膜片型干式真空泵设计
摘 要：干式真空泵是指在抽气的气路中没有使用油、水银、水蒸气或其它聚合
物等流体为工作介质的真空泵。本次设计利用计算机辅助设计软件SolidWorks
完成膜片式干式真空泵虚拟样机设计。
关键词： 干式真空泵；虚拟样机设计
1 真空泵的分类
1.1真空泵种类较多，主要类型有： 真空泵种类较多，主要类型有：
(1) 水环真空泵, 虽然水环真空泵属于粗真空泵，但在我国的石油、化工、电
力、轻纺、造纸、医药等领域仍然有着很大的市场。
(2) 滑阀泵, 滑阀泵是油封式真空泵的一种。
(3) 直联旋片泵, 键是要解决轴封漏油以及旋片材料和真空泵油的性能质量
问题，确保直联泵在高速、高温下性能稳定和运行可靠，同时还要进一步提高国
产直联旋片泵抽除水蒸气的能力。
1.2 真空泵的选择
为达到最佳配置，选择真空系统时，应考虑下述各点：
(1) 确定工作真空范围, 因为每一种工艺都有其适应的真空度范围，必须认真
研究并确定。
(2) 确定极限真空度, 因为系统的极限真空度决定了系统的最佳工作真空度。
(3) 被抽气体种类与抽气量。
(4) 真空容积。
1.3 真空泵的发展趋势
由于真空技术领域的扩展和迅速成长的高新技术，国内真空泵市场对真空泵
的技术水平提出了更高的要求。真空泵的生产企业必须通过技术创新和产品结构
的调整两个途径来保住原有市场，进而继续扩大市场占有率。真空泵的发展趋势
有：提高真空泵的可靠性，降低振动、噪声，注重真空泵的综合水平, 真空泵向
个性化、多样化发展, 尽快形成分子泵和干式真空泵的规模生产。
2 虚拟样机技术的概念及相关技术
2.1 虚拟样机技术的概念
虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法, 这些
数字模型即虚拟样机( Virtual Prototype , VP) , 将不同工程领域的开发模型结合
在一起, 能从功能、性能和行为上模拟真实产品。利用虚拟样机可代替物理样机
对产品进行创新设计、测试和评估, 缩短开发周期, 降低成本, 改进设计质量, 提
高企业面向客户、敏捷响应市场的能力。
具有如下特点:
( 1) 面向系统级设计的观点。强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和
在特定环境下的行为;
( 2) 涉及产品全生命周期。虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期, 并随
着产品生命周期的演进而不断丰富和完善;
（3）支持分布式协同设计。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上, 利
用计算机网络通讯技术, 使处于异地的产品设计人员也可地进行交流, 协同进行
产品的开发。支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分
析与评估活动。
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。虚拟样机技术的发展历程正如物理
样机设计制造技术发展过程中从 CAX 向集成优化的现代集成制造系统( CIMS)
的发展历程一样, 复杂产品虚拟样机开发已成为一个系统工程? ?? 复杂产品虚
拟样机工程。虚拟样机技现不仅仅是一种新技术的应用, 而是设计思想的变革,
将对制造业产生深远的影响。
2.2虚拟样机技术的相关技术
机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分
析时，还需要融合其他相关技术。为了能够充分发挥不同分析软件的特长，有事
可能希望虚拟样机软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程（MCAE ）软件，
或者反过来，虚拟样机软件的输入数据可以由其他的专用软件产生。
一个优秀的虚拟样机分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学分析
以外，还应该包含一下技术：
（1）几何形体的计算机辅助设计（CAD ）软件和技术。用于机械系统的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。
（2）有限元分析（FEA ）软件和技术。可以利用机械系统和运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统有限元分析（FEA ）所需的外力和边界条件。或者利用有限元分析对构件的应力、应变和强度进行进一步的分析。
（3） 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件编程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压气动力、风力等等，以适应各种机械系统的要求。
（4） 控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析。或者可以应用其他专用的控制系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。
优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析，是一个重要的应用领域，通过优化分析，确定最佳的设计结构和参数值，是机械系统获得最佳的综合性能。
3 基于Solidworks 软件的虚拟样机技术的应用
3.1 SolidWorks软件简介
3.1.1 SolidWorks的功能与特点
Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
3.2 Solidworks 虚拟样机技术软件集成
