如何提升水泵設計與制造水平

韓 宇，彭 濤，胡毅鈞

（海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)第四軍事代表室，遼寧 沈陽 110179）

引言

水泵是社會生產生活中不可或缺的常用機械設備，對社會經濟發(fā)展和生活質量改善有著積極的推動作用。長期以來，我國通過積極引進國外水泵先進生產技術，水泵設計與制造水平相較過去有大幅的提升，水泵制造技術呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢。然而和國外先進的水泵設計制造水平相比，我國仍然相對偏低，研發(fā)周期長，對既有經驗依賴性強，還需要對水泵設計制造創(chuàng)新保持高度重視，加大設計制造創(chuàng)新投入力度，力爭達到世界先進水平。

1 水泵制造業(yè)背景

水泵制造業(yè)是通用機械制造業(yè)的重要組成部分，目前國內的水泵設計制造主要采用自主研發(fā)、聯(lián)合設計、技術引進等多種形式，技術日益成熟。然而，國內水泵設計制造在自主研發(fā)方面還存在一定短板，很多企業(yè)多是仿制或改進市場上技術成熟的產品，技術創(chuàng)新有限，新材料、新工藝的使用缺乏突破，尚存在一定的進步空間。近年來許多國外產品逐漸進入國內市場，在對國內水泵設計制造企業(yè)造成沖擊的同時，也在很大程度上促進了技術的升級和創(chuàng)新。只有不斷提升水泵設計與制造水平，才能在國際化市場競爭中占據有利地位，推動我國水泵工業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

2 水泵設計制造存在的問題

2.1 技術問題

目前國內一些企業(yè)在水泵設計制造過程中，依然采用傳統(tǒng)的設計理念和方法，水泵產品的技術含量不高。以節(jié)能技術為例，很多設計人員對水系節(jié)能方面知識缺乏了解，導致水泵產品節(jié)能水平較低。水泵的節(jié)能問題，不僅體現(xiàn)在水泵指標值、閥門值等方面，還需要結合水泵產品的具體使用目的、環(huán)境來綜合考量，兼顧水泵自身性能的穩(wěn)定性、經濟性等指標。在節(jié)能方面，國內水泵設計制造還有較長的一段路要走。

2.2 材料問題

水泵產品需要使用健康、環(huán)保的材料，兼顧產品的性能、使用壽命等多方面因素。然而目前水泵設計制造往往側重于某些指標而忽略了其他性能，比如追求性能好而選用不環(huán)保的材料，追求環(huán)保節(jié)能導致管道材料使用壽命短。水泵材料的選擇，直接關系到水泵產品的質量和壽命，關系到人民群眾的切實利益，還需要不斷積累經驗，全面考量，提升水泵產品的材料品質。

2.3 生產問題

國家提出全面信息化，加速工業(yè)化、信息化二者的融合，在此背景下，水泵的制造企業(yè)對于ERP系統(tǒng)展開升級，使用LPM和Director6等系統(tǒng)[1]，但是在水泵制造方面，對于信息技術的應用效率還相對較低，遠程監(jiān)控和無線監(jiān)控等技術還沒有應用在水泵的制造環(huán)節(jié)當中，對于水泵制作過程和質量控制等產生影響，使得國內水泵制造企業(yè)生產的產品難以和國外同類企業(yè)相匹敵。

總的來說，國內水泵設計制造存在的主要問題在于技術和材料兩個方面，提升水泵設計制造水平的首要任務在于提升技術含量，選用高質量的新型環(huán)保材料，突出結構設計、細節(jié)化設計、高標準生產，努力研發(fā)高質量水泵產品，提高泵效，降低成本，延長水泵使用壽命，響應國家提倡的節(jié)能減排目標。

3 提升水泵設計制造水平的思路

提升水泵設計制造水平的關鍵在于技術創(chuàng)新，在水泵設計和制作當中使用更多新的技術和材料。科學技術是第一生產力，新技術開發(fā)具有難以估量的實際價值，水泵設計制造應引入大容量計算機精準預測技術、磁性軸技術等先進技術手段，對汽蝕現(xiàn)象、雙方向水泵震動特征和新材料等方面展開研究，積極應用計算機輔助設計制造技術，積累科研成果，提升水泵設計技術含量水平，激發(fā)水泵制造潛能，有效控制水泵設計制造成本。

