基于SolidWorks的选煤厂管道设计
黄波1、韦彬1、李志勇2、葛咸浩2
（1. 中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京，100083；
2. 中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司，北京，100120）
摘要：传统选煤厂二维管道设计过程中存在设计效率低下及难以发现管道碰撞等问题，三维管道设计具有“所见即所得”的直观表达方式和强大的碰撞检查功能可以有效降低管道设计难度，提升管道设计效率。本文以安家岭二号矿井选煤厂管道设计为例探讨了基于SolidWorks的选煤厂三维管道设计的思路和步骤、选煤厂三维管道设计的优势和存在的技术难点，简要说明了选煤厂三维管道设计的发展趋势。
关键词：管道设计；SolidWorks；三维设计；选煤厂；碰撞检查
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
The Application and Practice of Coal Preparation Plant’s Pipeline Design Based on SolidWorks Software Platform
Huang Bo,Wei Bin,Li Zhiyong and Ge Xianhao
（1.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,100083;
2. Beijing Huayu Engineering Corporation Ltd,China Coal Technology and Engineering Group,Beijing,100120）
Abstract：As the traditional 2D design is low-efficient in pipeline design and not works well in collision detection,the three-dimensional pipeing design software could decrease the difficulty of pipeline designation and find the collision quickly,with the feature of “What you see is what you get”. This paper discusses the steps of 3D pipeling designation,analyses the difficulties and advantages of 3D pipeline design. It also describes the developing trend of three-dimensional pipeline design briefly.
Keywords: Pipeline design;Solidworks;3D design; Coal preparation plant design; collision detection
1 概述
管道是选煤厂设计中的重要组成部分，在整个选煤厂中占有十分重要的地位[1-3]。选煤厂管道设计的合理性和准确性直接关系到选煤厂工艺管道安装调试、工艺指标和洗水闭路循环的实现[2,3]。传统的管道设计要求设计人员在大脑内形成选煤厂内各个设备、建筑物及相连管道的立体模型，然后利用AutoCAD等二维绘图软件绘制管道的轴测图和平面图[4,5]。但选煤厂内管道数量较多，且管道之间相互穿插，设计过程中极易出现错误。二维工程图表现形式单一，不能很好的反映管道与管道之间及管道与建筑物之间的关系，在管道施工过程中极易产生施工错误。随着科学技术的进步和选煤设计行业竞争的日益激烈，传统的二维管道设计过程繁琐、效率低下，严重影响了选煤厂的设计和建设周期，降低了设计院所和企业的经济效益。三维设计软件所具有的“所见即所得”直观表达方式可以打破传统的选煤厂管道设计方法，有效的提升管道设计和工程施工的准确性，加快管道设计及整体设计的进度，为设计单位在日益激烈的竞争中抢占一席之地[6-8]。
本文介绍了基于SolidWorks的选煤厂管道系统的三维设计方法和步骤，为选煤厂管道系统的三维设计提供了基本思路和解决方案。
2 选煤厂车间管道三维设计的步骤
利用SolidWorks软件进行选煤厂管道系统设计可分为以下4个阶段，如图1所示。
Fig.1 Technical line of coal preparation plant‘s pipeline design
图1选煤厂管道三维设计步骤
2.1三维管道图库构建
一个典型的管道线路主要包括不同长度的管道、弯管、三通、变径管、闸门及管道末端连接法兰[9]。SolidWorks软件包含丰富的标准件，但零件尺寸多采用国际标准，尚未有符合国家标准的选煤厂管道图库[10]，所以在管道设计前需构建符合国家标准的三维管道图库。如图2所示，本文参照GB/T 8162-87中关于常用钢管的规定使用SolidWorks Routing Library Manager向导软件快速创建了管道设计所需的直管、弯管、三通、四通、法兰以及常用阀门等部件，并利用“零件设计表”快速生成了同种类不同规格的管道零部件[9,11,12]。
为方便管道零件的调用，本文将管道零部件按照名称进行分类，并利用SolidWorks软件接口创建三维管道图库（如图3所示），实现了图库与设计平台的无缝连接。设计人员在管道设计过程中可以方便的调用所需管道零件，节约了时间和精力，提升了工作效率。
Fig.2 The user’s interface of pipeline parts Fig.3 The interface of coal preparation pipelines library
