基于Solidworks 對(duì)散裝水泥車的自頂向下設(shè)計(jì)

羅 情，封 江

（中國(guó)重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力專用汽車有限公司，廣西 柳州 545112）

0 引言

散裝水泥車又稱粉粒物料運(yùn)輸車，由專用汽車底盤、罐體、進(jìn)氣管路、卸料裝置等部分組成，主要用于運(yùn)輸散裝粉煤灰、水泥、石灰粉、顆粒堿、大米、黃豆等粉粒物料和顆粒物料。水泥廠、攪拌站和大型建筑工地等地方大量使用散裝水泥車，可節(jié)省很多編織袋和減輕裝卸勞動(dòng)力。

Solidworks 三維設(shè)計(jì)軟件是設(shè)計(jì)過程比較簡(jiǎn)潔且方便的軟件之一，具有自頂向下設(shè)計(jì)和自底向上設(shè)計(jì)的強(qiáng)大功能。能對(duì)散裝水泥車技術(shù)設(shè)計(jì)提供不同的設(shè)計(jì)方案，減少散裝水泥車設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。

散裝水泥車的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是自底向上設(shè)計(jì)，通過該設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)零件，后由零件組裝配件，在后續(xù)中需要不斷地進(jìn)行干涉檢查等工作來確定各零件的最終圖紙，過程需要耗費(fèi)比較多的時(shí)間，因此不適合用自底向上模式對(duì)新型散裝水泥車復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而自頂向下則是在技術(shù)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)技術(shù)方案先對(duì)散裝水泥車進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，繪制總體草圖，通過尺寸、坐標(biāo)等關(guān)系將各部件約束，再分別設(shè)計(jì)各部件時(shí)則可以利用總體草圖進(jìn)行布局，充分協(xié)調(diào)各部件的關(guān)系，并且有效避免各部件的干涉，因此自頂向下設(shè)計(jì)能極大地提高散裝水泥車的設(shè)計(jì)效率。

1 散裝水泥車的工作原理

散裝水泥車通過壓縮機(jī)將空氣壓縮進(jìn)入進(jìn)氣管路，空氣再順著氣袋進(jìn)入罐體（圖1），當(dāng)空氣氣流速度達(dá)到一定程度后，氣流向上的浮力大于或等于罐體內(nèi)粉粒重量時(shí)，此時(shí)罐體內(nèi)部的粉粒表現(xiàn)出流動(dòng)狀態(tài)，通過壓力表得知當(dāng)罐體內(nèi)部壓力，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，打開卸料管路，在罐體內(nèi)部巨大的壓力作用下，將粉粒從卸料管路中輸送到卸料塔中（圖2），從而完成粉粒運(yùn)送工作[1]。

圖1 壓縮空氣

圖2 粉粒卸料

2 自底向上設(shè)計(jì)與自頂向下設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)產(chǎn)品圖紙則是根據(jù)技術(shù)方案，先繪制產(chǎn)品的重要零件，再根據(jù)各零件組成相應(yīng)的產(chǎn)品裝配圖，在裝配圖中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)則再次對(duì)零件進(jìn)行修改，這種設(shè)計(jì)方式則是自底向上設(shè)計(jì)。

自底向上設(shè)計(jì)是一種從局部到整體的設(shè)計(jì)方法，基本思路就是先根據(jù)散裝水泥車總產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及組成關(guān)系完成各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)，然后將零件進(jìn)行組裝得到完整的裝配產(chǎn)品，具體設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。這種設(shè)計(jì)方法中零部件之間僅僅存在裝配配合關(guān)系，如果需要修改裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，需要總產(chǎn)品對(duì)相關(guān)聯(lián)的各個(gè)零部件逐一進(jìn)行修改，甚至還需要重新進(jìn)行裝配，總體效率比較低下。這種設(shè)計(jì)方法主要用于裝配關(guān)系比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、對(duì)已有產(chǎn)品的升級(jí)改造或者是對(duì)機(jī)器的售后保障。

圖3 自底向上設(shè)計(jì)

目前，在對(duì)新型散裝水泥車設(shè)計(jì)時(shí)，由于散裝水泥車部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)用傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計(jì)模式耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，效率相對(duì)偏低，已經(jīng)不符合現(xiàn)行的設(shè)計(jì)節(jié)奏，因此自頂向下設(shè)計(jì)模式應(yīng)運(yùn)而生。

自頂向下設(shè)計(jì)（top - down design）是一種從整體到局部的設(shè)計(jì)方法，基本思路是，先根據(jù)散裝水泥車整機(jī)產(chǎn)品總體參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各部件組成關(guān)系設(shè)計(jì)一個(gè)總體骨架模型，這個(gè)總體骨架模型反映整個(gè)裝配產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)布局關(guān)系及主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后將總體骨架逐級(jí)往下細(xì)分或細(xì)化，最終完成各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)[2]，具體設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。需要特別注意的是，自頂向下設(shè)計(jì)中的總體骨架模型及控件模型均是“中間產(chǎn)物”，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后需要隱藏處理，這種設(shè)計(jì)方法中所有主要零部件均受到總體骨架模型的控制，如果需要修改裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，只需要對(duì)總體骨架模型或主要的零部件進(jìn)行修改即可，總體效率非常高。這種設(shè)計(jì)方法特別適用于裝配關(guān)系比較復(fù)雜的散裝水泥車產(chǎn)品設(shè)計(jì)[3]。

