如何提高中國(guó)水泵行業(yè)的設(shè)計(jì)制造水平

發(fā)布日期：2019/3/22 20:19:51 來(lái)源: 立佳機(jī)械 閱讀量（）

目前我國(guó)自主生產(chǎn)設(shè)計(jì)的水泵已經(jīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)投放上取得了很到成就，幾乎占有市場(chǎng)份額的絕大部分，但是在國(guó)外市場(chǎng)上，我國(guó)自主生產(chǎn)設(shè)計(jì)的水泵卻很難打進(jìn)去，究其原因，還是因?yàn)槲覈?guó)自主生產(chǎn)設(shè)計(jì)的水泵與國(guó)際領(lǐng)先水平存在一些差距。本文就目前國(guó)內(nèi)外水泵研究現(xiàn)狀入手分析，提出水泵改造的可行性措施，為我國(guó)自主研發(fā)水泵技術(shù)達(dá)到或超過(guò)國(guó)際水平提供理論支持。 　　

1 我國(guó)水泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 　　

我國(guó)現(xiàn)階段水泵生產(chǎn)形式以及圖紙模型等主要為聯(lián)合設(shè)計(jì)、引進(jìn)、自行研發(fā)幾種，我國(guó)市場(chǎng)上和行業(yè)使用的水泵基本上都是通過(guò)這些手段設(shè)計(jì)制造的，是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和技術(shù)相對(duì)于國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距。比如國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的水泵很少有完全獨(dú)立自主的設(shè)計(jì)，往往是復(fù)制或者借鑒參照國(guó)外圖樣，缺少自主研發(fā)的靈活性和巧妙行，可拓展性很小，這也造成我國(guó)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)水泵過(guò)程中缺乏自主意識(shí)，思維不夠靈活，無(wú)法從目前這些設(shè)計(jì)框架中突破出來(lái)，形成自己的、獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)。若只在別人的基礎(chǔ)上修改、改良而缺乏國(guó)外設(shè)計(jì)師的那種自由奔放的思考，這樣是不會(huì)有很大的進(jìn)步和突破的。另外，雖然國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的水泵成本較低并很快占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，但是在國(guó)際市場(chǎng)上還是空白。 　　

2 國(guó)外先進(jìn)水泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 　　

在國(guó)外一些技術(shù)較為先進(jìn)的國(guó)家，他們對(duì)水泵的設(shè)計(jì)都有一個(gè)統(tǒng)一的理念，即設(shè)計(jì)奔著機(jī)構(gòu)巧妙、設(shè)計(jì)思維靈活、具有獨(dú)立自主的設(shè)計(jì)意識(shí)、重視水泵結(jié)構(gòu)的同時(shí)一樣重視水泵材料等，比如意大利國(guó)家對(duì)水泵的用材非常講究，不銹鋼外殼必須具備一定的標(biāo)準(zhǔn)才可以使用，另外日本在設(shè)計(jì)制造水泵時(shí)，他們對(duì)水泵的細(xì)節(jié)要求非常高，制造出來(lái)的水泵非常精細(xì)。 　　

國(guó)外水泵研究設(shè)計(jì)相對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)主要有以下幾個(gè)方面存在領(lǐng)先： 　　

1）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；

2）在水泵開(kāi)發(fā)研究中發(fā)現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象的一項(xiàng)重要成果，即過(guò)流部件的汽蝕破壞程度dE/dt與泵的氣泡長(zhǎng)度L有如下指數(shù)關(guān)系：dE/dt=K，并且氣泡長(zhǎng)度有近似計(jì)算方法；

3）從兩個(gè)方向研究泵的震動(dòng)特性，并取得一定成果；

4）引入一種逆向函數(shù)傳遞發(fā)測(cè)量泵的振動(dòng)值后，獲取葉輪外力特性；

5）在設(shè)計(jì)上，國(guó)外更加注重葉輪的動(dòng)力特性和汽蝕現(xiàn)象的研究，磁性軸的發(fā)明和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了水泵領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)突破；

6）以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件實(shí)型成型技術(shù)，對(duì)提高設(shè)計(jì)水平有較為明顯的意義。 　　

3改造我國(guó)水泵設(shè)計(jì)性能的可行性措施 　　

近些年來(lái)，我國(guó)水泵設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)取得很大進(jìn)步，有些設(shè)計(jì)已經(jīng)接近國(guó)際領(lǐng)先水平，但是在水泵設(shè)計(jì)制造的很多方面還是存在一些差距的，比如設(shè)計(jì)理念、機(jī)械用材、設(shè)計(jì)制造的新技術(shù)等方面，所以我國(guó)在水泵研究設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)該調(diào)整心態(tài)，確立正確的理念，然后才是對(duì)用材和技術(shù)方面的深入研究開(kāi)發(fā)。 　　

3.1 對(duì)葉輪的改造 　　

葉輪是水泵的心臟，他決定了泵的揚(yáng)程和效率，在工況和設(shè)計(jì)差異不大的情況下，泵體對(duì)水泵性能的影響是較小的，多以對(duì)葉輪的改進(jìn)顯得尤為重要。首先可以引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的大容量計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù)，并組織專(zhuān)業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行精細(xì)研究。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)對(duì)水泵葉輪進(jìn)行模型預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，另外運(yùn)用有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析對(duì)葉輪的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算分析，引入模態(tài)置信度和特征值靈敏度修改理論，對(duì)葉輪的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供一種基于動(dòng)態(tài)性的設(shè)計(jì)方法。另外為了延長(zhǎng)葉輪的使用壽命，除了改善泵空化性能外，還可以采用優(yōu)質(zhì)良材，比如采用1Cr13Ni4Mo不銹鋼等。 　　