3.1 加強技術研發(fā)

水泵設計水平的提升，依賴于現(xiàn)有的技術手段和完善的管理制度。一方面，企業(yè)應圍繞水泵設計理念，積極引入先進的高新技術，并加大自身的技術研究力度。不僅要對現(xiàn)有的技術進行組合研究，研發(fā)出一套適合自己的技術體系，還要做好技術的應用落實，使先進的技術手段切實體現(xiàn)在水泵產品的設計制造過程中。企業(yè)可以結合目標用戶的實際需求，制定水泵產品的性能指標和產品模型，從產品穩(wěn)定性、經濟性、節(jié)能性、使用壽命等方面綜合評價，選用最佳的技術方案，盡可能兼顧水泵產品的綜合性能，減少水源的浪費，提高水泵使用效率和壽命。

另一方面，企業(yè)應制定一套完善的管理制度，在水泵設計前期要做好規(guī)劃工作，對水泵設計人員進行必要的知識培訓，根據不同崗位的工作性質和需求安排培訓內容，增強設計與制造人員的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，有效約束和規(guī)范相關人員的工作行為。同時，加強設計與制造部門的溝通合作，實現(xiàn)設計制造的整合性發(fā)展，確保各項工作按預期目標順利達成。

3.2 選用優(yōu)質材料

選用適合的材料是保證水泵產品質量的基礎。作為液體輸送工具，水泵及其管道設計必須慎重考慮選材問題，絕不能馬虎大意。水泵產品在日常生產生活中被頻繁的使用，需要經受液體無數(shù)次的沖刷，選材好壞關系到使用壽命的長短，必須確保自身封閉性良好，不會出現(xiàn)液體泄漏問題。同時，要具有較強的抗腐蝕能力，并足夠安全環(huán)保，不會為人體健康和自然環(huán)境造成危害。

以水泵管道材料為例，水泵管道材料選擇首先要考慮封閉性是否良好。管道需要靠管內外壓力形成液體流通，只有滿足封閉性要求才能確保暢通流動。在此基礎上，還需要考慮管道材料的耐腐蝕性，是否能經受液體經年累月的沖刷。如果選用橡膠材料，雖然短期內具有較好的抗腐蝕性表現(xiàn)，但長期使用會出現(xiàn)被液體腐蝕爛掉的問題，不僅影響水泵的正常運轉，還可能導致健康安全問題。因此，水泵設計制造需要借鑒國內外先進的材料技術，研發(fā)出更好的水泵制造材料，提升水泵產品的質量穩(wěn)定性。

4 提升水泵設計制造水平的可行性措施

在水泵設計制造工作中，相關人員要努力提升自身的專業(yè)能力水平，拓寬視野，打開眼界，積極學習先進的設計理念與技術，以及新設備、新材料，實現(xiàn)技術、材料等方面的突破創(chuàng)新。目前，我國水泵設計制造性能提升可以在葉輪改造、三元流技術、計算流體力學等方面重點投資，不斷提升水泵設計的含金量和水泵制造的科學性。

4.1 加強水泵設計優(yōu)化

水泵設計過程中，需要對設計成果進行試驗，認真考核設計方案的科學性和可行性，確保設計方案達到最佳的效果。以葉輪設計為例，葉輪是水泵的心臟，葉輪設計對水泵產品質量具有關鍵性的影響，高質量的葉輪是水泵連續(xù)穩(wěn)定運行的基礎。如果水泵葉輪存在設計缺陷或質量問題，必然導致水泵的運行穩(wěn)定性大受影響。因此，做好水泵葉輪的設計優(yōu)化至關重要。

在葉輪優(yōu)化方面，設計人員需要積極學習國外的成熟經驗，引進先進的技術手段，應用科學的理念和技術武裝頭腦，才能切實提升水泵葉輪的設計水平。在設計過程中，應利用計算機建立葉輪模型，對葉輪模型中使用的新技術進行精準預測試驗，預判葉輪應用新技術的成果。結合試驗結果對葉輪模型進行不斷的改進和優(yōu)化，確保葉輪靈敏度、置信度等指標達到設計要求。

