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    基于MATLAB的化工葉輪精密制造工藝尺寸計算

    2020-09-15 01:35:48張吉生
    關(guān)鍵詞:輪盤閉式葉輪

    張吉生,魏 源,郭 瑩

    (黑龍江工業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代制造工程學(xué)院,黑龍江 雞西 158100)

    化學(xué)工業(yè)在各國的國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,是許多國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。化學(xué)工業(yè)的發(fā)展速度和規(guī)模對社會經(jīng)濟(jì)的各個部門有著直接影響,世界化工產(chǎn)品年產(chǎn)值已超過15000億美元?;瘜W(xué)工業(yè)更是涉及國防、軍事、農(nóng)業(yè)、食品、藥品等眾多行業(yè)和企業(yè)[1]?;C(jī)械的生產(chǎn)制造是影響化工生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。因此,化學(xué)機(jī)械的生產(chǎn)和制造占據(jù)著制造行業(yè)的重要組成部分,化工機(jī)械的生產(chǎn)制造也是衡量國家制造業(yè)的重要指標(biāo),如圖1所示為化工行業(yè)常見的離心式壓縮機(jī)。近十年來,隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展和市場競爭愈加激烈化,國外知名離心壓縮機(jī)制造業(yè)也經(jīng)歷了多次并購與重組,其中代表性的企業(yè)有日本的ELLIOTT-EBARA透平機(jī)械公司,德國的曼透平MANTURBO公司和SIEMENS透平機(jī)械部,20世紀(jì)初GE合并收購了意大利的新比隆以及AC等壓縮機(jī)生產(chǎn)制造商,一躍成為壓縮機(jī)行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè);國內(nèi)只有沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠與沈陽氣體壓縮機(jī)廠合并重組形成了現(xiàn)在的沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)公司[2]。

    圖1 離心式壓縮機(jī)產(chǎn)品圖

    在眾多的離心壓縮機(jī)制造商中如何在滿足設(shè)計條件和工作要求的前提下,優(yōu)化加工工藝,保證加工尺寸的精密度、降低制造成本都具有非常重要的意義?;と~輪是化學(xué)工業(yè)機(jī)械中最常用也最容易損壞的重要零件之一,化工葉輪的制造質(zhì)量將決定整部機(jī)器甚至整條生產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)效益[3]?;ば袠I(yè)存在高危高風(fēng)險性,因此葉輪的制造精度和制造成本都相繼提高,化工葉輪的制造對于用戶和制造商而言都是不愿承受的經(jīng)濟(jì)損失。怎樣降低制造誤差,提高制造精度,降低制造成本對化工企業(yè)和化工機(jī)械制造企業(yè)來說都具有重要的意義[4]。運(yùn)用MATLAB軟件對化工葉輪的精密工藝尺寸進(jìn)行計算能夠有效提高計算速度,降低生產(chǎn)成本,保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

    1 MATLAB簡介

    MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境,主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是matrix和laboratory兩個詞的組合,意為矩陣工廠(矩陣實驗室),是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境[5-6]。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中,為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案,并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言(如C、Fortran)的編輯模式,代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。近些年,MATLAB軟件已被眾多行業(yè)和科研領(lǐng)域運(yùn)用進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和仿真計算及仿真設(shè)計等[7]。

