數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在農(nóng)用潛水泵設(shè)計中的應(yīng)用

許 歆

(威海市文登區(qū)農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山東 威海 264200)

0 引言

數(shù)字化設(shè)計是計算機技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，由此能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、提高設(shè)計效率、節(jié)約開發(fā)成本，開發(fā)的產(chǎn)品性能顯著提升。我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機械設(shè)備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有不可替代的地位和作用，為最大限度發(fā)揮出農(nóng)業(yè)機械的作用，應(yīng)當(dāng)采取有效的設(shè)計方法，提高農(nóng)業(yè)機械的整體性能。就數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在農(nóng)用潛水泵設(shè)計中的應(yīng)用展開分析探討。

1 數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)及其特點

1.1 數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)

數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)以數(shù)字化設(shè)計技術(shù)作為支撐，其實質(zhì)是依托數(shù)字化平臺，構(gòu)建數(shù)字化模型，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的數(shù)字化。數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)最為突出的優(yōu)勢在于能大幅度提升產(chǎn)品的開發(fā)效率，并使開發(fā)出來的產(chǎn)品更加可靠。在產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計中，構(gòu)建數(shù)字化模型是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)包括DPD(產(chǎn)品數(shù)字化定義)、DA(數(shù)字化裝配)、DSA(數(shù)字化仿真分析)、DM(數(shù)字化加工)[1]。

1.1.1 DPD

DPD模型包括與產(chǎn)品相關(guān)的幾何和非幾何信息，前者為產(chǎn)品的三維模型，后者為設(shè)計文件、計算報告和BOM(結(jié)構(gòu)樹)等，BOM的主要作用是建立關(guān)系模型。

1.1.2 DA

以DPD為基礎(chǔ)，借助先進的計算機技術(shù)，對產(chǎn)品的裝配過程進行模擬，通過DA能對產(chǎn)品可裝配性有效評價，減少設(shè)計原因引起的返工，有助于研制周期的縮短和開發(fā)成本的降低。

1.1.3 DSA

針對復(fù)雜程度相對較高的系統(tǒng)，可利用計算機研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，據(jù)此對系統(tǒng)中的關(guān)鍵變量加以設(shè)計，獲取輸出變量的仿真結(jié)果，這是DSA最為主要的作用。

1.1.4 DM

當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計得到認可后，便需要考慮可加工性，如果產(chǎn)品在加工階段原型缺失，則會導(dǎo)致因為制造的模具和工具不合適，增大制造風(fēng)險。而DM的引入，使這一問題得到有效解決。

1.2 主要特點

數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)的特點及應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在面向裝配、面向生命周期、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。

1.2.1 面向裝配

DDT是數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的縮寫，依托DDT構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，面向的主要對象為裝配體，這是一個整體，并不是單個的零件。通過對裝配可用信息的集成，數(shù)字化產(chǎn)品模型，可被產(chǎn)品不同設(shè)計環(huán)節(jié)的設(shè)計人員使用。不僅如此，DDT還能對復(fù)雜零件與裝配的內(nèi)部關(guān)系跟蹤查詢，為早期更改設(shè)計提供便利條件。

1.2.2 面向生命周期

面向產(chǎn)品的生命周期是對各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)重要信息的有效集成，隨后將這部分信息統(tǒng)一到數(shù)學(xué)模型中，使信息得到有效的管理和維護，信息的利用效率獲得最大限度的提升。產(chǎn)品生命周期的信息比較完備，對分析產(chǎn)品的設(shè)計兼容性具有一定的幫助，由此能使產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量獲得顯著提升。

1.2.3 統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型

一個產(chǎn)品需要多個設(shè)計階段組合到一起才能完成，當(dāng)不同設(shè)計階段重復(fù)定義時，產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜程度會進一步提高，由于增加了一些不必要的工作，可能會導(dǎo)致產(chǎn)品的品質(zhì)下降，研發(fā)周期延長，成本增大[2]。DDT采用的是統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，避免重復(fù)定義的問題發(fā)生，設(shè)計過程中不會出現(xiàn)復(fù)雜程度增加的現(xiàn)象，使產(chǎn)品在既定時間內(nèi)完成設(shè)計。

2 農(nóng)用潛水泵中數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)用潛水泵是農(nóng)業(yè)機械中較為常見的設(shè)備之一，在農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用比較廣泛，以農(nóng)用潛水泵的設(shè)計為例，對數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用進行分析。