图2 选煤厂管道零件调用界面 图3 选煤厂三维管道图库界面
2.2管道设计及布置
管道设计及布置是管道设计中最重要的环节，合理的设计不仅要满足设备对管道的要求，更要方便施工人员快速准确的安装、减少生产事故的发生[2,13]。传统的二维管道设计要求设计人员在大脑内构建整个厂房内设备和建筑物的三维模型，然后建立管道的三维模型并以二维平面图及轴测图的形式表现出来。在管道设计过程中，设计人员需要详细了解选煤厂的各个设备的数量及所处位置，但传统选煤厂中厂房设计与管道设计分属不同部门，管道设计人员需要重复查阅厂房设计二维图纸，完成三维模型的脑内重建，严重降低了工作效率并极易出现重建错误。
与传统的管道设计不同，三维管道设计“所见即所得”的直观表达方式可以让设计人员在电脑屏幕上快速建立所需连接的设备模型并直接使用3D草图进行管道布线，在布线过程中设计人员实时观察线路与设备及建筑构件的相对位置及时发现碰撞问题。设计人员可以按照选煤厂内设备类型或介质流动方向进行三维管道布置，不仅有效避免因管道数量众多而引起的思维混乱，更能解放了设计人员的大脑，为管道优化提供了更多的时间。如图4所示,本文在完成选煤车间设备布置后，以弧形筛及直线振动筛的合格介质管道为例，利用SolidWorks绘制了合格介质管道3D中心线草图。
Fig.4 The 3D sketch of qualified medium pipeline
图4 合格介质管道3D草图
2.3管道选型及组装
选煤厂中输送管道的种类很多，按照输送物料不同可以分为清水管道、煤泥水管道、重介质悬浮液管道和风力输送管道，水力输送管道又可分为压力输送管道、自流管道和混合输送方式管道[14]。按照管内输送介质的不同、压力不同，管道选型需采用不同计算方法[15]。本文参照管道系统的计算方法，完成了直管、弯管、阀门、法兰和变径管等管道组件的计算及选型。SolidWorks 软件具有较强的自动设别能力，当用户拖动管道零件到达设备周围时，系统会识别零件与设备的匹配情况，自动调整零件型号及零件位置，保证管道零件与设备接口相匹配。SolidWorks软件可以自动调整直管的规格和长度，保持管道系统的密封性及连续性。利用SolidWorks进行管道布置，用户只需按照管道布线图通过简单的拖动操作即可完成管道主要部件的装配，并可以随时调节管道布线尺寸和管道3D布线图。如图5所示，本文根据管道布置按照工艺要求及相关管道设计要求[15,16]，利用SolidWorks 软件及选煤厂三维管道图库完成了弧形筛及直线振动筛的合格介质管道系统布置。
Fig.5 The 3D graphic of qualified medium pipeline
图5合格介质管道3D图
2.4碰撞检查及管道工程图
选煤厂内管道数目众多并相互穿插，在设计过程中难免出现错误，使用传统二维制图软件进行管道设计缺乏直观性，设计人员难以察觉管道与管道及管道与建筑物之间的碰撞问题，传统的管道工程图需要设计人员分别绘制管道的平面图和轴测图，工作量巨大并极易出现错误。传统二维管道设计软件难以实现管道零件信息的自动统计和零件的匹配性检查，设计人员需在管道系统设计完成后，手工统计管道系统中零件个数及规格并绘制零件汇总表，这不仅延长了管道设计周期更易出现统计错误。在选煤厂施工过程中，由于传统工程图的表达形式单一，极易出现施工错误，严重影响选煤厂的建设周期，为企业和设计院所带来巨大损失。
利用SolidWorks进行三维管道设计可以直观的观察管道与周围建筑物之间的相对距离，有效的减少管道的碰撞。SolidWorks的碰撞检查模块可以快速判断整个管道系统是否存在碰撞现象并直观的显示出来，方便设计人员进行修改。如图6所示，经SolidWorks软件处理的工程图，可以自动标定管道的尺寸，统计所需的管道零件数量及规格，为工程施工和物料采购提供便利。SolidWorks软件可以将设计完成的管道三维图转化为可跨平台使用的文件格式和演示动画，施工人员可以方便的观看管道的三维布置，有效减少因图纸混乱而造成的施工错误。
Fig.6 The engineering drawing of qualified medium pipeline
图6合格介质管道工程图
3 结论及展望
通过本文实践发现，选煤厂内三维管道设计相对于传统管道设计主要有以下优点：
1) 选煤厂三维管道设计可以将设计人员繁琐的脑内建模转化为直观的屏幕建模过程，有效的降低管道设计的繁琐程度，提升管道设计效率。
2) 选煤厂三维管道设计可以有效提升管道工程图的准确性及出图效率，设计人员完成管道三维构建后通过简单的操作即可得到符合要求的工程图。三维设计软件可以将工程图与三维模型参数关联，修改三维管道信息软件可自动完成工程图的修改，有效的降低了管道修改的成本。
3) 选煤厂三维管道设计可自动绘制管道零件汇总表，统计管道系统中各个零件的数量和规格并自动进行管道零部件的匹配性检查，显著提升管道设计质量和效率。
4) 选煤厂三维管道设计可以有效缩短设计和施工周期，降低企业建设成本。直观的三维表现形式便于设计成果的展示，有力提升设计院所综合竞争力。
选煤厂三维管道设计是一场正在到来的管道设计工具革命，利用三维软件进行选煤厂内管道系统设计不仅能够实现管道的基本设计更可以进行管道内流体的仿真模拟，通过模拟结果更好地优化管道设计。随着三维管道设计软件的发展和应用范围的扩大，设计院所内多个部门将会整合在一起，共同设计、协同工作，有效提升设计效率，缩短选煤厂的设计周期。
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作者及通讯：黄波 单位：中国矿业大学（北京） 邮编：100083
作者简介：1969年9月，男，重庆市，副教授，工学博士，主要从事矿物加工理论与工艺、浮选药剂及矿物加工过程模拟仿真的研究。