潛油電泵機組計算機CAX集成應用

摘 要：采用三維計算機輔助CAX技術進行潛油電泵機組開發設計，對關鍵部件進行計算、分析，得到可視化的優化方案，裝配出數字化虛擬機組樣機模擬運行，提高了產品的性能和可靠性，縮短產品研制周期，集成數控加工，大大提高了生產效率和精度。CAX的集成應用，構造成企業的簡單計算機制造系統，降低了企業成本，以信息化帶動企業工業化的升級，真正增強了企業的核心競爭能力。

關鍵詞：潛油電泵機組；CAX；CAD；CAE；CAM；集成應用

中圖分類號：TE393

大慶油田力神泵業有限公司是研發、制造、營銷潛油電泵和螺桿泵等石油泵類產品的專業公司， 是中國最大的潛油電泵集成供應商。在立足國內市場的基礎上，規?；M入了蘇丹、印尼、哈薩克斯坦、科威特等國際市場。在國內外市場激烈的競爭下，我公司通過計算機輔助技術CAX集成應用，利用先進的計算機技術進行潛油電泵機組產品結構調整及制造業工藝裝備改造與升級，利用信息化帶動企業的工業化，促進經濟快速增長，提高企業的市場競爭力。

1 三維設計，提高設計質量

1.1 問題分析

我公司在國際市場面對美國、英國、俄羅斯等強勁同行對手，公司傳統的二維產品設計方式已不再適應企業對產品的時間、質量、成本的要求，企業信息化是企業提高核心競爭能力的必然途徑。

1.2 采用三維設計

產品設計的數字化設計是企業信息化的重要內容。為了提高設計水平及質量，經縝密論證與原二維DWG數據具有最好的繼承兼容性，我產品研發人員采用支持產品創新設計最為重要的技術和工具—三維計算機輔助設計CAD軟件Autodesk Inventor。三維的設計方式使產品的結構直觀可見，設計過程中可隨時得到部件模型的面積、體積、質量和重心等重要物理性數據，很大地提高了設計的質量和精度；設計出來的三維模型可快捷地創建符合GB的工程圖紙，解決了復雜零部件的投影線生成難、漏標尺寸、漏畫圖線等問題。我項目設計人員利用三維建模檢查出先前兩維設計的某機組電機頭與電纜聯接處有一處1.5mm的楞缺，這個微小的楞缺導致動力電纜與潛油電機頭的聯接處不能夠嚴密地密封，會使井液滲入潛油電機內，造成電機的燒毀，至使整套潛油電泵機組的損壞，設計人員及時發現了問題并修改完善了設計，避免了這個可能造成的幾百萬元損失的設計缺陷。

在18X系列新產品開發過程中，設計人員充分發揮三維設計方式提高創新能力和協同開發設計（CPC）能力，使得原本8個月潛油電泵機組的開發周期在5個月內就完成了，較大縮短了產品研制周期，加快了新產品投入市場的速度，使得新產品盡早地推向市場，并贏得了國際市場的合同。

1.3 虛擬潛油電泵機組數字化樣機

三維設計出潛油電泵機組的所有部件，采用自底而上和自頂而下兩種裝配模式，進行電泵機組的仿真裝配，虛擬裝配出潛油電泵機組數字化樣機。

（1）對潛油電泵機組數字化樣機進行物性干涉檢查，盡早發現出設計階段存在的干涉或設計不合理等錯誤，避免了以往各部件要等到實際生產出來了才發現錯誤而造成的可避免的損失。（2）潛油電泵機組在車間實際裝配之前，預先在計算機中模擬裝配過程中，通過分析部件間裝配關系，定義和建立零部件的特征信息和參數信息，使零件的結構設計更加合理，保證了實際生產的加工工藝性和裝配的工藝性。（3）使用數字化樣機作產品機構的仿真分析。通過計算機模擬電泵機組實際運動狀態，數值化地掌握有沒有動態干涉，可科學分析、解決機組機構的幾何關系和運動關系，使得產品開發設計更精確、更合理。（4）設計數字化虛擬樣機，可以減少甚至避免產品樣機的實際生產，較大降低了產品研制的成本。（5）三維模型的高清晰逼真的產品渲染照片，裝配過程的動畫視頻，易于產品的外觀、結構等生產信息的表達、交流和傳遞。