2.1 數(shù)字化設(shè)計過程

在潛水泵產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)時，將協(xié)同工作作為底層的技術(shù)支撐，利用相關(guān)的軟、硬件工具，如CAD/CAM、VR(虛擬現(xiàn)實)、建模仿真、效能分析、流場計算等，完成潛水泵產(chǎn)品設(shè)計，具體包括初步設(shè)計、詳細設(shè)計、產(chǎn)品的可制造性分析等。潛水泵產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計過程如下：在設(shè)計的初期階段，依托CBD(基于程序構(gòu)件的軟件開發(fā)方法)技術(shù)，按任務(wù)目標(biāo)，檢索已有的實例庫，從中獲取能夠滿足相關(guān)條件，具有高度相似性的設(shè)計實例；按照預(yù)先確定好的設(shè)計參數(shù)，分析相似實例的相似程度，選取出相似度最高的實例；以實例的設(shè)計幾何參數(shù)為依據(jù)，對不同類型、尺寸、規(guī)格的零件，用不同的方法構(gòu)建數(shù)字化模型；檢索時，若是未能找到與任務(wù)目標(biāo)相符的實例，則可借助水力設(shè)計CAD軟件進行新的設(shè)計，以此來獲得新的實例；利用產(chǎn)品數(shù)字化管理平臺，將構(gòu)建好的模型提供給仿真分析平臺，在仿真環(huán)境下，完成潛水泵的虛擬裝配、加工。

2.2 主要零部件數(shù)字化模型的構(gòu)建

2.2.1 運用水力設(shè)計CAD

按潛水泵產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)，及其具體的應(yīng)用場合(農(nóng)田灌溉)，通過對已有的實例庫檢索后，并未找到與之相似的實例，此時便可以借助水力CAD設(shè)計過流部件。在潛水泵中，葉輪是較為重要的部件之一，它的水力設(shè)計較為成熟，本文不再對此進行贅述。設(shè)計潛水泵時，可以將導(dǎo)葉作為壓水室，其在潛水泵中所起的作用是對葉輪流出的液體進行收集，輸送給下一級葉輪或是泵出口，并完成能量轉(zhuǎn)換，即將液體壓力轉(zhuǎn)換為速度能，消除液體的預(yù)旋。通過上述分析可以看出，在潛水泵中，導(dǎo)葉是一個重要的部件，具有能量轉(zhuǎn)換作用，該部件的設(shè)計質(zhì)量優(yōu)劣，對潛水泵的性能具有直接影響。通過查閱相關(guān)的資料發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉內(nèi)部的水力損失約為整個潛水泵水力損失的40%左右[3]。基于此，在潛水泵設(shè)計中，要對壓水室的設(shè)計予以重視，以此來降低水力損失，提高潛水泵的整體性能。

2.2.2 導(dǎo)葉的水力設(shè)計

由導(dǎo)葉在潛水泵的作用可知，它的過流面積應(yīng)當(dāng)達到均勻變化的趨勢，也就是說，流線本身的曲率不宜過大，基于這一前提，對導(dǎo)葉展開設(shè)計，具體如下。

1)內(nèi)流線的最大直徑。用D3表示導(dǎo)葉內(nèi)流線的最大直徑，因葉輪的后蓋板呈現(xiàn)為傾斜狀態(tài)，容易引起二次回流。基于此，可對葉輪后蓋板的外徑進行斜切，通過試驗的方法，確定斜切角度。按葉輪后蓋板的外徑，對D3初步確定[4]。

D3=D2+(2～5)mm

(1)

式中D2—代表葉輪出口的直徑，mm。

2)外流線的最大直徑。用D4表示導(dǎo)葉外流線的最大直徑，當(dāng)機組的最大外徑給定時，D4的取值范圍將會受到一定程度的限制，受到機組外徑的約束，D4不能隨意取值，必須滿足電纜最大尺寸通過的要求。為對潛水泵內(nèi)部有限的空間加以充分利用，在滿足要求的前提下，D4盡可能取最大值。

D4=D3+(1.6～2.5)b2

(2)

式中b2—代表葉輪出口的寬度，mm。

3)導(dǎo)葉的軸向長度。用Ld表示導(dǎo)葉的軸向長度，由于井泵的單級揚程相對偏低，隨著揚程的提高，泵的級數(shù)會隨之增加，基于這一前提，如果Ld大，泵的長徑比進一步增加，不利于加工制造，還會影響到運行可靠性；若是Ld小，能量無法完全轉(zhuǎn)換，泵的工作效率會降低。基于此，要盡可能減小軸向長度，可以取

Ld=(0.5～0.7)D2

(3)

4)導(dǎo)葉的片數(shù)。用Zd表示導(dǎo)葉的片數(shù)，它的多少，決定片間流道的擴散程度。導(dǎo)葉的片數(shù)多，流道的擴散程度小，這樣有助于能量轉(zhuǎn)化，但過多的導(dǎo)葉片會導(dǎo)致排擠嚴重，泵運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生振動。基于此，合理確定導(dǎo)葉片數(shù)尤為重要，依據(jù)相關(guān)研究成果，潛水泵導(dǎo)葉片數(shù)以7片為宜。

