現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭臣生 王平久

沈陽(yáng)三科水力機(jī)械制造有限公司

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭臣生 王平久

沈陽(yáng)三科水力機(jī)械制造有限公司

隨著當(dāng)前水泵的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增加，對(duì)水泵使用環(huán)境提出了更高的要求，因此，我們要不斷運(yùn)用新的科技手段來(lái)滿足水泵的使用要求，提升其應(yīng)用空間。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；水泵設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1.前言

我們要不斷的運(yùn)用新的設(shè)計(jì)理念和方法來(lái)提升水泵的應(yīng)用范圍，滿足水泵的需要。

2.水泵創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路

水泵的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者在對(duì)創(chuàng)造力充分發(fā)揮的前提下，使用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)造性的構(gòu)思，從而設(shè)計(jì)出實(shí)用性、創(chuàng)造性、新穎性的產(chǎn)品。在水泵創(chuàng)新設(shè)計(jì)中要著重解決的問(wèn)題是對(duì)水泵產(chǎn)品的創(chuàng)造模式、機(jī)理、方法、過(guò)程等進(jìn)行探討，通過(guò)對(duì)水泵產(chǎn)品的程式化、算法化、符號(hào)化、定量化來(lái)強(qiáng)化水泵設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率、可靠性。雖然水泵創(chuàng)新設(shè)計(jì)要基于水泵設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法，但是水泵創(chuàng)新設(shè)計(jì)更追求創(chuàng)造性，因?yàn)橐訌?qiáng)水泵產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力就必須強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。在水泵創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，雖然設(shè)計(jì)的投入只有產(chǎn)品總投入的5%，但是設(shè)計(jì)的決策在產(chǎn)品投入中占70%。由于在設(shè)計(jì)階段就要對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、成本、質(zhì)量、維護(hù)等因素進(jìn)行確定，且創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅是關(guān)于產(chǎn)品使用周期的設(shè)計(jì)，還是關(guān)于用戶和市場(chǎng)的設(shè)計(jì)，因此只有通過(guò)水泵設(shè)計(jì)的創(chuàng)新才能使水泵產(chǎn)品具有更加良好的競(jìng)爭(zhēng)力。水泵的創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅繁雜、耗時(shí)、費(fèi)腦力，還緊張、繁重、費(fèi)體力，要有效地提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率，就要使用科學(xué)的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)方法，而設(shè)計(jì)的自動(dòng)化便是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理想目標(biāo)。

3.結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化水泵設(shè)計(jì)策略

3.1 優(yōu)化參數(shù)

泵的設(shè)計(jì)參數(shù)至關(guān)重要。參數(shù)選擇是泵設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，部分設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)往往更關(guān)注泵的整體安全性，設(shè)計(jì)理念符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，但保守設(shè)計(jì)也容易導(dǎo)致泵流量和電梯過(guò)大，相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)要求的裕量。在泵操作過(guò)程中，隨著容易磨損的運(yùn)動(dòng)逐漸增加，影響流量，顯著降低泵效率。總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)泵設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的真正價(jià)值，然后確保泵的一般流量余量更大大于或等于10%，壓頭余量小于或等于20%，以確保泵處于良好的工作狀態(tài)，保持高效率。

3.2 液壓損失控制

水泵水力損失的主要形式是液壓摩擦損失和局部損失。在本研究中，將分別分析兩種類型的損失問(wèn)題。通過(guò)使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇等方面的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新。

3.2.1 水摩擦損失控制策略。首先，降低液壓摩擦系數(shù)。阻力系數(shù)傾向于與泵流體的粘度和流動(dòng)表面的粗糙度直接相關(guān)。所以泵的轉(zhuǎn)輪應(yīng)保持清潔明亮，在泵的設(shè)計(jì)選擇上，葉輪等部件應(yīng)采用更加精密的鑄造技術(shù)和優(yōu)質(zhì)材料，同時(shí)泵還應(yīng)注意工作的過(guò)程葉輪等位置的維修工作，實(shí)現(xiàn)泵效率。第二個(gè)是減少泵流道長(zhǎng)度。如果泵內(nèi)每個(gè)流動(dòng)通道的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則顯然會(huì)增加液壓摩擦損失，因此泵應(yīng)確保葉片從入口側(cè)到出口側(cè)的纏繞角度是合理的，并且不會(huì)引起液壓由于太大的纏繞角導(dǎo)致的損耗。不能太小的包裝角度，導(dǎo)致使用葉片之間的流動(dòng)效率下降。在正常情況下，角度應(yīng)包裹在85°～110°之間。