這需要葉輪設計制造企業(yè)形成一套科學完善的產品設計體系，明確水泵葉輪等產品的設計流程和操作規(guī)范，設計具有動態(tài)性的設計體系，對水泵葉輪優(yōu)化等設計工作提出目標要求，重視借助試驗結果對設計進行持續(xù)的優(yōu)化，從而取得最佳的產品設計方案，保證水泵葉輪等零部件質量。

4.2 加強三元流技術的研發(fā)與應用

三元流動理論早在20世紀70年代就已出現(xiàn)，吳仲華院士提出的這一理論能夠顯著提升水泵制造水平，推動水泵設計制造技術的改造升級[2-3]。經過幾十年的研發(fā)與應用，三元流技術在水泵領域取得了輝煌的成就，理論技術日益成熟，西方發(fā)達國家也在這一技術領域投入了大量的資金和人力進行研發(fā)。國內水泵設計制造企業(yè)需要一直繃緊技術創(chuàng)新這根弦，保持三元流技術等方面的領先性，依靠技術創(chuàng)新提升水泵制造業(yè)水平。

在航空離心壓氣機中發(fā)現(xiàn)的“射流—尾跡”現(xiàn)象就具有很大的研究價值。目前對于尾跡計算缺乏準確的方法，受黏性、壓力梯度影響，泵輪出口在前蓋板表面和葉片吸力面存在流體脫流，必須借助“射流—尾跡”三元流動計算才能得出定量分析的結果。依靠這一技術，可以實現(xiàn)水泵產品的性能提升。水泵三元流葉輪改造就是借助三元流理論，對水泵內水力部件進行優(yōu)化設計，在相同電機、泵體、管線條件下能夠有效提升流量和壓力，獲得更高的泵效。

設計的兩種水泵葉輪軸孔、密封環(huán)等參數(shù)一致，但三元流設計對葉輪葉片形狀進行優(yōu)化設計，通過加寬葉片提升了流通能力，通過減小直徑增加了出口寬度，葉片進口邊向來流進口拓展可以降低進口損失。兩種設計方案相比，三元流技術明顯具有更高的技術合理性，值得在水泵設計制造中推廣應用[4]。

4.3 加強計算流體力學的研發(fā)與應用

隨著信息技術的普及應用，在水泵設計制造中應用計算機技術已經成為主流趨勢，可以借助各種輔助設計軟件進行流體力學分析。在利用計算機進行水泵流體力學計算分析時，采取基體參數(shù)應用、計算機輔助實驗系統(tǒng)等方式，合理控制計算流體力學試驗次數(shù)，不僅可以提升水泵設計效率，推進水泵設計優(yōu)化水平，還可以對水泵設計制造成本進行控制。

目前，流體力學軟件開發(fā)已經越來越成熟，設計人員可以借助三維黏性數(shù)值模擬軟件，在低成本投入下對水泵流速等數(shù)值進行計算。在相關技術的研發(fā)方面，主要方向包括葉輪網生成技術和離心泵內部流動規(guī)律研究。葉輪網技術需要對水泵流體數(shù)值進行分析，通過合理劃分網格提升流體數(shù)值。而離心泵內部流動規(guī)律研究，需要對離心泵流場進行合理計算，根據計算結果對水泵設計制造進行改造，提升水泵設計效率，解決水泵制造和應用中存在的一些困難，實現(xiàn)水泵技術的突破創(chuàng)新。

5 結語

水泵設計制造水平提升對于我國水泵產業(yè)的發(fā)展至關重要。發(fā)達國家在水泵設計上追求機構巧妙，設計思維靈活，重視水泵結構設計與水泵材料選用，嚴格技術和材料標準，在水泵產品精細化方面有許多值得我們學習借鑒的成功經驗。國內廠商應該堅持獨立自主的設計意識，引進大容量計算機精準預測等先進技術手段，加強水泵葉輪的動力特性和氣蝕現(xiàn)象研究，應用磁性軸等技術優(yōu)化泵體性能，提升水泵產品質量。