基于Solid Edge的離心泵復(fù)雜閉式葉輪三維設(shè)計(jì)

尤 寶，王靈水，陳亞濤

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471000）

基于Solid Edge的離心泵復(fù)雜閉式葉輪三維設(shè)計(jì)

尤 寶，王靈水，陳亞濤

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471000）

介紹了采用Solid Edge軟件進(jìn)行閉式葉輪的設(shè)計(jì)方法，給出了如何從現(xiàn)有逆向數(shù)據(jù)到二維葉輪平面設(shè)計(jì)，最后到葉輪三維模型的設(shè)計(jì)方法，對過程中數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵提出了合理的解決方法，通過實(shí)例的操作實(shí)施，為復(fù)雜閉式葉輪三維設(shè)計(jì)提供了簡單可行的方法路徑。

離心泵；閉式葉輪；三維模型；Solid Edge

0 引言

Solid Edge軟件是Siemens PLM Software公司面向中端市場推出的Velocity series解決方案中的三維CAD軟件，Velocity series軟件包括Solid Edge、Femap、CAM Express和Teamcenter Express共4個(gè)產(chǎn)品，涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)過程中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真分析、數(shù)控加工和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理[1]。

泵是應(yīng)用非常廣泛的通用機(jī)械，其中離心泵是國民生產(chǎn)中最常見的一類泵，如圖1所示。葉輪是離心泵的核心關(guān)鍵部件，也是離心泵中的轉(zhuǎn)子部件，葉輪的設(shè)計(jì)是離心泵的設(shè)計(jì)核心工作，將直接決定離心泵的流量、揚(yáng)程、效率、氣蝕等性能[2]。目前, 工程用離心葉輪的設(shè)計(jì)仍采用傳統(tǒng)的一維、二維半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法, 所設(shè)計(jì)葉輪的性能對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的依賴性[3]，隨著計(jì)算機(jī)及專業(yè)泵設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)應(yīng)用，泵葉輪設(shè)計(jì)逐步被全流場三維數(shù)值模擬設(shè)計(jì)所取代，后者以現(xiàn)有CFD模擬軟件為基礎(chǔ)，模擬結(jié)果更接近設(shè)計(jì)工況條件，同時(shí)縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期。三維數(shù)值模擬的基礎(chǔ)以準(zhǔn)確的三維葉輪模型為基礎(chǔ)，本文以現(xiàn)有復(fù)雜閉式葉輪逆向數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于Solid Edge軟件研究葉輪三維模型的設(shè)計(jì)方法。

圖1 離心泵整機(jī)三維模型

1 閉式葉輪的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)圖紙

閉式葉輪是指將葉片通過前后蓋板封閉的葉輪，如圖2所示。閉式葉輪主要由前蓋板、葉片、后蓋板及副葉片組成。

圖2 閉式葉輪軸面圖與葉輪三維模型

葉輪的設(shè)計(jì)主要根據(jù)泵使用現(xiàn)場工況要求，對葉輪進(jìn)行初步的尺寸設(shè)計(jì)，目前主要采用采用傳統(tǒng)的一維、二維半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，初步完成葉輪的水力模型參數(shù)值。設(shè)計(jì)完成的水力模型主要包括水力參數(shù)表、葉輪水力模型圖，葉輪軸面圖。

2 葉片水力模型的設(shè)計(jì)

本文以逆向測繪離心泵葉輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行基于Solid Edge軟件的三維逆向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中葉片的水力模型的創(chuàng)建是葉輪三維模型創(chuàng)建的關(guān)鍵所在，為更好的實(shí)現(xiàn)葉片的三維造型，需要熟悉葉片的水力模型繪制過程。圖3為葉輪葉片模型逆向木模示意圖，該模型是將圖2中的葉輪前蓋板去除后，單個(gè)葉片放置在后蓋板上，采用葉輪軸線中心做等角度發(fā)散射線與水平等高線將葉片兩個(gè)面各坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定位，這樣就將空間葉片水力模型分解到二維平面圖形中。以下為本次選擇葉輪葉片的水力設(shè)計(jì)參數(shù)，具體參數(shù)如表1及圖4所示。表1與圖4需配合作相互參照，在圖4左圖中，其中a線條代表葉片與前蓋板交線，b線條代表葉片與后蓋板交線，x-x'為葉輪軸心線, c-c'為葉片出口邊中心線，在圖中1、2、3、4、5、6號線為間距5mm、7.5mm、7.5mm、7mm、7mm垂直于葉輪軸心線x-x'的高度線(h)，5號高度線與葉片出口邊中心線c-c'重合，a、1、2、3、4、5、6、b均為葉片工作面（凸起面）上線條；a'、1'、2'、3'、4'、5'、6'、b'為葉片背面（凹面）線條，其中a'、 b'分別表示葉片背面與前、后蓋板的交線，1'、2'、3'、4'、5'、6'之間等高間距與工作面1、2、3、4、5、6對應(yīng)一致。在圖4右圖中，0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ以葉輪軸心c-c'的投影點(diǎn)e為中心，以均分θ=10°等夾角的射線與葉片工作面的相交線，0'、Ⅰ'、Ⅱ'、Ⅲ'、Ⅳ'、Ⅴ'、Ⅵ'、Ⅶ'、Ⅷ'、Ⅸ'、Ⅹ'、Ⅺ'為10°射線與葉片背面形成交線，在該葉片水力模型中，葉片被包含在110°的射線夾角范圍內(nèi)。

