8 - 2000

Опыт использования SolidWorks при проектировании горно-шахтного оборудования

Ольга Горбачева

Опыт работы с SolidWorks

Наши достижения

Основные задачи при работе с большими сборками и способы их решения

Программирование в среде SolidWorks

Заключение

В этой статье нам хотелось бы рассказать читателям журнала «САПР и графика» о своем опыте проектирования больших сборок, о применяемых на нашем предприятии методах оптимизации моделей силовых несущих конструкций, состоящих из большого количества деталей и узлов сложной геометрической формы, а также о том, какие задачи мы смогли решить и какие проекты нам удалось выполнить с помощью САПР SolidWorks. Надеемся, что большой опыт в использовании САПР, накопленный конструкторами ОАО «Гипроуглемаш» за годы работы в SolidWorks, будет полезен читателям при выборе профессионального графического пакета, а также пригодится пользователям SolidWorks, решающим в своей повседневной деятельности аналогичные по сложности задачи.

«Гипроуглемаш» (ныне — ОАО) был основан в феврале 1935 года как специализированный институт по проектированию горно-шахт­ного оборудования. За время работы сотрудники института создали уникальные конструкции механизированных крепей, таких как М130, М144, М87, проработавших в шахтах на добыче угля многие десятилетия и добывавших миллионы тонн угля в год. Комплексами разработки «Гипроуглемаш» оснащались шахты в Испании, Вьетнаме, Индии. Кроме того, был накоплен огромный опыт по проектированию транспортирующих машин и механизмов, применяемых при добыче полезных ископаемых. Институту неоднократно присуждались различные премии и награды (в том числе Ленинская премия и орден Трудового Красного Знамени).

За годы работы институтом было запатентовано множество решений, получивших свое развитие в дальнейшем не только в России, но и за рубежом. Огромный потенциал, накопленный сотрудниками ОАО «Гипроуглемаш», и сейчас проявляется в создании конкурентоспособных механизмов и машин по добыче и транспортировке угля и других полезных ископаемых. Институт сотрудничает с ведущими заводами по изготовлению горно-шахтного оборудования, лидируя в своей отрасли и успешно осваивая новые товарные рынки (рис. 1).

Опыт работы с SolidWorks

Первое знакомство сотрудников института с программным продуктом SolidWorks состоялось еще в 1998 году. Этот инструмент сразу же позволил решить ряд задач, стоявших тогда перед нами:

• быстрый анализ конструкций горно-шахтного оборудования;

• срочная подготовка ремонтной и технической документации;

• быстрое внесение изменений в существующую конструкцию и проектирование новой с лучшими механическими характеристиками;

• увязка иностранного оборудования с продукцией российских заводов с минимальными потерями времени и минимальной трудоемкостью, связанной с необходимостью анализа применяемого оборудования со сложной геометрической формой поверхностей;

• анализ аварийных ситуаций, возникающих при работе машин и механизмов.

Сейчас программные модули SolidWorks используются в ОАО «Гипроуглемаш» в ходе работы над всеми крупномасштабными проектами. Нами накоплена огромная база данных и различных технических решений по применяемым в изделиях конструкциям гидроцилиндров, домкратов, секций крепей, транспортирующих механизмов, вспомогательного оборудования. Это позволяет быстро и качественно подготавливать технические предложения и в предельно сжатые сроки реализовывать проекты по оснащению шахт и разрезов.

В начало В начало

Наши достижения

В последнее время было спроектировано несколько больших машин и промышленных объектов, при работе над которыми широко использовался продукт SolidWorks. Рассмотрим более подробно задачи, которые мы успешно решили с помощью SolidWorks при работе над следующими изделиями:

• комплекс механизированный КМ138ВПТ с выпуском подкровельной толщи;

• комплекс УРП00.00.000 для транспортирования и сортировки угля;

• ленточный конвейер ПЛС-1200;

• подготовка технического задания на комплекс КМ138З с закладкой выработанного пространства;

• комбайн К600 для механизированной выемки в угольном забое.

