基于AutoCAD平臺的漲圈密封參數化軟件開發

莊宿國，趙偉剛，楊霞輝，王 良，黃 丹

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

基于AutoCAD平臺的漲圈密封參數化軟件開發

莊宿國，趙偉剛，楊霞輝，王 良，黃 丹

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

系統闡述了漲圈密封的基本理論和結構特點，深入探討了漲圈密封參數化設計的意義和現狀。在此基礎上，在AutoCAD 2008平臺下，采用C++編程語言，在ObjectARX 2008環境下成功開發了用于漲圈密封設計的參數化CAD軟件，實現了漲圈密封的參數化設計，提高了漲圈密封設計的效率和質量，設計實例表明，軟件界面友好，使用簡單，設計結果可靠，經試驗驗證，研制的漲圈密封各項指標均滿足產品性能需求。

AutoCAD；漲圈密封；參數化設計；軟件開發

0 引言

漲圈密封廣泛應用于航天航空領域，是傳動系統的關鍵元件，如果漲圈密封損壞，則液壓控制系統將發生故障，從而導致操縱失效[1]。20世紀30年代，德國Simme發明了世界上第一個變速箱旋轉軸動密封裝置，解決了高速旋轉條件下軸的潤滑與密封問題。Smith在實驗基礎上證實了密封接觸面間存在油膜，油膜的剛度關系到密封的泄漏和潤滑[2]。劉哲文對不同材料的漲圈密封進行了仿真計算和試驗研究，分析了不同材料在高PV值下的性能[3]。李濤設計開發了漲圈密封試驗臺，并就相關產品進行了密封性能試驗[4]。洪軍華、胡紀濱及魏超根據漲圈密封的實際結構和工作形式建立了運動狀態控制模型，導出了自由切口間隙的計算公式，并分析了相關因素對切口間隙取值范圍的影響[5]。上述研究主要針對于漲圈密封的參數設計、性能計算及泄漏機理等進行了研究，但未涉及到漲圈密封的數字化設計領域。

目前，隨著我國航天技術的不斷發展，對大推力、高轉速、重復使用的動力系統需求日益迫切，對漲圈的摩擦系數、泄漏量及壽命等要求越來越高，傳統的設計手段已無法滿足傳動系統漲圈密封的高性能要求，也無法適應目前新型號傳動系統高效、高可靠性的研發要求[6]。因此，需要開發高效精確的漲圈密封數字化設計平臺，在此基礎上進一步開展高轉速、低摩擦系數、微泄漏、長壽命漲圈的研制。

本研究采用C++為編程語言、ObjectARX 2008為二次開發工具，對AutoCAD 2008進行二次開發。依據漲圈的設計準則，開發了漲圈的專用參數化設計軟件，實現了漲圈的參數化設計，提高了漲圈設計效率和質量。

1 數學模型

漲圈密封工作原理見圖1。

在工作過程中，殼體襯套靜止，軸相對殼體襯套轉動，漲圈密封安裝于軸的密封槽內，漲圈C面受油壓Δp的作用，使其A面與密封槽右側貼緊，形成主密封面；通過自身的彈力以及油壓Δp的作用，使漲圈向著徑向外側漲開，B面壓緊在殼體襯套上，形成輔助密封面，上述兩個密封面保證漲圈密封的密封性能。

1.1 切口間隙尺寸

漲圈密封依靠切口間隙來保證具有良好的彈力，但彈力太小漲圈密封將隨軸轉動且密不易安裝，彈力過大漲圈密封容易失效且搭扣處容易發生斷裂，并且切口間隙還直接影響到漲圈密封的摩擦力和功耗等。因此，為確保漲圈密封穩定、可靠工作，必須合理設計漲圈密封自由間隙。

漲圈密封自由狀態下切口的最小間隙計算公式為：

漲圈密封自由狀態下切口的最大間隙計算公式為：

式中：E為彈性模量；σs為屈服強度；nb為安全系數。

1.2 彈力及摩擦功率計算

在工作過程中，漲圈密封應依靠自身的彈力卡緊在殼體襯套上，保證其不隨軸一起轉動，即M2≥M1，為此，漲圈密封平均彈力為（假設f2=f1）[7]：

漲圈密封A面與軸配合，B面與殼體襯套配合，其摩擦力矩分為以下兩種：1）A端面的摩擦力矩

2）B端面的摩擦力矩

式中：f1為A面的摩擦系數；f2為B面的摩擦系數；P2為漲圈的彈力。

3）摩擦功率

漲圈密封的摩擦功率計算公式為：

式中n為軸的轉速。

2 軟件開發

2.1 開發工具

ObjectARX是AutoCAD提供的一個面向對象的開發環境。它以C/C++為開發語言，ARX庫為開發工具，具有面向對象編程方式的數據可封裝性、可繼承性及多態性等特點，且支持MFC編程[8]。

