現(xiàn)代設(shè)計方法在水泵設(shè)計中的應(yīng)用

郭臣生 王平久

沈陽三科水力機械制造有限公司

現(xiàn)代設(shè)計方法在水泵設(shè)計中的應(yīng)用

郭臣生 王平久

沈陽三科水力機械制造有限公司

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

現(xiàn)代設(shè)計方法；水泵設(shè)計；應(yīng)用

1.前言

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

2.水泵創(chuàng)新設(shè)計的思路

水泵的創(chuàng)新設(shè)計是設(shè)計者在對創(chuàng)造力充分發(fā)揮的前提下，使用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)進行創(chuàng)造性的構(gòu)思，從而設(shè)計出實用性、創(chuàng)造性、新穎性的產(chǎn)品。在水泵創(chuàng)新設(shè)計中要著重解決的問題是對水泵產(chǎn)品的創(chuàng)造模式、機理、方法、過程等進行探討，通過對水泵產(chǎn)品的程式化、算法化、符號化、定量化來強化水泵設(shè)計的質(zhì)量、效率、可靠性。雖然水泵創(chuàng)新設(shè)計要基于水泵設(shè)計的傳統(tǒng)方法，但是水泵創(chuàng)新設(shè)計更追求創(chuàng)造性，因為要加強水泵產(chǎn)品的競爭力就必須強調(diào)設(shè)計的創(chuàng)新性。在水泵創(chuàng)新設(shè)計中，雖然設(shè)計的投入只有產(chǎn)品總投入的5%，但是設(shè)計的決策在產(chǎn)品投入中占70%。由于在設(shè)計階段就要對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、成本、質(zhì)量、維護等因素進行確定，且創(chuàng)新設(shè)計不僅是關(guān)于產(chǎn)品使用周期的設(shè)計，還是關(guān)于用戶和市場的設(shè)計，因此只有通過水泵設(shè)計的創(chuàng)新才能使水泵產(chǎn)品具有更加良好的競爭力。水泵的創(chuàng)新設(shè)計不僅繁雜、耗時、費腦力，還緊張、繁重、費體力，要有效地提升創(chuàng)新設(shè)計的效率，就要使用科學(xué)的設(shè)計工具和設(shè)計方法，而設(shè)計的自動化便是創(chuàng)新設(shè)計的理想目標。

3.結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計法實現(xiàn)優(yōu)化水泵設(shè)計策略

3.1 優(yōu)化參數(shù)

泵的設(shè)計參數(shù)至關(guān)重要。參數(shù)選擇是泵設(shè)計的基礎(chǔ)，部分設(shè)計的設(shè)計往往更關(guān)注泵的整體安全性，設(shè)計理念符合系統(tǒng)設(shè)計要求，但保守設(shè)計也容易導(dǎo)致泵流量和電梯過大，相應(yīng)的設(shè)計標準超過要求的裕量。在泵操作過程中，隨著容易磨損的運動逐漸增加，影響流量，顯著降低泵效率?？偟膩碚f，通過引入現(xiàn)代設(shè)計方法，通過使用計算機輔助設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計方法實現(xiàn)泵設(shè)計參數(shù)優(yōu)化的真正價值，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題。通過使用現(xiàn)代設(shè)計方法可以進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料選擇等方面的質(zhì)量和效率，實現(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，同時泵還應(yīng)注意工作的過程葉輪等位置的維修工作，實現(xiàn)泵效率。第二個是減少泵流道長度。如果泵內(nèi)每個流動通道的長度過長，則顯然會增加液壓摩擦損失，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，流動和逆流會聚等場所。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，然后消耗部分動能，導(dǎo)致液壓動力損失。在設(shè)計泵時應(yīng)從幾個方面入手，從而減少局部液壓泵損失：第一是關(guān)注適用性。在葉輪葉片的實際設(shè)計中，導(dǎo)葉葉片不是太厚，設(shè)計者充分考慮了泵的運行穩(wěn)定性，安全性和效率問題，通過科學(xué)的計算和分析，盡可能控制葉片厚度，然后減小局部液壓泵堵塞問題。第二個是合理的選擇。選用葉輪葉片，導(dǎo)葉導(dǎo)入和導(dǎo)出角度。特別是葉輪進出口容易導(dǎo)致過渡區(qū)的水損失，應(yīng)注意設(shè)計的有效性和專業(yè)性，避免造成水力損失，影響后期的經(jīng)濟運行。

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

4.1 水泵的計算機輔助設(shè)計

從新世紀開始，計算機輔助設(shè)計(CAD)作為一種現(xiàn)代設(shè)計方法在中國得到了廣泛的研究和普及。該方法利用計算機運行速度，運算結(jié)果精確，記憶功能強，邏輯運算能力強的特點，最終通過人機交互完成設(shè)計。在泵設(shè)計中，計算機輔助設(shè)計方法主要涉及CAD設(shè)計。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，泵的CAD設(shè)計具有精度高，可靠性好，成本低，設(shè)計周期短等特點，而且在一定程度上釋放了工人的勞動力。然而，CAD設(shè)計在三維設(shè)計中，仍有很大的缺陷，我相信在后續(xù)的研究中，問題會是一個很好的解決方案，CAD設(shè)計中的泵設(shè)計會更廣泛。

4.2 水泵的有限元分析

有限元分析是20世紀60年代開發(fā)的一種新型數(shù)值分析方法。它是一種基于計算機技術(shù)發(fā)展的重要工程分析方法。它依靠計算機技術(shù)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展在各種工程設(shè)計中的應(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)計的重要部件中，有限元分析和設(shè)計已被廣泛應(yīng)用。ZYT3H-8/450高壓三活塞泵的負荷很復(fù)雜。有限元方法可用于構(gòu)建模型，ANSYS軟件用于分析活塞，連桿和曲軸的負載。獲取負載分布，方便下一步的設(shè)計。有限元分析方法在水泵設(shè)計中的應(yīng)用可以克服傳統(tǒng)設(shè)計方法中經(jīng)驗公式設(shè)計的局限性，使設(shè)計更加精確。它可以顯著提高泵產(chǎn)品的綜合性能，縮短設(shè)計周期，提高使用壽命和市場、競爭力。

4.3 水泵的優(yōu)化設(shè)計

泵的設(shè)計工作，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)計方法來優(yōu)化統(tǒng)一規(guī)劃的設(shè)計。在泵設(shè)計工作中，優(yōu)化設(shè)計方法與計算流體力學(xué)和基本流量理論相結(jié)合，從泵的最小液壓損失開始，以泵效率為原則，設(shè)計用于調(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。在國內(nèi)，泵的優(yōu)化設(shè)計方法主要包括損耗極限優(yōu)化設(shè)計方法，速度系數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法和CFD優(yōu)化設(shè)計方法。

5.結(jié)束語

在當前水泵設(shè)計的過程中，要不斷運用新的設(shè)計方法和工藝，提高水泵的設(shè)計水平。

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

[2]邵國輝，賴喜德.現(xiàn)代設(shè)計方法在水泵設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2009，(8)：91-93.