由于10°射線與各高度線相交在葉片工作面或背面形成唯一空間坐標(biāo)點(diǎn)，所以采用葉輪軸心線x-x'到空間坐標(biāo)點(diǎn)的直線距離來表達(dá)該點(diǎn)距葉輪軸心線的半徑r，該半徑形成了表1中的數(shù)值，在圖4右圖中表示中心點(diǎn)e到各相射線相交點(diǎn)的距離。表1中列表示各射線，行表示前后蓋板及各高度線，表中不顯示各高度線之間的間距，間距在圖4左圖中表示。

在圖4左圖中，葉片工作面射線對應(yīng)圖中實(shí)線，葉片背面對應(yīng)圖中虛線，相同羅馬數(shù)字工作面與背面之間形成的間距即為同一射線截取的葉片的厚度，如圖中Ⅰ（工作面）與Ⅰ'（背面）形成的陰影區(qū)域即為10°射線切割葉片形成的葉片真實(shí)厚度。

圖3 葉片水力模型木模示意圖

表1 葉輪葉片水力參數(shù)表

圖4 葉片水力模型圖

3 葉片水力模型數(shù)據(jù)處理

由于葉輪水力模型中各空間參數(shù)點(diǎn)均由輻射線夾角θ、點(diǎn)到葉輪軸心線半徑r及各點(diǎn)所在高度線距離h表示。Solid Edge軟件為方便快速數(shù)據(jù)導(dǎo)入，提供了基于EXCEL表格的數(shù)據(jù)途徑，具體方法在文章后續(xù)4.1中介紹。在Solid Edge軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)前，首先在EXCEL表中將點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為（X Y Z），其中：

定義：X=rcos(θ 3.14/180)在EXCEL中表達(dá)為公式：X=rcos[θ pI()/180]；

Y= rsin(θ 3.14/180)在EXCEL中表達(dá)為公式：Y=rsin[θ pI ()/180]；

Z=h；

下面以該葉輪葉片工作面參數(shù)為例進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換，其中Z=h點(diǎn)的取值定義如下：在圖4左圖中， 0 、0'作為θ=0°起始線，θ角的正負(fù)可任意取，但葉片工作面與背面一致即可；取葉片出口邊中心線c-c'為Z=0，即5號線為高度線的0平面，其中Z值正向指葉輪前蓋板方向；葉片與前、后蓋板交點(diǎn)的起始點(diǎn)與最低點(diǎn)Z值，該值需要在圖4左圖中作圖測量尺寸，如工作面a線條（葉片與前蓋板交線）交點(diǎn)Z值作圖測量值為31.7mm，工作面b線條（葉片與后蓋板交線）最低點(diǎn)Z值作圖測量值為-16.96。表2為葉片工作面與葉片背面坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換數(shù)值表，取小數(shù)點(diǎn)后兩位有效數(shù)字，其中θ0、θ1、θ2等下標(biāo)表示0°、10°、20°夾角。

表2 工作面水力參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

續(xù)（表2）

完成圖紙坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換以后，基于Solid Edge軟件需要將參數(shù)作單獨(dú)樣條曲線EXCEL表導(dǎo)入軟件，基于對Solid Edge軟件數(shù)據(jù)處理及葉片水力曲面設(shè)計(jì)需要，采用輻射角θ0、θ1等角度來劃分單獨(dú)樣條曲線，如表3所示為θ0單獨(dú)一條樣條曲線點(diǎn)，其余θ1到θ8類似。由于θ9、θ10、θ11樣條曲線只有兩個(gè)點(diǎn)，數(shù)量過少，需要通過插值法來增加中間點(diǎn)形成連續(xù)樣條曲線。表4、表5、表6為插值形成的θ9、θ10、θ11單個(gè)樣條曲線。