3.2.1 SolidWorks的应用
CAD 实体建模仅是整个设计过程的一环 ,Solidworks 主要用于完成零件设计、装配体设计和自动生成工程图。基于三维特征元素的建模和面向特征元素的数据修改是通过 Solidworks 来完成的, 并且二维、三维数据全相关, 修改任何一个零件的二维尺寸, 都会引起其三维零件图和装配图的自动修改, 甚至与其有
紧密联系的相关零件的尺寸也会变化; 反之修改三维尺寸也会有同样结果。这样就可以实现完全的动态参数化设计。另外, Solidworks 中有一特征管理员, 通过它可以随时随地修改某一特征元素的几何尺寸, 而不必考虑各几何特征的相互关系和先后次序, 极大地方便了设计人员, 提高了设计效率
3.3基于Solidworks 虚拟样机设计方法
根据 Solidworks 提供的功能特点, 可以采取图下图3-1的步骤和方法进行虚拟样机设计和分析。
图3-1基于Solidworks 虚拟样机设计方法
另外, 如果需要, 基于 Solidworks 的虚拟样仿真软件(如 Matlab) 连接进行机械系统与控制系统的联合仿真。
4零件建模设计
要对机械系统进行仿真, 首先要建立机械系统的装配模型。Solidworks 软件
建立机械三维装配体模型的方法有 2 种: 一种是先建立零件, 然后使用配合技术对各构成零件进行组装建立装配体, 即自底向上的装配体建模技术; 另一种方法是直接在装配体模型中根据零件特征和尺寸关联建立起各个构成零件, 即自顶向下的建模技术。这里采用前一种方法, 利用 Solidworks 提供的智能配合技术(Smartmate)快速建立系统的装配体模型。
利用拉伸、阵列、切除、扫描、镜像等特征，建立真空泵主要零部件的三维参数化模型。在建模过程中，充分利用参数化尺寸、方程式共享数值、配置、派生零件等参数化设计和设计重用技术，便于虚拟装配时发现零件结构不合适时对其进行修改。
5干涉检查及运动仿真
5.1干涉检查
运动仿真的一个重要内容就是进行零件之间的干涉检查。本设计干涉检查的结果发现外壳在与内架时存在干涉, 将干涉位置局部放大通过运动仿真发现零件存在干涉后, 可以直接在装配体环境下修改发生干涉的零件, 而且装配体零件的修改可以直接反映在零件模型上, 实现模型动态交互更新。经过分析, 干涉是由内架的棱边所引起的, 于是把棱边进行减小尺寸处理, 对干涉零件改进后继续进行仿真直到不发生干涉为止。模型经过修改后, 再次仿真干涉现象消失了。
5.2运动仿真
为形象地表达机器的运动情况，我们首先借助COSMOSMotion 全功能运动仿真软件，制作了所设计机其空转工作的运行动画，再建立单个零件和工件碰撞的数学方程，借助Swift 3D制作了单个工作简运行状况，模拟出工件在整个被加工中形成的封闭式环流，反映出工件被加工状态，为进一步借助控制方程模拟易工件被加工运动轨迹打下基础。
参考文献
［1］ 凌学勤. 往复式活塞隔膜泵[J].矿山机械,2002.
膜片型干式真空泵设计
摘 要：干式真空泵是指在抽气的气路中没有使用油、水银、水蒸气或其它聚合
物等流体为工作介质的真空泵。本次设计利用计算机辅助设计软件SolidWorks
完成膜片式干式真空泵虚拟样机设计。
关键词： 干式真空泵；虚拟样机设计
1 真空泵的分类
1.1真空泵种类较多，主要类型有： 真空泵种类较多，主要类型有：
(1) 水环真空泵, 虽然水环真空泵属于粗真空泵，但在我国的石油、化工、电
力、轻纺、造纸、医药等领域仍然有着很大的市场。
(2) 滑阀泵, 滑阀泵是油封式真空泵的一种。
(3) 直联旋片泵, 键是要解决轴封漏油以及旋片材料和真空泵油的性能质量
问题，确保直联泵在高速、高温下性能稳定和运行可靠，同时还要进一步提高国
产直联旋片泵抽除水蒸气的能力。
1.2 真空泵的选择
为达到最佳配置，选择真空系统时，应考虑下述各点：
(1) 确定工作真空范围, 因为每一种工艺都有其适应的真空度范围，必须认真
研究并确定。
(2) 确定极限真空度, 因为系统的极限真空度决定了系统的最佳工作真空度。
(3) 被抽气体种类与抽气量。
(4) 真空容积。
1.3 真空泵的发展趋势
由于真空技术领域的扩展和迅速成长的高新技术，国内真空泵市场对真空泵
的技术水平提出了更高的要求。真空泵的生产企业必须通过技术创新和产品结构
的调整两个途径来保住原有市场，进而继续扩大市场占有率。真空泵的发展趋势
有：提高真空泵的可靠性，降低振动、噪声，注重真空泵的综合水平, 真空泵向
个性化、多样化发展, 尽快形成分子泵和干式真空泵的规模生产。
2 虚拟样机技术的概念及相关技术
2.1 虚拟样机技术的概念
虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法, 这些
数字模型即虚拟样机( Virtual Prototype , VP) , 将不同工程领域的开发模型结合
在一起, 能从功能、性能和行为上模拟真实产品。利用虚拟样机可代替物理样机
对产品进行创新设计、测试和评估, 缩短开发周期, 降低成本, 改进设计质量, 提
高企业面向客户、敏捷响应市场的能力。
具有如下特点:
( 1) 面向系统级设计的观点。强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和
在特定环境下的行为;
( 2) 涉及产品全生命周期。虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期, 并随
着产品生命周期的演进而不断丰富和完善;
（3）支持分布式协同设计。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上, 利
用计算机网络通讯技术, 使处于异地的产品设计人员也可地进行交流, 协同进行
产品的开发。支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分