ObjectARX應用程序經過在Visual C++環境下編譯鏈接后，生成“.ARX”為擴展名的動態鏈接庫文件（DLL），一個ARX應用程序是一個動態鏈接庫，與AutoCAD共享地址空間，直接調用AutoCAD內核函數，程序運行快。漲圈參數化設計 CAD軟件采用 C++為編程語言、ObjectARX 2008為二次開發工具，對AutoCAD 2008進行二次開發[9-10]。

2.2 軟件開發流程

圖2為漲圈密封參數化CAD軟件開發流程，按照設計流程執行，首先輸入設計參數，然后依次確定主要尺寸、搭扣切口尺寸、端面流槽，最終校核彈力和摩擦力矩。圖樣設計完成后，進行圖框及標題欄簽署。

2.3 軟件開發

1）建立ARX應用程序的工程文件，工程名稱為ring，用Visual C++環境的AppWizard向導創建ObjectARX應用程序框架，自動生成所創建工程的文件，如 ring.def，ring.h，ring.cpp，StdAfx.h，StdAfx.cpp，Resourch.h等。

2） 設置ARX應用程序的初始化部分。在ring.cpp文件中添加需要包含的頭文件、函數聲明、接口函數說明及用戶程序主體函數等部分。

如在接口函數部分中，使用了3個關鍵的函數，即加載函數 initApp（）、卸載函數unloadApp（） 和調用函數acrxEntryPoint。部分函數代碼如下：

void ring()//主函數

{

AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState ());//創建DLL模塊狀態

CRINGDLG dlg;//創建主對話框界面對象

Dlg.DoModal();//顯示對話框……}

void initApp()//加載函數

{

acedRegCmds ->addCommand( _T( " ring_COMMANDS"),

_T("r"),

_T("r"),

ACRX_CMD_TRANSPARENT, ring);……

}

void unloadApp()//卸載函數

{

acedRegCmds ->removeGroup( _T( " ring_COMMANDS"));……

}

3） 依據漲圈密封參數化設計開發流程，依次創建設計參數輸入、主要尺寸確定、搭扣切口尺寸設計、性能校核及圖紙設置等界面，分別添加各界面相應的控件，關鍵是定義相應的消息處理函數及各界面的初始化函數。設計參數輸入界面初始化程序代碼如下：

BOOLCRINGDLG::OnInitDialog()

{

CDialog::OnInitDialog();

static BOOL d=false;

if(d==false)

{

YT=1;

((CButton*)GetDlgItem(IDC_HKHT)) ->SetCheck(TRUE);//選上

m_P1=2.5;

m_n1=5000;

m_W 1=2.8;

m_R11=104;

m_R51=120;

m_R31=118;

d=true;

}

else

{

if(YT==1)

{

( ( CButton *) GetDlgItem (IDC_HKHT))->SetCheck(TRUE);//選上

}

else if(YT==2)

{

( ( CButton *) GetDlgItem (IDC_TKZJ))->SetCheck(TRUE);//選上

}

else if(YT==3)

{

( ( CButton *) GetDlgItem

(IDC_GCJX))->SetCheck(TRUE);//選上

}

else if(YT==4)

{

((CButton*)GetDlgItem(IDC_QT)) ->SetCheck(TRUE);//選上

}

}

P.Format(_T("%.2f"),m_P1);

n.Format(_T("%.2f"),m_n1);

W.Format(_T("%.2f"),m_W1);

R1.Format(_T("%.2f"),m_R11);

R5.Format(_T("%.2f"),m_R51);

R3.Format(_T("%.2f"),m_R31);

m_P.SetWindowText(P);

m_n.SetWindowText(n);

m_W.SetWindowText(W);

m_R1.SetWindowText(R1);

m_R5.SetWindowText(R5);

m_R3.SetWindowText(R3);

erase();

this ->SetWindowPos( NULL,0,120,0,0, SWP_NOZORDER|SWP_NOSIZE);//移動對話框位置

return TRUE;//return TRUE unless you set the focus to a control

}

定義主要典型圖樣繪制程序如下[11]：

直線：

acedCommand(RTSTR,_T(" LINE") , RT3DPOINT,pt1,RT3DPOINT,pt2,RTSTR,_T(""), 0);

圓：acedCommand(RTSTR,_T("CIRCLE"), RT3DPOINT,pt_c,RTREAL,r,0);

圓?。?/p>

acedCommand(RTSTR,_T(" ARC") , RT3DPOINT,pt1,RTSTR,_T("E"),RT3DPOINT,pt2,RTSTR,_T("R"),RTREAL,r,0);

樣條曲線：

acedCommand(RTSTR,_T(" SPLINE"), RT3DPOINT,pt1,RT3DPOINT,pt2,RTSTR,_T(""), RTSTR,_T(""),RTSTR,_T(""),0);