表3 θ0樣條曲線點(diǎn)

表4 θ9樣條曲線點(diǎn)

表5 θ10樣條曲線點(diǎn)

表6 θ11樣條曲線點(diǎn)

4 數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件處理

本文使用設(shè)計(jì)軟件為Solid Edge ST8。為實(shí)現(xiàn)三維模型的快速創(chuàng)建與修改，Solid Edge軟件提供有同步建模與順序建模兩種建模方式。針對葉片水力模型的創(chuàng)建，為保證后續(xù)點(diǎn)與曲面的處理與修改，建議使用順序建模方式。

4.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

首先在Solid Edge軟件下創(chuàng)建GB零件，通過曲面處理模塊下的關(guān)鍵點(diǎn)（其圖標(biāo)為關(guān)鍵點(diǎn)），下拉菜單中的按表創(chuàng)建曲線（其圖標(biāo)為按表創(chuàng)建曲線），選擇插入對象中的瀏覽，依次選擇編輯好的單個(gè)EXCEL樣條曲線表，將θ0到θ11數(shù)據(jù)點(diǎn)逐一導(dǎo)入軟件，形成圖5所示葉片全部工作面樣條曲線。

圖5 葉輪完整工作面樣條曲線

4.2 曲面處理

圖6 采用藍(lán)面形成葉片工作面

圖7 葉片工作面完整曲面

采用同樣的方法將葉片背面樣條曲線表導(dǎo)入軟件后，形成完整的葉片背面樣條曲線，最終形成圖8所示葉片工作面與背面。

圖8 葉片工作面與背面完整曲面

4.3 工作面與背面連接

將葉片水力工作面與背面創(chuàng)建好以后，采用曲面處理模塊下的關(guān)鍵點(diǎn)（其圖標(biāo)為關(guān)鍵點(diǎn)），關(guān)鍵點(diǎn)下拉菜單中的關(guān)鍵點(diǎn)曲線（其圖標(biāo)為關(guān)鍵點(diǎn)），將葉片工作面與背面曲面四個(gè)端點(diǎn)用關(guān)鍵點(diǎn)曲線連接，如圖9所示。

圖9 工作面與背面關(guān)鍵點(diǎn)連接

4.4 縫合葉片工作面與背面

將工作面與背面四個(gè)端點(diǎn)用關(guān)鍵點(diǎn)曲線連接后，采用曲面處理模塊下的有界（其圖標(biāo)為有界），在彈出窗口選擇“單一”，單獨(dú)對葉片上下面邊與進(jìn)口邊與出口邊進(jìn)行選擇，形成封閉曲面，如圖10所示。

圖10 葉片工作面與背面形成完整曲面

圖11 縫合實(shí)體化葉片

圖12 陣列形成的三維模型

完成葉片的整列后，根據(jù)測繪葉輪軸面圖，如圖13所示，在主頁模塊下草繪環(huán)境中，選擇軸面基準(zhǔn)平面，根據(jù)圖13繪制葉片前后蓋板，完成后進(jìn)行整體縫合，對葉片入口邊與葉片與前后蓋板相交處進(jìn)行倒圓角處理，至此葉輪的設(shè)計(jì)全部完成，最終葉輪效果圖如圖14所示。

圖13 葉輪軸面圖圖

圖14 葉輪三維模型

5 結(jié)論

通過對離心泵葉輪葉片的逆向數(shù)據(jù)點(diǎn)及繪圖分析，基于Solid Edge軟件良好的人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)到曲面處理優(yōu)勢，采用EXCEL表作為數(shù)據(jù)處理的主要工具與接口，實(shí)現(xiàn)了葉片的快速逆向設(shè)計(jì)，該方法處理數(shù)據(jù)簡

【】【】單過程簡單易于操作，可在類似葉輪的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

[1] 王勁,穆安樂,趙宏偉,等.基于Solid Edge的零件管理數(shù)據(jù)處理技術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2010(12)：68-74.

[2] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國宇航出版設(shè)計(jì),2011：241.

[3] 張人會(huì),楊軍虎,李仁年,離心泵葉輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].排灌機(jī)械,2009,27(5)：310-313.

The 3D design of centrifugal pump closed impeller based on Solid Edge

YOU Bao, WANG Ling-shui, CHEN Ya-tao

TH31

：A

：1009-0134(2017)05-0107-06

2017-01-19

尤寶（1986 -），男，甘肅人，工程師，本科，主要從事機(jī)械相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。