моделирование  происходит  в  несколько  этапов.

Важным  фактором  является  выбор  оптимального  алгоритма  дерева  конструирования,  не  противоречащего  технологии  изготовления.

На  рисунках  5,6  представлены  дерево  конструирования  (рисунок  5)  и  модель  корпуса  выполненного  в  CAD-среде  SolidWorks  (рисунок  6). 

Рисунок  5.  Дерево  конструирования 

Рисунок  6.  Корпус  компрессора

Выводы:

1.  Проектирование  изделий  CAD-средах  позволяет  сократить  время  на  создание  конструкторской  документации  и  изготовления  разрабатываемых  изделий;

2.  Создание  3D  моделей  деталей  и  сборочных  единиц  в  CAD-средах  дает  возможность  проверки  корректности  сборки  изделия,  понимания  взаимосвязи  составных  частей  изделия,  существует  возможность  корректировки  на  всех  этапах  проектирования;

3.  Получения  инженерной  информации  становится  проще  и  быстрее; 

4.  На  этапе  проектирования  обеспечить  работоспособность  изделия.

Список  литературы:

1.Дунаев  П.Ф.,  Леликов  О.П.,  Конструирование  узлов  и  деталей  машин:  учеб.  пособие  для  техн.  спец.  вузов.  М.:  Высш.шк.,  1998.  —  447  с.

2.Норенков  И.П.,  Зимин  А.М.  «Информационные  технологии  в  образовании»  М.  издательство  МГТУ  имени  Н.Э.  Баумана  2004  г.  —  с.  352.

3.Норенков  И.П.,  Кузьмин  П.К.  «Информационная  поддержка  наукоемких  изделий  CALS-технологии»  М.  издательство  МГТУ  имени  Н.Э.  Баумана  2002  г.  —  с.  320. 

4.Решетов  Д.Н.,  Учебник  для  студентов  машиностроительных  и  механических  специальностей  вузов.  М.:  Машиностроение,  1989.  —  496  с. 

5.Справочная  система  SolidWorks  2009.

6.Фирменное  руководство  пользователя  CAD  SolidWorks  2009  в  PDF  формате  файлов  («Руководство  пользователя»,  «Учебное  пособие»).