水泵設(shè)計(jì)制造水平提升策略分析

摘 要：改革開放以來，我國(guó)整體工業(yè)水平持續(xù)提升，機(jī)械設(shè)計(jì)、研發(fā)制造能力日益增強(qiáng)。就水泵這類常見產(chǎn)品而言，我國(guó)水泵相關(guān)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)取得突破，我國(guó)自主生產(chǎn)的水泵在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額占比逐年遞增。但相對(duì)比國(guó)外先進(jìn)技術(shù)而言，我國(guó)水泵設(shè)計(jì)和制造水平依然較低，有針對(duì)性展開相關(guān)研究，利于我國(guó)企業(yè)在水泵領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，有助于進(jìn)一步提升我國(guó)水泵產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：水泵；制造；科技

引言

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的背景下，我國(guó)在整體機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)步。其中在水泵設(shè)計(jì)制造方面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，逐漸成為水泵生產(chǎn)制造強(qiáng)國(guó)。水泵是常見的液體輸送和增壓機(jī)械，廣泛應(yīng)用于供水、排污、石油輸送發(fā)電等公共服務(wù)和基礎(chǔ)工業(yè)當(dāng)中。總體上，水泵應(yīng)用廣泛，展開水泵設(shè)計(jì)制造水平方面研究具有積極現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值，有助于推動(dòng)水泵設(shè)計(jì)制造水平取持續(xù)提升。

1 水泵設(shè)計(jì)制造發(fā)展概述

水泵制造業(yè)是我國(guó)通用機(jī)械制造業(yè)的重要組成部分，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)當(dāng)中發(fā)揮著非常重要的作用。當(dāng)前我國(guó)的水泵在設(shè)計(jì)和制造方面多以聯(lián)合設(shè)計(jì)、技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)等幾種形式為主。我國(guó)市場(chǎng)上常見的水泵基本是技術(shù)相對(duì)成熟的產(chǎn)品，在自主研發(fā)方面，我國(guó)水泵設(shè)計(jì)制造企業(yè)依然缺乏足夠競(jìng)爭(zhēng)力，仿制和改進(jìn)依然是中低端水泵產(chǎn)品的主要制造模式。在實(shí)際制造和設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)槿狈ψ灾餮邪l(fā)能力，水泵整體制作空間拓展性不強(qiáng)，在創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用、新材料使用等方面缺乏突破。雖然在加入世貿(mào)組織后，我國(guó)水泵產(chǎn)業(yè)國(guó)際化步伐加快，更多國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，帶動(dòng)了市場(chǎng)的升級(jí)改造，但我國(guó)水泵產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)的現(xiàn)狀越發(fā)突出。加快提升水泵國(guó)產(chǎn)化率步伐，推動(dòng)水泵產(chǎn)品出口已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急，其成效如何，直接關(guān)系到我國(guó)水泵工業(yè)未來。

2 水泵設(shè)計(jì)制造效能提升主導(dǎo)思想

水泵設(shè)計(jì)制造效能提升關(guān)鍵是做好技術(shù)創(chuàng)新，將更多新技術(shù)和新材料應(yīng)用到水泵制造和設(shè)計(jì)當(dāng)中。現(xiàn)階段，水泵設(shè)計(jì)制造主流技術(shù)多由發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)掌握，在水泵設(shè)計(jì)制造工藝持續(xù)發(fā)展過程中，形成了掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、突出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、注重新材料應(yīng)用的主導(dǎo)思想。德國(guó)等水泵技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家，對(duì)水泵設(shè)計(jì)制造用材非常重視，生產(chǎn)材料必須達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)才能使用，同時(shí)發(fā)達(dá)國(guó)家水泵制造企業(yè)也注重于設(shè)計(jì)制造的細(xì)節(jié)化。目前總體來看，國(guó)際上水泵設(shè)計(jì)制造主導(dǎo)思想體現(xiàn)在幾方面：

第一是注重于新技術(shù)應(yīng)用。在實(shí)際的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，國(guó)外企業(yè)引入了大容量計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù)、模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，同時(shí)隨著磁性軸的發(fā)明和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水泵領(lǐng)域的技術(shù)突破，全方面提升了水泵整體工藝水平。

第二是充分注重技術(shù)開發(fā)。在水泵開發(fā)研究中逐漸發(fā)現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，該研究成果實(shí)際價(jià)值突出。同時(shí)部分國(guó)外企業(yè)也展開了雙方向水泵震動(dòng)特征研究。總體上看，一系列技術(shù)開發(fā)有效激發(fā)了水泵生產(chǎn)制造潛能。

第三是積極應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)大幅度提升了設(shè)計(jì)制造效能，同時(shí)也有助于控制成本，增強(qiáng)水泵設(shè)計(jì)制造的效能。

3 改造我國(guó)水泵設(shè)計(jì)性能的可行性措施

可以預(yù)見，隨著我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)的快速發(fā)展，水泵等機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)制造效能持續(xù)提升問題必然將更為突出。改造我國(guó)國(guó)內(nèi)水泵設(shè)計(jì)性能應(yīng)主要從下述三方面著手。