圖4 自頂向下設(shè)計(jì)

3 散裝水泥車的詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)流程

通常我們對(duì)散裝水泥車新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是根據(jù)水泥車的總體技術(shù)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品有明確構(gòu)型要求，運(yùn)用Solidworks 三維設(shè)計(jì)軟件從整體到局部的設(shè)計(jì)方法，先繪制散裝水泥車的總體設(shè)計(jì)草圖（圖5）及部件1 到部件3 的裝配草圖，并搭建相應(yīng)的三維骨架。在運(yùn)用Solidworks 三維設(shè)計(jì)軟件的自頂向下設(shè)計(jì)理念時(shí)，充分規(guī)劃好各子部件的空間和相互聯(lián)系，避免不必要的干涉，協(xié)調(diào)好相互之間的關(guān)系，盡可能地利用有限地空間設(shè)計(jì)出完美地產(chǎn)品。因此，可從總體三維骨架開始，將其分解為多個(gè)子部件和子組件。

圖5 總體設(shè)計(jì)草圖

3.1 部件1-罐體設(shè)計(jì)（根據(jù)容積設(shè)計(jì)罐體）

從總體設(shè)計(jì)草圖中復(fù)制罐體大致輪廓圖，畫封頭輪廓、畫中截面（控制寬度不得超過2.5 m）。如圖6，控制好流化床角度（流化床角度一般不小于12°）、罐體長(zhǎng)度。畫封頭及罐筒三維（半邊），如圖7。

圖6 罐體輪廓

圖7 封頭及罐筒三維

由于罐體前后對(duì)稱，使用鏡像就可以得到一個(gè)罐體（如圖8）。用Solidworks 測(cè)量工具測(cè)量體積是否達(dá)到設(shè)計(jì)容積，如未達(dá)容積要求則可通過Solidworks 參數(shù)修改調(diào)節(jié)罐體長(zhǎng)度和角度來調(diào)節(jié)容積。

圖8 罐體

3.2 部件2-支座設(shè)計(jì)

首先根據(jù)罐體形狀畫出支座草圖，控制好整車尺寸（圖9）。然后確定牽引銷位置S，S 不允許超過1.6 m，確定軸距，計(jì)算軸荷分配（圖10）。

圖9 支座草圖

圖10 牽引銷位置

3.3 主要零部件的校核

在完成對(duì)散裝水泥車的主要零部件（如罐體支座總成）建模后，此時(shí)方能定出作用于罐體支座總成的載荷，通過諸如ANSY 等有限元分析軟件對(duì)罐體支座總成施加載荷，對(duì)它的受力情況進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，根據(jù)校核結(jié)果，對(duì)該部件薄弱零件可通過Solidworks 參數(shù)修改進(jìn)行加強(qiáng)，提高其可靠性，直到滿意為止。在設(shè)計(jì)三維圖時(shí)，要充分考慮零件的加工和裝配工藝的便利性、設(shè)計(jì)制造及采購(gòu)環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性問題。

在散裝水泥車技術(shù)設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟中，一些現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法，例如優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、有限元分析技術(shù)和可靠性技術(shù)等，在使結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇達(dá)到最佳效果、獲取復(fù)雜情況下較好的近似定量計(jì)算結(jié)果，以及通過對(duì)所設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)及其參數(shù)作出可靠性評(píng)價(jià)來提高散裝水泥車機(jī)器的設(shè)計(jì)質(zhì)量等。

3.4 零部件出工程圖及試生產(chǎn)

按最后定型的Solidworks 三維圖紙出工程圖，通過工程圖上的問題可以找出三維圖上的一些細(xì)小錯(cuò)誤，再通過Solidworks 對(duì)三維圖尺寸進(jìn)行修改。

在散裝水泥車技術(shù)設(shè)計(jì)完成后，由工藝師根據(jù)工程圖和本公司工藝路線制定工藝流程卡，對(duì)新設(shè)計(jì)的散裝水泥車試生產(chǎn)，通過裝配或試生產(chǎn)進(jìn)一步暴露技術(shù)設(shè)計(jì)中的問題，通過暴露的問題再回到設(shè)計(jì)階段重新修改圖紙，最后達(dá)到完善的程度。上述這些新的設(shè)計(jì)方法和概念，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用與推廣，使之得到相應(yīng)的發(fā)展[4]。

4 結(jié)語

Solidworks 軟件自頂向下的設(shè)計(jì)是由整體到局部的設(shè)計(jì)，便于設(shè)計(jì)師在總體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)方向的把控。在設(shè)計(jì)總體骨架時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的功能和動(dòng)作要求將其分成各個(gè)部件，又可以由多個(gè)設(shè)計(jì)師根據(jù)總體骨架的總體布局進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，減少分歧，提高工作效率。利用Solidworks 軟件的功能在總體設(shè)計(jì)布局草圖中通過尺寸、坐標(biāo)等關(guān)系將各部件的零件進(jìn)行約束，在發(fā)現(xiàn)問題后需要修改時(shí)，僅在總體設(shè)計(jì)圖中作出相應(yīng)修改就可以，與其對(duì)應(yīng)的零部件三維圖及關(guān)聯(lián)的工程圖也會(huì)隨著更改，關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)就此形成。

利用了Solidworks 軟件自頂向下的設(shè)計(jì)，快速地完成了散裝水泥車新產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計(jì)階段的工作，并大幅度提高了散裝水泥車的設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。