析与评估活动。
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。虚拟样机技术的发展历程正如物理
样机设计制造技术发展过程中从 CAX 向集成优化的现代集成制造系统( CIMS)
的发展历程一样, 复杂产品虚拟样机开发已成为一个系统工程? ?? 复杂产品虚
拟样机工程。虚拟样机技现不仅仅是一种新技术的应用, 而是设计思想的变革,
将对制造业产生深远的影响。
2.2虚拟样机技术的相关技术
机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分
析时，还需要融合其他相关技术。为了能够充分发挥不同分析软件的特长，有事
可能希望虚拟样机软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程（MCAE ）软件，
或者反过来，虚拟样机软件的输入数据可以由其他的专用软件产生。
一个优秀的虚拟样机分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学分析
以外，还应该包含一下技术：
（1）几何形体的计算机辅助设计（CAD ）软件和技术。用于机械系统的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。
（2）有限元分析（FEA ）软件和技术。可以利用机械系统和运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统有限元分析（FEA ）所需的外力和边界条件。或者利用有限元分析对构件的应力、应变和强度进行进一步的分析。
（3） 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件编程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压气动力、风力等等，以适应各种机械系统的要求。
（4） 控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析。或者可以应用其他专用的控制系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。
优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析，是一个重要的应用领域，通过优化分析，确定最佳的设计结构和参数值，是机械系统获得最佳的综合性能。
3 基于Solidworks 软件的虚拟样机技术的应用
3.1 SolidWorks软件简介
3.1.1 SolidWorks的功能与特点
Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
3.2 Solidworks 虚拟样机技术软件集成
3.2.1 SolidWorks的应用
CAD 实体建模仅是整个设计过程的一环 ,Solidworks 主要用于完成零件设计、装配体设计和自动生成工程图。基于三维特征元素的建模和面向特征元素的数据修改是通过 Solidworks 来完成的, 并且二维、三维数据全相关, 修改任何一个零件的二维尺寸, 都会引起其三维零件图和装配图的自动修改, 甚至与其有
紧密联系的相关零件的尺寸也会变化; 反之修改三维尺寸也会有同样结果。这样就可以实现完全的动态参数化设计。另外, Solidworks 中有一特征管理员, 通过它可以随时随地修改某一特征元素的几何尺寸, 而不必考虑各几何特征的相互关系和先后次序, 极大地方便了设计人员, 提高了设计效率
3.3基于Solidworks 虚拟样机设计方法
根据 Solidworks 提供的功能特点, 可以采取图下图3-1的步骤和方法进行虚拟样机设计和分析。
图3-1基于Solidworks 虚拟样机设计方法
另外, 如果需要, 基于 Solidworks 的虚拟样仿真软件(如 Matlab) 连接进行机械系统与控制系统的联合仿真。
4零件建模设计
要对机械系统进行仿真, 首先要建立机械系统的装配模型。Solidworks 软件
建立机械三维装配体模型的方法有 2 种: 一种是先建立零件, 然后使用配合技术对各构成零件进行组装建立装配体, 即自底向上的装配体建模技术; 另一种方法是直接在装配体模型中根据零件特征和尺寸关联建立起各个构成零件, 即自顶向下的建模技术。这里采用前一种方法, 利用 Solidworks 提供的智能配合技术(Smartmate)快速建立系统的装配体模型。
利用拉伸、阵列、切除、扫描、镜像等特征，建立真空泵主要零部件的三维参数化模型。在建模过程中，充分利用参数化尺寸、方程式共享数值、配置、派生零件等参数化设计和设计重用技术，便于虚拟装配时发现零件结构不合适时对其进行修改。
5干涉检查及运动仿真
5.1干涉检查
运动仿真的一个重要内容就是进行零件之间的干涉检查。本设计干涉检查的结果发现外壳在与内架时存在干涉, 将干涉位置局部放大通过运动仿真发现零件存在干涉后, 可以直接在装配体环境下修改发生干涉的零件, 而且装配体零件的修改可以直接反映在零件模型上, 实现模型动态交互更新。经过分析, 干涉是由内架的棱边所引起的, 于是把棱边进行减小尺寸处理, 对干涉零件改进后继续进行仿真直到不发生干涉为止。模型经过修改后, 再次仿真干涉现象消失了。
5.2运动仿真
为形象地表达机器的运动情况，我们首先借助COSMOSMotion 全功能运动仿真软件，制作了所设计机其空转工作的运行动画，再建立单个零件和工件碰撞的数学方程，借助Swift 3D制作了单个工作简运行状况，模拟出工件在整个被加工中形成的封闭式环流，反映出工件被加工状态，为进一步借助控制方程模拟易工件被加工运动轨迹打下基础。
参考文献
［1］ 凌学勤. 往复式活塞隔膜泵[J].矿山机械,2002.