基于SolidWorks二次开发液压缸的参数化设计

张少鹏

摘 要：任何一款软件对于不同的人使用都有它的不足之处，对于软件的二次开发就是为了弥补这些缺陷。SolidWorks二次开发的参数化设计，简单理解是对应用软件的优化和开发新功能，参数化的理念就是这个优化的点。针对目前在设计液压缸所面临的许多数据转换和模型修改繁琐问题，利用二次开发可以将这些复杂的数据进行参数化，使得在设计不同回油压力和修改尺寸的时候能够更简单。

关键词：液压缸结构确定 参数化设计 SolidWorks二次开发

中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0069-02

1 液压缸的结构参数确定

液压缸的组成基本上可以分为：缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置5个部分[1]。其中在设计缸筒时要对其强度做出一定预算，输入液压缸的油需要有一定的压力和流量，输入的油压可以在运动时克服负载进行做功，而流量则是形成一定的运动速度，推动活塞杆进行运动。充入油压时缸体需要承受负载的强度，这就需要根据负载情况、运动结构、活塞杆运动范围等确定其工作的尺寸结构，并进行强度、稳定性和缓冲验算。

1.1 液压缸的结构设计计算

液压缸在设计的时候对于活塞杆所能承受的最大负载，要根据活塞杆所要返回的路程进行分析计算，并且对运动时活塞杆的横向运动稳定性是否正常、液压缸在行程末端的制动缸内的排气问题都需要具有相应的措施。一般情况下液压缸的定位都是某一端。

液压缸的参数确定（单活塞缸）中，无杆活塞的有效面积A1=πD2/4，有杆活塞的有效面积A2=π（D2-d2）/4，P1、P2分别为进油压力和回油压力，v为活塞的运动速度，A为活塞的有效面积，D为缸筒内径，d为活塞杆直径，η工作效率，δ材料的许用应力。

液压缸的总作用力：

P=（P1×A1-P2×A2）×η=（π/4）×[D2×P1-（D2-d2）×P2]×η （1）

Φ=D2/（D2-d2） （2）

F=Pπd2/4 （3）

根据上面3个方程，可以得到下面的等式：

缸筒内径：D=√4Fmax/πPη

活塞杆直径：d=D×√（Φ-1）/Φ

缸筒壁厚：壁厚=Pmax×D/（2×δ）

缸筒底部厚度：h>=0.433×D√（P1/δ）

1.2 缸体的强度校核

液压缸的组成部分中有部分组件在工作室需要承受很大的压力作用，比如缸筒的内径和厚度、活塞杆的直径参数以及对螺栓的直径分析，因为校核是校核最危险的情况下是否满足材料的性质，这就涉及到材料力学的性能，而在低压的情况不需要校核，能够大致推测出在这个强度下材料可以正常使用。

1.2.1 缸筒壁厚

缸筒壁厚在校核的时候对于数据的处理是要分两种情况进行校核验证的，当缸筒内径和壁厚比大于等于10的时候为薄壁，壁厚的校核公式为：δ>=PyD/2[?]（D为缸筒的内径；Py为缸筒的实验压力；?缸筒材料的许用应力），当缸的额定压力Pn<=16MPa时，Py=1.5pn，当Pn>=16MPa时，Py=1.25pn。当缸筒内径和壁厚比大于等于10的时候为厚壁：δ>=D/2{√（[?]+0.4Py）/（[?]-1.3Py）-1}。

1.2.2 稳定性的校核

活塞是做轴向运动的，在轴向压缩液体的时候受到力的作用，使用时这个力不能超过活塞保持稳定性工作所允许的负载，否则就会使活塞杆杆反生纵向曲折，使得液压系统遭到破坏，无法正常工作。保持穩定性不仅仅和材料的性能有关，还与活塞杆的界面形状、直径长度以及安装方式等都有着关系。

活塞杆稳定性校核公式为：F<=Fk/nk，式中nk是安全系数，nk一般取2～4。

当活塞杆的细长比l/rk>Ψ1√Ψ2时，

Fk=（Ψ2π2EJ）/l2 （4）

当活塞杆的细长比l/rk<=Ψ1√Ψ2时，且Ψ1√Ψ2=20～120时，

Fk=fA/（1+αl2/Ψ2r2k） （5）

式中l为安装长度，l的值是与活塞杆的安装方式有关；rk为活塞杆的最小回转半径；Ψ1为柔性系数；Ψ2为液压缸支承方式决定的末端系数；E为活塞杆材料的弹性模量；J为活塞杆横截面惯性矩；A为活塞杆横截面面积；f为由材料强度决定的实验值；α为常数。

2 SolidWorks二次开发的基本知识

VB开发SolidWorks的参数化程序编程是利用VB对SolidWorks进行二次开发。首先要用VB对已经安装的SolidWorks库进行加载，然后通过VB建立文档，这个文档是用来编辑要用的数据，编写程序直接输出，可以方便许多。在编写程序时要自己去查找代码，清楚了代码以后，利用VB来编辑一个界面，这个界面含有自己想要得到模型的数值。

首先要创造SolidWorks的研究应用对象，然后以SolidWorks为研究对象，通过宏调用其他对象的入口，要想调用SolidWorks API的其他功能，就必须先先调用它。然后就是它的文档对象，包括“零件对象”“装配环境”“工程图环境”以及“非工作环境”几个状态。一旦上述两个对象被调用之后才可以调用对象的属性、应用脚本以及相关函数。可以理解为先取得对应用的权限，然后才能和应用进行对接，数据库才能就行植入。

3 液压缸的参数化设计

参数化设计是用参数化背后的逻辑或思维方式来构思和设计心得、思维方式的方法论。参数化设计并不等于对模型的曲面设计，它们只是一组组数据，数据之间具有一定的关系，当数据发生变化时，模型的尺寸结构发生了变化，但是数据之间的固有关系还是不变的，所以参数化设计主要核心在于数据之间的关联。

设计参数在数据的嵌入体现了产品的性能是否满足材料的力学性能对该数据的要求，而且能够控制组建之间的结构，直接进行配合。因为液压缸的组件之间有着明确的函数关系以及约束关系，例如缸筒的内部直径大小是和活塞的外部直径相等，相当于这两个组件之间的一个密封约束，在设计组件的时候，活塞杆的直径和缸筒的内径之间有函数关系d=D×√（Φ-1）/Φ，缸筒的长度与活塞的宽度、缸的行程、缸盖和缸体的长度存在着物理关系。活塞的有效面积与活塞杆的直径和杆的连接方式、密封结构、支撑结构存在着函数关系，这些函数关系的确定，使得设计的尺寸也会随着主参数的变化而发生相应的变化，也可以说随着主参数的确定而确定。在利用SolidWorks软件进行液压缸的三维建模时，需要先自己建立草图进行拉伸等操作。在SolidWorks宏录制中提取自己想要的编码（这些编码也可以自己通过接口编写，满足用户自己的需求），通过给这些参数进行赋值，然后通过其中的函数关系确定，再通过VB中的语句反馈发到三维模型上，得到的模型就是自己想要的结构。

4 结语

二次开发是个很广泛的概念，不仅仅是在SolidWorks软件的二次开发，参数化的设计使得相关人员从一些繁琐的计算中走出，并且能够快速建模，提高了生产效率，减少了人力资源，也就可以让更多的用户接受大众化价格，让市场得到更加广泛的应用。

参考文献

[1] 张利平.液压传动设计指南[M].北京：化学工业出版社，2009：112-113.

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科学技术创新杂志社

2020-02-20