基于Solidworks气压调压阀的设计与分析

    0 引言

    气压阀主要用于控制气体进出，通过电气或手工的信号输入来控制阀体的开关，让气体的进出与停止达到控制的要求。气体压力控制阀主要有3种：调压阀、节流阀、顺序阀。本文以气压调压阀为例，其功能是控制并保持出口的工作压力不受入口压力和空气消耗量的影响，其原理是利用弹簧与螺钉来控制出口空气的压力，当出口压力高于弹簧设定压力时，空气即由接头的孔道流出，直到恢复原设置的压力为止。气压调压阀广泛应用于轻工机械行业，其结构和仿真是设计及教学的难点。

    Solidworks是优秀的CAD的软件之一，利用它可完成气压调压阀建模设计，在此基础上可进行虚拟装配、运动仿真、运动的分析、最后可生成工程图及在其插件PHOTOWORKS渲染输出等。对其机构分析的仿真结果可以方便地用于设计及多媒体教学，同时也为机械类专业虚拟教学提供了思路。

    1 分析的过程

    1.1 建模设计

    Solidworks提供功能强大的基于特征的实体建模功能，通过拉伸、旋转、薄壁特征、扫描、抽壳、圆角、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。气压阀的零件有：阀体、上盖、心轴、轴承衬套、偏心凸轮、轴承、平键、螺钉、管接头一、调压螺帽、钢珠、弹簧座、调压弹簧、O型环一、外盖、活塞杆、O型环二、弹簧塞杆、弹簧、调压螺帽、螺塞、管接头二，共有22个零件，以下是主要零件造型的过程。对于气压调压阀的具体建模设计过程如下：

    （1）打开Solidworks2010，新建零件1阀体，在基准面中新建草图，依次给予拉伸、旋转除料、倒角、阵列、创建螺纹线、创建基准面及草图，扫描切除、圆角等特征，具体建模尺寸参照建模/机构/结构综合实训教程书，三维建模过程依次如图1所示。

图1 阀体的建模

    （2）新建零件2心轴，在基准面中创建草图后给予旋转增料特征，再创建草图、后给予旋转除料及倒角特征，最后创建草图后拉伸除料，三维建模过程如图2所示。

图2 心轴的建模

    （3）新建零件3上盖，在基准面中创建草图后给予旋转增料特征，后添加倒角特征并给予拉伸除料特征后圆周阵列；同理构建零件4轴承衬套及零件5偏心凸轮模型如图3所示。

图3 上盖、轴承衬套、偏心凸轮的建模

    （4）从设计库中，取出标准零件，后另存为零件6轴承、7螺钉、8平键，三维模型如图4所示。

图4 轴承、螺钉、平键的建模

    （5）新建零件9管接头、10调压螺帽、11钢珠，三维模型如图5所示。

图5 垫片、弹簧盖、活塞杆的建模

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    （6）新建零件12弹簧座、13弹簧，14外盖，螺栓及螺帽中螺纹也可使用装饰螺纹线替代，三维模型如图6所示。

图6 弹簧座、弹簧、外盖的建模

    1.2 虚拟装配

    利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早地发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。

    （1）新建装配体1气压调压阀，插入零件1-22，六角螺母插入4次，并添加配合重合以及同轴心关系，整个装配体如图7所示。    

图7 气压阀的装配

    （2）单击工具中的干涉检查并计算，显示有多处干涉，详细检查干涉皆为螺纹干涉，故可忽略（建议使用装饰螺纹线替代螺纹造型就不存在干涉问题，同时还可提高运行速度），说明装配完全正确，干涉检查如图8所示。    

图8 气压阀的干涉检查

    （3）完成干涉检查无误后，单击插入爆炸视图，爆炸的顺序即为装配的逆顺序，装配体的爆炸效果图如图9所示。

图9 气压阀的爆炸视图

    1.3 效果图渲染

    效果图是利用插件PHOTOWORKS完成，添加零件的材质为默认塑料、布景为带完整光源的工作间，其余参数默认，渲染效果图如图10所示。    

图10 气压阀的渲染效果图

    1.4 工程图     

    新建工程图，新建模板设为A4图纸，插入所需的零件心轴，添加视图、剖视图、断面图、并标注尺寸公差、形位公差、表面粗糙度，生成心轴工程图，如图11所示。    

 图11 心轴工程图的输出

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    1.5 运动分析     

    MOTION是其运动仿真CAE插件，它可建立三维动力学仿真机构模型并添加运动、约束、力、碰撞等，对机构进行仿真模拟、干涉分析、跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并可输出动画、图形、表格等多种形式的结果，其分析的结果可指导修改零件的结构设计或调整零件的材料。

    其具体的运动过程：气压阀动力由心轴传入，带动凸轮，使活塞杆向左推动，造成左方密封空间变小。这样让气体的压力增加，管接头内部的弹簧也会因为内部压力的增大而将高压气体排出，从而达到气压阀送出的压力。

    当凸轮顶端位于相反方向时，活塞杆就会压缩弹簧的推力而向右运动，让左方密封空间增大，气体通过下方的管接头而进入。

    点击工具选项，在菜单中勾选的MOTION选项，后具体操作步骤如下：

    （1）为了方便在稍后的凸轮机械配合的操作，打开零件凸轮，点击分割线工具，选择基准面做草图将凸轮与活塞杆的接触面分割出4个接触面，具体分割的前后如图12所示。

图12 凸轮面的分割

    （2）同理凸轮面的配合，打开零件活塞杆，选择基准面做草图并添加拉伸特征，注意不勾选合并实体选项，将会产生两个实体，右击刚生成的长方形实体将其隐藏，如图13所示。

图13 创建活塞杆端部接触平面

图14 弹簧的关联设置

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    （4）点击添加配合，选择凸轮相切配合，选择刚分割的凸轮4个面及活塞杆端的接触平面，如图15所示。    

图15 凸轮配合

    （5）点击运动算例，添加旋转马达，选择心轴，输入每秒钟30转，具体如图16所示。

图16 旋转马达添加

    （6）在运动菜单中选择MOTION分析，点击计算按钮，点击结果和图解选择零件活塞杆，可获得活塞杆Z方向的质心速度及平动位移如图17所示。    

图17 输出z方向的平动位移和质心速度

    （7）点击运动菜单中的播放按钮，可获得气压阀的完整的包含弹簧、凸轮实体仿真运动，整个运动的动画如图18所示，最后可保存动画为AVI格式。

图18 气压阀的实体运动仿真

    2 小结

    本文主要分析了常用工业元器件中气压阀在Solidworks软件及其插件中进行建模、装配、渲染、工程图、运动分析。各行工程人员以及教师应逐步认识到CAD/CAM/CAE技术在现在工程中的重要性，掌握其中的一种或几种软件的方法和技巧，已经成为日益竞争激烈的市场经济的必备技能之一。