Комплекс КМ138ВПТ (рис. 2 и 3) разрабатывался в 2001-2002 годах как уникальная конструкция для добычи мощных (до 10 м ) пластов угля. Проектные работы были выполнены одним человеком за семь месяцев, что стало возможным благодаря применению современного графического пакета проектирования (конструкторского модуля SolidWorks). В процессе проектирования были решены следующие задачи:

1. Проверка собираемости машин и механизмов, составляющих комплекс с исправлением выявленных недостатков. Для этого необходимо было: создать модели узлов и механизмов по готовым чертежам на бумажном носителе, наработанным на момент начала проверки другими сотрудниками; провести анализ положений конструкции; найти погрешности; произвести необходимые исправления и внести соответствующие изменения в конструкторскую документацию. Моделирование узлов и механизмов заняло 10 недель. Сборка содержала более 19 тыс. деталей, из которых около тысячи — уникальные узлы и детали с множеством исполнений и модификаций.

2. Взаимная увязка оборудования с анализом работы комплекса в целом.

3. Подготовка монтажных и сборочных чертежей комплекса. При использовании готовой сборки эта работа заняла минимально возможный срок — 1 неделю.

4. Подготовка графической части текстовой документации на комплекс с показом средств и вспомогательных механизмов, необходимых для монтажа и эксплуатации изделия.

5. Проектирование нескольких недостающих узлов с полной подготовкой рабочей документации согласно ГОСТ.

В дальнейшем проводилась подготовка рекламных и демонстрационных материалов (рис. 3) этого комплекса и создавалась анимация. Продолжительность анимационного ролика, демонстрирующего эксплуатацию и конструкцию машины, — около 10 минут. Эта работа проводилась в течение двух месяцев одним человеком с помощью SolidWorks с последующим редактированием подготовленного материала в специализированных программах монтажа видеоряда, звука и работы с векторной графикой.

Комплекс УРП00.00.000 (рис. 4, 5 и 6) был разработан в 2003 году и предназначен для сортировки, транспортирования и погрузки угля в вагоны со склада, из разреза или шахты. Проектирование и конструкторский контроль изготовления комплекса проводились с нуля в течение девяти месяцев с момента подписания технического задания до подготовки монтажной площадки группой из восьми человек (SolidWorks — три человека, AutoCAD — два человека, кульман — три человека) на постоянной основе и еще до четыре человека работали на кульмане в период максимальной загрузки в течение двух недель. В процессе проектирования с помощью SolidWorks были решены следующие задачи:

1. Увязка оборудования комплекса, выявление ошибок и погрешностей ручного проектирования, расстановка опор и несущих конструкций для нахождения максимально удобного для монтажа и эксплуатации положения.

2. Подготовка рабочей документации согласно СНИП и ГОСТ на сложносварные пространственные несущие конструкции — фермы, опоры, бункеры, переходные мостики и т.д.

3. Подготовка материала (видов, разрезов) для генерации монтажных чертежей, подготовка схем фундаментов и схем установки оборудования.

4. Подготовка графической части для текстовой документации на монтаж и эксплуатацию изделия (один человек в течение одной недели).

5. Подготовка моделей для силового расчета и анализа кинематики конструкции.

Фактически, с помощью SolidWorks было выполнено около 70% работ по проектированию составляющих частей комплекса УРП.00.00.000, а также 100% работ по взаимной увязке деталей и узлов и окончательной сборке комплекса. Помимо этого специально для предварительной подготовки монтажа изделия с помощью SolidWorks были разработаны технологические карты и технологические схемы монтажа сложных составных частей изделия, поставляемых на монтажную площадку в разобранном виде (см. рис. 6).

Изготовление и монтаж изделия происходили при непосредственном участии инженеров-пользователей SolidWorks. Это ускорило монтаж и упростило понимание работниками конструкции и последовательности монтажа изделия. На этапе сборки выяснилось расхождение на 20 см мест, подготовленных для монтажа, от мест привязки механизмов объекта, что при общей длине комплекса более чем в 200 м является допустимой величиной. Количество ошибок, обнаруженных при изготовлении узлов, сконструированных с помощью SolidWorks, было в несколько раз меньше, чем погрешностей узлов, спроектированных вручную или с помощью AutoCAD.