3.1 積極展開葉輪改造

葉輪是水泵的關(guān)鍵部件，可謂是水泵的心臟。葉輪決定著水泵的實(shí)際效率和質(zhì)量。在相同工況和設(shè)計(jì)技術(shù)相似情況下，水泵泵體對(duì)其性能的影響并不大，而葉輪對(duì)水泵的影響是直接和持續(xù)的。積極展開葉輪改造，其實(shí)用性價(jià)值突出，對(duì)于葉輪的改進(jìn)早已經(jīng)成為提升水泵工作效能的關(guān)鍵之舉。設(shè)計(jì)和制造單位應(yīng)著重引進(jìn)國(guó)外創(chuàng)新技術(shù)，利用大容量精確計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)葉輪進(jìn)行模型預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效設(shè)計(jì)，同時(shí)也應(yīng)運(yùn)用有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析對(duì)葉輪動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行計(jì)算和分析。在此基礎(chǔ)上，模態(tài)置信度和特征值靈敏度理論也被充分應(yīng)用到了葉輪的設(shè)計(jì)創(chuàng)新當(dāng)中，進(jìn)而構(gòu)成了一套動(dòng)態(tài)性突出的葉輪設(shè)計(jì)體系，有效延長(zhǎng)了成品葉輪的使用年限，提升了葉輪運(yùn)行性能。

在葉輪生產(chǎn)工藝改造方面，相關(guān)機(jī)構(gòu)和單位也應(yīng)從研發(fā)角度入手，通過引入新材料等方式，切實(shí)提升葉輪的質(zhì)量，確保葉輪的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

3.2 推動(dòng)三元流技術(shù)應(yīng)用

三元流技術(shù)是我國(guó)在水泵設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中為數(shù)不多的一項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)。早在上世紀(jì)80年代，該技術(shù)就被國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)為未來水泵設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。80年代中期射流——尾跡三元流動(dòng)計(jì)算方法已經(jīng)開始被運(yùn)用到水泵設(shè)計(jì)中，隨著技術(shù)的發(fā)展，三元流動(dòng)理論得到不斷豐富和創(chuàng)新。現(xiàn)階段，包括我國(guó)在內(nèi)的世界主要工業(yè)國(guó)都在運(yùn)用三元流動(dòng)理論和方法，開展水泵的設(shè)計(jì)和制造。

“射流——尾跡”這一科學(xué)現(xiàn)象最早被人們發(fā)現(xiàn)于航空離心壓氣機(jī)當(dāng)中，科學(xué)家通過激光測(cè)速技術(shù)觀察到相關(guān)現(xiàn)象。實(shí)踐證明在水泵設(shè)計(jì)過程中可見粘性和壓力梯度的存在，使得泵輪出口沿葉片吸力面等部位會(huì)有流體脫流，產(chǎn)生尾跡區(qū)現(xiàn)有的技術(shù)當(dāng)中，“射流——尾跡三元流動(dòng)”計(jì)算技術(shù)能夠最為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確做出定量分析，獲取相應(yīng)結(jié)果，使水泵性能更加穩(wěn)定，進(jìn)一步提高水泵性能。

水泵三元流葉輪改造是切實(shí)提升水泵質(zhì)量的關(guān)鍵之舉。該技術(shù)采用了先進(jìn)的水泵設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，對(duì)水泵內(nèi)部水力部件進(jìn)行有針對(duì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)者在不改變水泵電機(jī)、管線固定條件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大水泵流量、提高其壓力，增大水泵的泵效。

3.3 計(jì)算流體力學(xué)運(yùn)用

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)早已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。計(jì)算流體力學(xué)的重點(diǎn)價(jià)值，體現(xiàn)在能夠通過計(jì)算機(jī)求解相關(guān)——方程控制流體流動(dòng)。在現(xiàn)階段計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)主要分為三個(gè)運(yùn)用重點(diǎn)，其一是基本數(shù)值運(yùn)用、其二是計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助運(yùn)用、其三是工程問題處理運(yùn)用。計(jì)算流體力學(xué)主要在計(jì)算實(shí)驗(yàn)輔助運(yùn)用方面體現(xiàn)出更大價(jià)值。充分運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算，能夠切實(shí)減少試驗(yàn)次數(shù)，提高設(shè)計(jì)改造效率，同時(shí)控制了成本。為了進(jìn)一步突出計(jì)算流體力學(xué)優(yōu)勢(shì)，學(xué)者開發(fā)出三維粘性數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)，可以在較低資金投入前提下，加快水泵研發(fā)速度。我國(guó)國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)為有效提升水泵設(shè)計(jì)制造水平，著重從下述方面進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)運(yùn)用：

一是葉輪網(wǎng)格生成技術(shù)研究。該技術(shù)是進(jìn)行流體流動(dòng)數(shù)值模擬模型的基礎(chǔ)保障。葉輪網(wǎng)格的劃分是實(shí)現(xiàn)流數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)之一，影響著解析的效果，在實(shí)際的研發(fā)過程中相關(guān)機(jī)構(gòu)或企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)的資金和技術(shù)投入，確保葉輪網(wǎng)格劃分更加科學(xué)。

二是對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行有效分析。利用計(jì)算流動(dòng)數(shù)值技術(shù)對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，能夠有效推動(dòng)離心泵設(shè)計(jì)工作。

總體來看，計(jì)算流動(dòng)數(shù)值技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)系到水泵設(shè)計(jì)制造多環(huán)節(jié)的技術(shù)，在水泵研發(fā)過程中充分運(yùn)用該技術(shù)，能夠切實(shí)提升研發(fā)效率和水平，解決尚存的一部分實(shí)際問題，取得創(chuàng)新突破。

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