3.2.2 局部丟失控制策略。液壓泵的局部損失主要發(fā)生在流道內(nèi)明顯增大，收緊，轉(zhuǎn)彎，流動(dòng)和逆流會(huì)聚等場(chǎng)所。液流在上述位置容易產(chǎn)生渦流，液體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦和沖擊，然后消耗部分動(dòng)能，導(dǎo)致液壓動(dòng)力損失。在設(shè)計(jì)泵時(shí)應(yīng)從幾個(gè)方面入手，從而減少局部液壓泵損失：第一是關(guān)注適用性。在葉輪葉片的實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)葉葉片不是太厚，設(shè)計(jì)者充分考慮了泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，安全性和效率問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算和分析，盡可能控制葉片厚度，然后減小局部液壓泵堵塞問(wèn)題。第二個(gè)是合理的選擇。選用葉輪葉片，導(dǎo)葉導(dǎo)入和導(dǎo)出角度。特別是葉輪進(jìn)出口容易導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)的水損失，應(yīng)注意設(shè)計(jì)的有效性和專業(yè)性，避免造成水力損失，影響后期的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 水泵的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

從新世紀(jì)開(kāi)始，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)作為一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在中國(guó)得到了廣泛的研究和普及。該方法利用計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，運(yùn)算結(jié)果精確，記憶功能強(qiáng)，邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，最終通過(guò)人機(jī)交互完成設(shè)計(jì)。在泵設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法主要涉及CAD設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，泵的CAD設(shè)計(jì)具有精度高，可靠性好，成本低，設(shè)計(jì)周期短等特點(diǎn)，而且在一定程度上釋放了工人的勞動(dòng)力。然而，CAD設(shè)計(jì)在三維設(shè)計(jì)中，仍有很大的缺陷，我相信在后續(xù)的研究中，問(wèn)題會(huì)是一個(gè)很好的解決方案，CAD設(shè)計(jì)中的泵設(shè)計(jì)會(huì)更廣泛。

4.2 水泵的有限元分析

有限元分析是20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的一種新型數(shù)值分析方法。它是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要工程分析方法。它依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在各種工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。有限元分析的本質(zhì)是離散化的結(jié)構(gòu)，分為有限數(shù)量的易于分析的單元，最終的再合成解，得出結(jié)論。例如：在ZYT3H-8/450高壓三活塞泵設(shè)計(jì)的重要部件中，有限元分析和設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用。ZYT3H-8/450高壓三活塞泵的負(fù)荷很復(fù)雜。有限元方法可用于構(gòu)建模型，ANSYS軟件用于分析活塞，連桿和曲軸的負(fù)載。獲取負(fù)載分布，方便下一步的設(shè)計(jì)。有限元分析方法在水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)的局限性，使設(shè)計(jì)更加精確。它可以顯著提高泵產(chǎn)品的綜合性能，縮短設(shè)計(jì)周期，提高使用壽命和市場(chǎng)、競(jìng)爭(zhēng)力。

4.3 水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)

泵的設(shè)計(jì)工作，如泵壽命，泵效率和泵的可靠性等因素都需要考慮，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在協(xié)調(diào)中的影響很多因素?zé)o效。這需要應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化統(tǒng)一規(guī)劃的設(shè)計(jì)。在泵設(shè)計(jì)工作中，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與計(jì)算流體力學(xué)和基本流量理論相結(jié)合，從泵的最小液壓損失開(kāi)始，以泵效率為原則，設(shè)計(jì)用于調(diào)節(jié)泵流量參數(shù)和幾何參數(shù)，獲得最佳參數(shù)設(shè)置。在國(guó)內(nèi)，泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包括損耗極限優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，速度系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

5.結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前水泵設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要不斷運(yùn)用新的設(shè)計(jì)方法和工藝，提高水泵的設(shè)計(jì)水平。

[1]姜巧巧，王柳云，江靈玲.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?015(15)：68-69

[2]邵國(guó)輝，賴喜德.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在水泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，(8)：91-93.