Конвейер ПЛС-1200 (рис. 7) был спроектирован в этом году группой сотрудников из ­шести человек (из них только двое были опытными пользователями SolidWorks) за два с половиной месяца — от схемы размещения оборудования до выдачи полного комплекта рабочей документации. В процессе работы над ленточным конвейером было проработано несколько вариантов конструкции несущих элементов, что позволило быстро, буквально за несколько дней, прийти к наиболее дешевому и технологичному варианту.

Комплекс КМ138З (рис. 8). В 2003 году в ОАО «Гипроуглемаш» группой сотрудников из двух человек проводилась работа по подготовке технического предложения для проектирования комплекса с закладкой выработанного пространства. В процессе работ осуществлялся анализ подачи смеси и угла наклона трубопроводов. Вручную, то есть без SolidWorks, решить эту задачу было бы невозможно. Кроме того, были подготовлены комплект документации (графическая часть — одним человеком выполнялась в течение двух месяцев), состав оборудования, демонстрационные материалы, показывающие работу отдельных механизмов и комплекса в целом, произведена полная взаимная увязка оборудования комплекса.

Комбайн К600 (рис. 9) разрабатывался в 2002-2003 годах как уникальная конструкция для механизированной выемки угля в забое для пластов толщиной до 4,3 м. Отличительной особенностью данного проекта является наличие большого количества литых деталей со сложной поверхностью (до 5-10% всех деталей), а также необходимость применения в модели большого количества эскизов, созданных в контексте сборки. В процессе работы над проектом с помощью SolidWorks были решены следующие задачи:

1. Модульная компоновка с разводкой кинематики.

2. Анализ работы пары зубчатого зацепления «рейка—колесо».

3. Проверка собираемости элементов комбайна.

4. Анализ конструкции комбайна при различных положениях рабочего органа (шнека).

5. Подготовка сборочных чертежей нескольких узлов (с деталировкой согласно ГОСТ), подготовка общих видов.

6. Доработка конструкторской документации по замечаниям и рекомендациям завода-изготовителя на протяжении всего процесса изготовления.

7. Изменение рабочих чертежей по результатам анализа собранной модели.

8. Проектирование трубопроводов и рукавов отдельных узлов.

Начальное моделирование производилось по чертежам, поступавшим на бумажных носителях или в виде файлов AutoCAD. Проработка моделей деталей и сборка всего изделия были выполнены двумя инженерами за семь месяцев. Позже была произведена подготовка муляжированной модели комбайна для применения в схемах увязки комплексов (с целью уменьшения веса изделия), а также подготовка демонстрационных материалов. Кроме того, в рамках данного проекта проводились работы по анализу силового зацепления «зубчатое колесо—цепь», каждый элемент которого представляет собой тело со сложной геометрией поверхности.

В начало В начало

Основные задачи при работе с большими сборками и способы их решения

При проектировании крупного промышленного изделия в короткие сроки небольшим коллективом всегда возникает множество трудноразрешимых и даже практически неразрешимых вопросов, например:

• необходимость одновременного использования больших объемов информации требует наличия высокопроизводительных компьютеров или рабочих станций;

• сложность проектируемых объектов вызывает необходимость в сотрудниках, хорошо владеющих не только методами проектирования, но и основами управления проектом, управлением сетевыми ресурсами.