5)包角。用φ3表示導(dǎo)葉的葉片包角，φ3大，導(dǎo)葉葉片的工作面長，有助于能量轉(zhuǎn)化。若是φ3過大，則會引起摩擦；如果φ3過小，能量無法完全轉(zhuǎn)化，因此，φ3的取值范圍以70°～90°為宜[5]。

6)外內(nèi)流線出口直徑。用D5和D6分別表示導(dǎo)葉的外、內(nèi)流線出口直徑。通常情況下，D5和D6應(yīng)當(dāng)與下一級葉輪的進口或是泵的出口有效銜接，這樣能夠使脫流損失降至最小程度，液體可以更為舒暢的導(dǎo)入。為使流道形狀變化達到平滑的狀態(tài)，且面積變化均勻，可以取

(4)

式中Dj—葉輪的進口直徑，mm；

Dh—輪轂直徑，mm。

2.2.3 泵的三維造型

1)葉片與導(dǎo)葉。為滿足葉片加工方法的需要，通過截取的方法，獲得木模截線。通過水力設(shè)計得到的葉片木模圖中，包含了流線及軸面截線數(shù)據(jù)，可將該數(shù)據(jù)作為葉片曲面模型生成時的控制點坐標(biāo)。為進一步簡化水力設(shè)計過程，可以沿著軸面截線，對葉片進行三維造型，由此便可獲得葉片及導(dǎo)葉的數(shù)字化模型。

2)回轉(zhuǎn)體零件建模。潛水泵中的回轉(zhuǎn)體零件包括泵體、泵軸、進水節(jié)、葉輪蓋板及逆止閥盤等，對上述零部件進行數(shù)字化建模時，可以借助Pro/Toolkit提供的特征描述法，由此便可獲得相應(yīng)的數(shù)字化模型。

3)標(biāo)準(zhǔn)件建模。潛水泵中的標(biāo)準(zhǔn)件主要有螺釘、螺母等，對此可以利用族表完成參數(shù)化建模。在Pro/E中，族表是一個能夠借助表格來驅(qū)動模型的工具，可以對零件進行快速建模。

2.3 數(shù)字化仿真

2.3.1 虛擬裝配

利用計算機系統(tǒng)對整機進行裝配的過程，即虛擬裝配。這是對現(xiàn)實裝配的仿真模擬，能夠從中了解到各個零部件之間的配合情況，裝配時不需要物理樣機，產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)費用大幅度減少。不僅如此，通過虛擬裝配，能夠使各種錯誤在設(shè)計階段被消除，避免后期頻繁修改，產(chǎn)品的開發(fā)周期大幅度縮短。本文采用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)開發(fā)潛水泵產(chǎn)品，在虛擬裝配環(huán)節(jié)中，對導(dǎo)葉、葉輪、泵殼三者之間的配合進行全面查看，同時對潛水泵中的轉(zhuǎn)動部件做運動仿真，各部件之間并未出現(xiàn)相互干涉的情況。最后對潛水泵進行整機虛擬裝配，如圖1所示，各部件的配合情況得到清晰顯示。

圖1 潛水泵整機虛擬裝配示意圖

2.3.2 計算流體動力學(xué)分析

計算流體動力學(xué)簡稱CFD，通過該技術(shù)，能對潛水泵過流部件的內(nèi)外特性進行分析，可在圖紙設(shè)計階段，預(yù)測出泵的性能，以及可能出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，如葉片顫振、漩渦等。選取具有代表性計算區(qū)域，即泵殼的內(nèi)流道，將之劃分為兩個部分，一部分包含泵的進口段，另一部分為葉輪室的旋轉(zhuǎn)部分和導(dǎo)葉區(qū)的靜止部分，以二者之間相連接的平面作為分界。可選的模型有MRF(坐標(biāo)系模型)、MP(混合平面模型)、SM(滑移網(wǎng)格模型)。通過對上述模型進行比較后，最終決定選用MRF，依托該模型完成泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)和靜止部分的耦合計算。

2.3.3 虛擬加工

在潛水泵數(shù)字化設(shè)計中，虛擬加工是最后一個環(huán)節(jié)，其作用在于確保零件的精度。潛水泵中的葉片和導(dǎo)葉對型面的質(zhì)量要求比較高，直接加工可能會導(dǎo)致精度不夠，通過虛擬加工則可使該問題得到有效解決。在計算數(shù)控加工刀位軌跡時，采取葉片工作面與背面分開的方法，基于這一前提，工作面無干涉問題，背面的干涉點，可以調(diào)整刀具的角度予以修正。計算刀具行距及步長時，可引入Iso-scallop法，由此能夠在實際加工中獲得更高的效率。

3 結(jié)論

綜上所述，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計是一項較為復(fù)雜且系統(tǒng)的工作，對設(shè)計人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高。為進一步提高農(nóng)業(yè)機械的性能，可在設(shè)計中應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)。未來一段時期，要加大數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的研究力度，通過優(yōu)化改進，使其更加完善，更好的為農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)。