2 三維集成應用

建立起多個系列潛油電泵機組的三維模型數據庫，基于統一的數據庫平臺，把CAD、CAE、CAM軟件有機地結合起來，統一組織各種數據信息的提取、交換、共享和處理，形成我企業簡捷的集成化應用。

2.1 產品設計中CAD/CAE集成應用

由于潛油電泵機組要放到幾百甚至幾千米深的地下油井中使用，受到油井套管內徑尺寸的嚴格限制，至使潛油電泵機組的結構是又細又長的。潛油電泵的關鍵部件—泵軸也是細長的，泵軸直徑的設計是否合理，不僅決定了潛油泵功率輸出能力的大小，而且也關系到潛油泵中葉導輪過流空間的大小，因此潛油泵軸的合理設計是潛油電泵機組設計的關鍵。

潛油電泵軸主要功能是傳遞動力功率，工作過程中主要受到的是扭矩的作用。使用CAE計算機輔助計算軟件ANSYS對潛油泵軸進行有限元受力、強度的計算，根據等參數單元概念，位移函數和幾何坐標的變換式取相同形函數建立起有限元力學模型。

單元應力的計算：[σ]=[σx σy σz τxy τyz τzx]T=[D][B][δ]e=[D][B1 B2 … B10][δ]e

式中：[D]為彈性矩陣；[B]為單元幾何矩陣，[δ]e為單元位移列陣。

邊界面上各節點的等效節點載荷為：

通過計算、分析，驗證應力最大點主要集中在泵軸的花鍵齒與花鍵收尾相交的根部，是潛油泵軸發生斷裂的最危險的位置。

針對計算分析得到的結果，對泵軸進行多次優化設計，最后恰當地確定花鍵收尾圓弧半徑技術參數，有效降低了該部位應力集中的問題，不僅大大降低了潛油泵發生斷軸的風險，還使得泵軸最大功率輸出能力比原來的設計提高了29%，提高了潛油電泵機組功率等級，增強了潛油電泵機組的安全可靠性。

2.2 機械加工中CAD/CAM集成應用

CAM是CAX系統應用中最能明顯發揮效益的環節。我們使用的計算機制造CAM系統是Edge CAM（for Inventor），Edge CAM系統直接讀取三維模型數據，無需任何轉換接口，智能化自動識別模型的幾何體結構相關的各種加工特征信息，不造成任何丟失。軟件自動優化刀具路徑，仿真模擬與現場相同的加工過程，對加工工藝進行模擬，檢驗產品設計的合理性，減少了加工過程中可能出現的加工缺陷。通過軟件自動形成基于我公司FANUC系統的數控設備模版的DNC代碼，通過網絡聯接，一對多地把數據傳送給加工車間10余臺數控機床和加工中心，使得一臺計算機可以同時控制多臺數控加工設備，很大程度上提高了加工自動化，提高了加工精度和加工質量，縮短了生產周期。

3 結束語

通過計算機（CAX）輔助技術使得信息技術、制造技術、自動化等技術的集成應用，形成我企業簡單的集成制造系統（CIMS），最大限度地實現了企業信息共享，實現產品設計、制造數字化、一體化，建立新的企業運行方式，深化了我企業信息化，通過提高設計能力、縮短新產品研制周期、提高產品加工質量與效率，以及產品結構調整和制造工藝裝備改造與升級，擴展了企業在產品關鍵領域的應用能力，降低了企業成本，以信息化帶動工業化，真正增強了企業的核心競爭能力，增強了企業生存和發展的主要力量，促進企業經濟增長，使企業走上一條持續、快速、健康的發展之路。

參考文獻：

[1]陳伯雄.三維設計是CAD技術應用的必然趨勢.計算機輔助設計與制造，2000（08）：11.

[2]李健.實施制造業信息化工程提高中國制造業競爭力.中國信息導報，2003（10）：17.

作者簡介：欒沈軍（1970.09-），1990年畢業于黑龍江省電子工業學校，1997年畢業于哈爾濱工程大學，計算機工程師，從事軟件開發、企業信息化建設工作。

作者單位：大慶油田力神泵業有限公司技術研發中心，黑龍江大慶 163311