Обобщая накопленный опыт, мы смогли выработать для себя несколько основных правил, существенно облегчающих оперирование большими объемами геометрических построений. Они достаточно просты и логичны:

• при работе с большими сборками и чертежами этих сборок использовать механизм легковесности;

• следует создавать различные исполнения детали для сборки и чертежа, упрощая внешний облик конфигурации, примененной в сборке. Это, конечно, слегка усложняет моделирование и оперирование деталью в сборке, но позволяет избавиться от несущественных параметров детали на чертеже (одно из требований ГОСТ), а также ускоряет регенерацию сборки;

• по возможности следует располагать деталь в той плоскости, в какой она преимущественно будет находиться при отображении на чертеже и в модели;

• стремиться заранее ориентировать моделируемую деталь в пространстве наиболее выгодным образом, чтобы затем не тратить время и ресурсы на поиск необходимого положения. Особенно это актуально при оформлении чертежа сложной детали или узла, так как сокращается количество вспомогательных видов и положений и соответственно ускоряется процесс создания и регенерации чертежа, что немаловажно при наличии большого количества видов, разрезов и сечений на одном листе;

• по возможности следует стремиться к простой конфигурации базового элемента детали;

• минимизировать количество исполнений одной детали и узла. Выяснено, что при количестве исполнений детали (даже самой простой) больше двадцати могут возникать проблемы при решении геометрии узла в целом (при применении в одном изделии нескольких конфигураций детали или узла одновременно). Появляющиеся проблемы не столь сложны с математической точки зрения: пересчитать конкретное исполнение достаточно просто, но неприятны визуально — возникает мнимая ошибка. Данная проблема периодически появлялась в SolidWorks 2003, но в SolidWorks 2004 она решена путем введения новых расширенных возможностей в механизм работы со сборочными конфигурациями;

• в то же время полезно использовать так называемую муляж-деталь. При наличии нескольких однотипных простых деталей с небольшими, но кардинальными отличиями (например, по типу применяемого сортамента, что автоматически по ГОСТ не позволяет оформить чертеж детали с несколькими исполнениями) рекомендуется создать муляж-деталь с несколькими конфигурациями, в каждую из которых занести по детали одного типа. Это позволяет уменьшить количество подгружаемых файлов, что снижает затраты на регенерацию и сохранение изменений, однако одновременно с этим уменьшает количество своеобразных деталей;

• создавать наименьшее количество дополнительных плоскостей и осей;

• иногда при создании сборки большой конструкции целесообразно нарисовать пространственный эскиз расположения объектов и привязывать модели (а иногда и размеры) деталей именно к нему;

• начинать сборку узла с той детали, которая определяет расположение узла в пространстве (если узел располагается на основании — то с нижнего листа, заранее сориентированного по принятым осям координат);

• стараться по минимуму использовать проектирование в контексте сборки либо после окончания проектирования в контексте развязать спроектированную деталь относительно общей сборки;

• стремиться ограничить применение свободных связей (свободных конфигураций). При наличии нескольких свободных конфигураций в одной сборке время регенерации узла в целом может резко увеличиваться;

• широко использовать массивы с применением различных конфигураций изделия, входящего в массив;

• стремиться минимизировать количество накладываемых связей, причем важно не количество наложенных связей, а количество отнимаемых ими степеней свободы. Это особенно актуально для узлов, изменяющих свое положение в пространстве при отработке нескольких рабочих положений узла. Иногда возникают (при не совсем корректном наложении связей) мнимые ошибки, что утяжеляет отработку изделия и усложняет процесс нахождения погрешностей проектирования;

• упрощать структуру узла, создавая подсборки, иногда искусственные, даже если они не будут соответствовать составу, принятому в документации. Это не только упрощает сборку, но и облегчает и ускоряет процесс нахождения ошибок;

• широко пользоваться муляжами сложных законченных узлов, функционально не связанных с остальными элементами. В исключительных случаях следует идти дальше и специально создавать муляж законченного узла для последующего использования его в большой сборке вместо настоящего, рабочего узла;

• как выяснилось, легче воспринимаются узлы и механизмы при наличии условной, заранее определенной структуры окраски различных подузлов и деталей, подобранной по принципу группировки под одним цветом однотипных по функциональному назначению элементов (например, все шарнирные соединения определяются одним цветом). Однако не рекомендуется увеличивать количество цветов, участвующих в одной сборке, — опытным путем установлено, что пяти-шести цветов вполне достаточно для эффективного визуального восприятия.

