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，通过电气或手动信号输入控制阀体开关，使气体进出停止满足控制要求。气压控制阀主要有三种：压力调节阀、节流阀和顺序阀。以气压调节阀为例，其功能是控制和保持出口工作压力不受入口压力和空气消耗的影响。其原理是利用弹簧和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，空气从接头的孔流出，直到恢复原来的压力。气压调节阀广泛应用于轻工业机械行业，其结构和模拟是设计和教学的难点。

Solidworks是优秀的CAD其中一个软件可以完成气压调压阀的建模设计，在此基础上进行虚拟组装、运动模拟、运动分析，最终在其插件中生成工程图和PHOTOWORKS渲染输出等。机构分析的模拟结果可以方便地用于设计和多媒体教学，也为机械专业的虚拟教学提供了思路。

1 分析过程

1.1 建模设计

Solidworks通过拉伸、旋转、薄壁特征、扫描、抽壳、圆角、特征阵列、冲孔等操作，提供强大的基于特征的物理建模功能，实现产品设计。气压阀部件包括：阀体、上盖、轴承、轴承衬套、偏心凸轮、轴承、钥匙、螺钉、管接头1、压力调节螺母、钢珠、弹簧座、压力调节弹簧、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个部件，以下是主要部件的造型过程。气压调压阀的具体建模设计工艺如下：

（1）打开Solidworks2010年，新零件1阀体，基准面新草图，依次具有拉伸、旋转卸料、倒角、阵列、螺纹线、基准面、草图、扫描切割、圆角等特点。具体建模尺寸参照建模/机构/结构综合培训教程，三维建模过程如图1所示。

图1 阀体建模

（2）新零件2轴，在基准面上创建草图后给出旋转添加剂特征，然后创建草图，然后给出旋转卸料和倒角特征，最后创建草图后拉伸卸料。三维建模过程如图2所示。

图2 心轴建模

(3)新零件3上盖，在基准面创建草图后给出旋转添加剂特征，然后添加倒角特征，给出拉伸卸料特征后的圆形阵列；同样，构建零件4轴承衬套和零件5偏心凸轮模型如图3所示。

图3 上盖、轴承衬套、偏心凸轮建模

(4)从设计库中取出标准零件，然后存储为6轴承、7螺钉和8平键。三维模型如图4所示。

图4 轴承、螺钉、平键建模

(5)新零件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、弹簧盖和活塞杆的建模

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(6)12弹簧座、13弹簧、14外盖、螺栓、13弹簧、14外盖、螺栓和螺帽中的螺纹。三维模型如图6所示。

图6 弹簧座、弹簧、外盖建模

1.2 虚拟装配

虚拟组装可以验证组装设计和操作是否正确，以便尽快发现组装中的问题，修改模型，并通过可视化显示组装过程。虚拟组装系统允许设计师考虑可行的组装顺序，并自动生成组装计划，包括数值计算、组装过程规划、工作面布局、组装操作模拟等。

(1)新建装配体1气压调压阀，插入零件1-22次，插入六角螺母4次，增加配合重合和同轴关系。整个装配体如图7所示。

图7 气压阀组装

（2）单击工具中的干涉检查和计算表明有多种干涉。详细的检查干涉是螺纹干涉，因此可以忽略（建议用装饰螺纹线代替螺纹形状，不存在干涉问题，提高运行速度），表明组装完全正确，干涉检查如图8所示。

图8 气压阀干涉检查

(3)干涉检查完成后，单击插入爆炸视图，爆炸顺序为装配逆序，装配体爆炸效果图如图9所示。

图9 气压阀爆炸视图

1.3效果图渲染

效果图是使用插件PHOTOWORKS完成后，添加零件的材料为带有完整光源的默认塑料和工作室，其他参数默认，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，新建模板设置为A4图纸，插入所需部件轴，添加视图、剖面图、截面图，标记尺寸公差、形状公差、表面粗糙度，生成轴工程图，如图11所示。

图11 心轴工程图输出

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1.5 运动分析    

MOTION它的运动模拟CAE插件，可建立三维动力模拟机构模型，增加运动、约束、力、碰撞、模拟、干预分析、跟踪运动轨迹、分析速度、加速度、力、反应力、扭矩等，可输出动画、图形、表格等形式的结果，分析结果可指导修改结构设计或调整材料。

其具体运动过程：气压阀的动力由轴传输，驱动凸轮，使活塞杆向左推，使左密封空间变小。这增加了气体的压力，管接头内的弹簧也会由于内部压力的增加而排出高压气体，从而达到气压阀的压力。

当凸轮顶部朝相反方向时，活塞杆会压缩弹簧的推力，向右移动，增加左密封空间，气体通过下管接头进入。

点击菜单中的工具选项MOTION具体操作步骤如下：

(1)为了方便后期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成四个接触面，具体分割前后如图12所示。

图12 凸轮面分割

（2）与凸轮表面相同，打开零件活塞杆，选择基准表面作为草图，增加拉伸特性。注意不要检查合并的实体选项，这将产生两个实体，右击新生成的矩形实体隐藏，如图13所示。

图13 创建活塞杆端部接触平面

图14 弹簧关联设置

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(4)点击添加配合，选择凸轮相切配合，选择新分割的凸轮四面和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，添加旋转电机，选择轴，每秒输入30转，如图16所示。

图16

(6)选择运动菜单MOTION点击计算按钮，点击结果和图解选择零件活塞杆，获得活塞杆Z如图17所示。

图17 输出z平移位移和质心速度的方向

（7）单击运动菜单中的播放按钮，获得包括弹簧和凸轮实体模拟运动在内的完整气压阀。整个运动动画如图18所示，最终保存动画AVI格式。

图18 气压阀实体运动模拟

2小结

本文主要分析了常用工业元件中的气压阀Solidworks对软件及其插件进行建模、组装、渲染、工程图和运动分析。各行各业的工程师和教师应逐步认识到CAD/CAM/CAE掌握一种或多种软件的技术在当前项目中的重要性已成为市场经济日益具有竞争力的必要技能之一。