4）編譯、鏈接應用程序（ring.arx）。

2.4 軟件的主要功能

1）設計參數輸入模塊

用戶可以根據用途選擇漲圈設計模式，然后輸入傳動裝置的相關性能參數及尺寸空間，如圖3所示。

2）尺寸設計模塊

如圖4所示，首先主要尺寸界面中給出了漲圈密封與傳動裝置空間配合幾何參數的優化值，然后進入搭扣切口尺寸界面，設計搭扣總長度、切口寬度及切口間隙長度等參數，最后進入端面刻槽界面，確定流槽種類、流槽尺寸及流槽數量等參數，用戶均可根據經驗對上述設計參數進行修改。

3）性能校核模塊

根據設計參數計算漲圈的性能參數，如果對設計結果不滿意，可以返回上一步，進行參數的修改，如圖5（a）所示。

4）圖框簽署模塊

設計完成后，進入如圖5（b）所示的圖幅和標題欄設置對話框，初始圖幅和布置方式為A3、橫置。繪圖比例是根據繪制的圖形和A3圖框之間比值進行自動換算的一個比例。輸入標題欄中的“單位名稱”、“圖紙名稱”、“材料名稱”以及“重量”等。

3 設計實例

采用本設計軟件，設計一種某傳動系統用漲圈，設計參數如下：

Δp=2.5 MPa；n=5 000 r/min；R=113 mm；R2=119.7mm；R3=120.05mm；L=2.8mm。

設計結果如圖6所示，其中搭扣切口尺寸根據基體材料聚四氟乙烯彈性模量核算，槽型結構及數量根據前期試驗結果優化確定。

設計結果在專用傳動系統密封試驗臺上進行了密封性能和密封可靠性試驗，試驗過程中主要采集了轉速、油壓、泄漏量、扭矩和油溫等試驗數據，試驗結果如表1所示，摩擦系數、線速度、工作壓力及泄漏量等均滿足設計要求。

表1 漲圈密封試驗結果Tab.1 Performance indicators obtained in experiment of seal ring

4 結論

闡述了漲圈的基本理論和結構特點，在此基礎上，采用C++編程語言，以ObjectARX 2008為二次開發工具，在AutoCAD 2008開發平臺上開發了用于漲圈設計的參數化CAD軟件，提高了漲圈密封設計的工作效率。經試驗驗證，研制的漲圈密封各項指標均滿足產品性能需求，為后續型號產品設計質量的提升提供了依據。

[1]彭拾義.旋轉密封裝置[M].北京：國防工業出版社,1976.

[2]宮燃.傳動裝置動密封環失效分析及試驗研究[D].杭州：浙江大學,2008.

[3]劉哲文.漲圈密封在高速高壓條件下的摩擦與磨損機理研究[D].廣州：華南理工大學,2009.

[4]李濤.漲圈型旋轉密封裝置及其性能研究[D].杭州：浙江大學,2007.

[5]洪軍華,胡紀濱,魏超.漲圈旋轉密封環自由切口間隙的理論計算[J].機床與液壓,2012,40(7)：14-19.

[6]莊宿國.誘導輪設計方法及其在船用泵的應用[D].鎮江：江蘇大學,2012.

[7]莊宿國,王良,常濤,等.高性能旋轉動密封環設計研究[J].火箭推進,2016,42(1)：44-49,57. ZHUANG Suguo,WANG Liang,CHANG Tao,et al. Design research of high-performance rotary dynam ic seal ring[J].Journal of rocket propulsion,2016,42(1)：44-49, 57.

[8]劉厚林,莊宿國,俞志君,等.JW 200-1000-315型離心泵誘導輪設計[J].華中科技大學學報（自然科學版）,2011, 39(12)：14-17.

[9]張濤.誘導輪CAD優化設計及內部三維流場分析[D].鎮江：江蘇大學,2003.

[10]莊宿國,劉厚林,俞志君,等.誘導輪水力設計及其CAD軟件開發[J].流體機械,2011,39(7)：50-54.

[11]劉厚林,談明高.雙流道泵[M].鎮江：江蘇大學出版社, 2012.

CAD software development for sealing ring on AutoCAD platform

ZHUANG Suguo,ZHAOWeigang,YANG Xiahui,WANG Liang,HUANGDan
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

The basic theory and structure characteristicsof ring sealare illustrated systematically. Thesignificanceand currentsituation of theparametric design of ring sealaredeeply discussed.On this basis,the CAD software for ring seal was developed by using C++programm ing language and ObjectARX 2008 based on AutoCAD 2008.The parametric design of ring seal was realized.The design efficiency and quality of ring seal were improved.The design example indicates that the software is reliable and easy to use,and its interface is friendly.It was verified by the test.The verification result shows that all the indexes of the ring sealmade w ith the software can meet the performance requirementsof theproduct.

AutoCAD;ring seal;parametric design;software development

V432-34

A

1672-9374(2017)03-0047-06

2016-07-13；

2016-12-25

十一五民口配套項目（JPPT-115-1366）

莊宿國（1986—），男，工程師，研究領域為液體火箭發動機機械密封設計