Таким образом, очень важно легко ориентироваться в структуре и расположении отдельных элементов конструкции. Для этого чаще всего необходимо на начальном этапе проектирования определить и разделить функционально конструкцию и назначение узлов и механизмов, постараться использовать как можно меньше своеобразных деталей, используя заимствования и конфигурации. Вначале на такую подготовку уходит дополнительное время, но в дальнейшем, несомненно, подобная тактика приносит успех. Однако самое важное, на наш взгляд, — это аккуратная, чистая работа по моделированию и сборке на всех этапах проектирования.

В начало В начало

Программирование в среде SolidWorks

В процессе работы над изделием очень часто требуется узнать различные характеристики изделия для силового и прочностного анализа, без выполнения которого проектирование сложнонапряженного изделия не может быть качественным. В ОАО «Гипроуглемаш» существует своя собственная система анализа силовых конструкций, проверенная десятилетиями. Для работы в этой системе требуется ввести характеристики поперечного сечения в найденных опасных зонах конструкции. Один из способов получения таких характеристик — обработка результатов «Свойств сечения», вычисляемых стандартными методами SolidWorks. Однако характеристики, рассчитанные в SolidWorks, отличаются от тех, которые требует наш расчетный комплекс для автоматического построения эпюр нагружения.

Для решения этой задачи сотрудниками института было найдено оригинальное решение. Как известно, в базовую конфигурацию САПР SolidWorks включен интерфейс прикладного программирования (Application Programming Interface, API), позволяющий разрабатывать пользовательские приложения. API-интерфейс содержит сотни функций, которые можно вызывать из программ Microsoft Visual Basic, VBA (Microsoft Excel, Word, Access и т.д.), Microsoft Visual C, C++ или файлов-макросов SolidWorks. Эти функции предоставляют программистам прямой доступ к функциональным возможностям SolidWorks и позволяют им создавать свои собственные прикладные программы, решающие практически любые инженерные задачи. Именно с помощью SolidWorks API специалистами ОАО «Гипроуглемаш» и был написан вспомогательный модуль, позволяющий трансформировать получаемые в SolidWorks характеристики в требуемые, а также обрабатывать всё сечение, а не только выбранную часть, как это делается стандартными средствами SolidWorks (рис. 10).

Модуль дал возможность увеличить скорость подбора сечения, так как он позволяет буквально за считанные минуты проверить (предварительно) прочность выбранного места. Это немаловажно для ускорения обработки информации, а также позволило сотрудникам, не владеющим методами анализа, быстро получать необходимые характеристики проектируемого изделия, будь то деталь или узел (весьма просто отмоделировать вызывающее подозрение место: нужно только нажать две-три кнопки — и все характеристики известны). Помимо этого для того, чтобы получить характеристику сечения сложного сварного узла, теперь не нужно каждый раз выполнять достаточно неэффективную для решения подобной задачи операцию слияния нескольких сечений в одно.

Следует отметить, что иногда требуется узнать запасы прочности сечения в тот момент, когда модели узла как таковой еще нет. Эту задачу невозможно решить при помощи методов конечных элементов. Но наш модуль, используя данные, полученные из SolidWorks, позволяет справиться и с такой задачей. Понятно, что данный способ дал возможность повысить эффективность и качество проработки конструкции на стадии предварительного проектирования.

В начало В начало

Заключение

Вот и подошел к логическому завершению краткий рассказ об опыте использования программного комплекса SolidWorks в ОАО «Гипро­углемаш» при работе с большими сборками. Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод: САПР SolidWorks безусловно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к проектированию горно-шахтного оборудования, и является профессиональным инструментом инженера-конструктора, позволяющим с высокой точностью и в кратчайшие сроки разрабатывать новые конкурентоспособные изделия. Надеемся, что выработанные в ОАО «Гипро­углемаш» инструкции по работе с большими сборками окажутся полезными и читателям журнала «САПР и графика».

Ольга Горбачева

Ведущий конструктор ОАО «Гипроуглемаш»

В начало В начало

«САПР и графика» 8'2000