    2 問題描述

    在葉輪的生產(chǎn)制造中最常見的葉輪為閉式葉輪的生產(chǎn)制造,如圖2所示為閉式化工葉輪的基本形狀及組成部分,一般由葉片1、輪盤2和輪蓋3組成,與閉式葉輪對比的有開式葉輪和半開式葉輪等,不同的化工葉輪會因為工作條件、工作介質(zhì)、工作溫度等因素選擇不同的葉輪形式,即使同樣都是閉式葉輪其相應(yīng)的葉片數(shù)量和葉片彎曲形狀也各不相同,葉片形狀主要有單板型、圓弧型和機(jī)翼型等幾種,然而葉片數(shù)量通常為奇數(shù),很少有偶數(shù)。葉輪材料通常有合金鋼和合金鋁,鋼質(zhì)葉輪的制造過程通常為焊接制造,如圖3所示為閉式葉輪焊接制造過程圖,即首先利用數(shù)控機(jī)床在輪盤上銑制出葉片形狀及帶有精密制造工藝尺寸的工藝結(jié)構(gòu),輪蓋為單獨加工制造,然后將輪蓋與銑制完葉片的輪盤焊接在一起,最后進(jìn)行后續(xù)加工與制造。輪盤與輪蓋的定位尺寸將決定葉輪的性能和質(zhì)量,影響葉輪出口寬度及使用效率,因此定位公差要求很高,但是因為葉片數(shù)量為奇數(shù),輪盤銑完葉片后無法測量精密工藝結(jié)構(gòu)尺寸,需要間接測量對角臨近葉片工藝尺寸的葉片間尺寸,該尺寸需要通過復(fù)雜的計算得到,無論對于技術(shù)組工作人員還是對技術(shù)工人而言都是一個很大的挑戰(zhàn),既費時又費力,而且對技術(shù)工人而言容易出現(xiàn)因計算錯誤導(dǎo)致葉輪焊接時出現(xiàn)嚴(yán)重偏差,很可能造成無法補(bǔ)救形成報廢品,對企業(yè)而言將是巨大的經(jīng)濟(jì)損失,同時還影響產(chǎn)品制造效率延誤交貨日期。

    1.葉片;2.輪盤;3.輪蓋圖2 閉式葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

    圖3 葉輪焊接制造過程示意圖

    圖4 MATLAB計算模型

    3 建立MATLAB計算模型

    如何能夠有效快速準(zhǔn)確地算出焊接工藝尺寸對化工葉輪生產(chǎn)制造有很大意義。如圖4所示,設(shè)精密制造工藝尺寸為D,葉片個數(shù)為N,所求尺寸為d。根據(jù)焊前圖紙要求建立MATLAB計算模型并編寫計算程序。首先根據(jù)圖紙分析確定所求焊前精密工藝尺寸D的測量尺寸d計算公式如下:

    C2=a2+b2-2abcosα

    (1)

    建立化工葉輪精密工藝尺寸D與計算公式中自變量a與自變量b之間的關(guān)系式如下:

    a=b=D/2

    (2)

    建立化工葉輪制造測量尺寸d與因變量c之間的關(guān)系式如下:

    c=d

    (3)

    建立化工葉輪葉片個數(shù)N與自變量α之間的關(guān)系式如下:

    α=360(N-1)/2N

    (4)

    根據(jù)公式(1)—(4)推算出焊前精密工藝尺寸D的測量尺寸d的計算程序,在MATLAB軟件中編寫計算程序,具體程序如下:

    clear %%清楚系統(tǒng)緩存,防止變量與函數(shù)值沖突。

    D=[ ]; %%輸入化工葉輪已知精密工藝直徑尺寸。

    N=[ ]; %%輸入化工葉輪所帶的葉片個數(shù)。

    Alpha=[2*pi*(N-1)]/(2*N);

    C=D·^2/2*[1-cos(Alpha)]; %%注意字母D后的“·”

    d=sqrt(C) %%注意本行程序結(jié)尾不能有分號。

    以上為MATLAB編寫的計算程序,程序編寫完畢后進(jìn)行存儲,技術(shù)工人及質(zhì)量檢測人員可以根據(jù)不同葉輪的葉片個數(shù)N和精密工藝尺寸D求得測量的實際尺寸d范圍。

    4 實例計算

    圖5 某工廠葉輪焊前圖

    圖6 MATALAB程序計算圖

    以MATLAB2014軟件為例,首先打開MATLAB軟件,在窗口中調(diào)入編寫好的模型程序,或在窗后手動輸入程序,輸入已知精密工藝尺寸D=[538,538.07];N=[13;13];按回車鍵后計算出測量尺寸d的取值范圍為534.0774—534.1469如圖6所示。

    5 結(jié)論

    利用MATLAB軟件對化工葉輪精密工藝尺寸進(jìn)行計算,能夠大大提高技術(shù)工人的計算速度和計算準(zhǔn)確性,從而降低錯誤率提高生產(chǎn)制造效率,既可以節(jié)省計算時間又可以避免因計算錯誤而造成不可挽回的損失,大幅度降低企業(yè)的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期,根據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)品合格率提高到98.5%。此模型程序具有很強(qiáng)的通用性,對于任何尺寸及任何葉片數(shù)目的葉輪均可計算,還可以應(yīng)用到水泵葉輪等場合,實用性強(qiáng),推廣性好。

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