對(duì)水泵葉輪的技術(shù)性改造理念應(yīng)主要集中在靈活性和適應(yīng)性上，針對(duì)目前國(guó)際上比較先進(jìn)的CFD技術(shù)、三元流技術(shù)等，我國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)和部門(mén)應(yīng)加大研發(fā)投入，建立專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和研發(fā)人員培養(yǎng)機(jī)制、體系，為水泵技術(shù)研發(fā)源源不斷的輸送人才。 　　

3.2 引進(jìn)三元流技術(shù) 　　

早在1976年，美國(guó)權(quán)威工具書(shū)《泵手冊(cè)》就已經(jīng)對(duì)我國(guó)科學(xué)家吳仲華創(chuàng)立的三元流動(dòng)理論進(jìn)行詳細(xì)的分析，并認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)必定發(fā)展成為水泵設(shè)計(jì)制造行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)。1986年，射流——尾跡三元流動(dòng)計(jì)算方法就開(kāi)始投入水泵設(shè)計(jì)運(yùn)用中，隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，目前我國(guó)和世界其他先進(jìn)國(guó)家都在深入研究和使用該項(xiàng)技術(shù)，可以說(shuō)這是我國(guó)水泵技術(shù)方面為數(shù)不多的一項(xiàng)領(lǐng)先與世界其他國(guó)家的技術(shù)，所以我國(guó)在設(shè)計(jì)制造水泵過(guò)程中一定不能落下此項(xiàng)技術(shù)。 　　

“射流——尾跡”現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于航空離心壓氣機(jī)中，通過(guò)激光測(cè)速技術(shù)觀察到“射流——尾跡”現(xiàn)象。如圖1所顯示，彎曲線(xiàn)dh和cg分別代表相鄰的兩個(gè)葉輪，dc和hg分別為進(jìn)口和出口，W1和W2分別表示進(jìn)、出口處的流速，t是流動(dòng)分離點(diǎn)，htv是尾跡區(qū)，cdtvg則是射流區(qū)。但是對(duì)于尾跡的計(jì)算，目前尚無(wú)準(zhǔn)確方法。由于粘性和壓力梯度的存在，泵輪出口沿葉片吸力面及前蓋板表面都會(huì)有流體脫流，形成尾跡區(qū)，只有通過(guò)“射流——尾跡三元流動(dòng)”計(jì)算才能得出定量分析，進(jìn)而是泵的性能提高。 　　

水泵三元流葉輪改造技術(shù)實(shí)際上是使用領(lǐng)先的水泵設(shè)計(jì)軟件，重新對(duì)水泵內(nèi)水力部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在不改變電機(jī)、泵體、管線(xiàn)的條件下增大流量、提高壓力，達(dá)到提高水泵泵效。如圖2所示，兩種設(shè)計(jì)葉輪的安裝尺寸（軸孔、鍵、密封環(huán)）相同，但是葉片的形狀進(jìn)行了很大改變，子午流到三元流葉片的加寬增大了流通能力，另外直徑的減小相對(duì)增大了出口寬度。同時(shí)三元流葉片進(jìn)口邊向來(lái)流進(jìn)口擴(kuò)展，減少進(jìn)口損失，因此通過(guò)三元流動(dòng)計(jì)算技術(shù)改進(jìn)的葉輪更加合理。 　　

3.3 CFD技術(shù)研究和運(yùn)用 　

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的研究重點(diǎn)是采用數(shù)值計(jì)算的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)求解這些控制流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程。目前在業(yè)界的普遍研究中大致認(rèn)為分三個(gè)層次：基本數(shù)值方法、數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相輔、解決實(shí)際工程問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的運(yùn)用主要集中在第二層次，運(yùn)用CFD技術(shù)，可以有效減少實(shí)際試驗(yàn)的次數(shù)，提高水泵性能。在財(cái)力、專(zhuān)業(yè)人員等支持不足的情況下，依靠科技大力發(fā)展CFD技術(shù)，建立三維粘性數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)，能夠在減小投入、減低成本的前提下快速提高我國(guó)水泵研發(fā)水平，才有可能盡快的使我國(guó)水泵設(shè)計(jì)水平達(dá)到或者領(lǐng)先世界先進(jìn)水平。 　　研究和完善葉輪網(wǎng)格生成技術(shù)是進(jìn)行流體流動(dòng)數(shù)值模擬建立流場(chǎng)模型的基礎(chǔ)前提，網(wǎng)格的劃分是流動(dòng)控制方程數(shù)值離散的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)湍流數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接決定解析的斂散性和結(jié)果的精度，所以應(yīng)加大葉輪網(wǎng)格生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)投入。另外邊界條件的設(shè)置在水泵內(nèi)部流場(chǎng)模擬中十分重要，進(jìn)、出口邊界條件以及周期性邊界條件都是計(jì)算域時(shí)所需要的邊界條件。利用CFD計(jì)算流體力學(xué)，對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析和研究，對(duì)認(rèn)識(shí)和掌握離心泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，對(duì)離心泵的設(shè)計(jì)工作是非常重要的。該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容在泵行業(yè)具有非常大的發(fā)展前景，但該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容又是一個(gè)非常復(fù)雜的研究工作，因此要對(duì)CFD技術(shù)有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，要合理、合格的進(jìn)行科研人員的組合。另外CFD技術(shù)是一項(xiàng)設(shè)計(jì)到多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，所以要想在水泵的研發(fā)過(guò)程中充分發(fā)揮CFD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)作用，還必須考慮到綜合因素，更多的理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)，將CFD數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)、理論有機(jī)結(jié)合起來(lái)，這樣才能理想而有效的解決問(wèn)題。 　

4 水泵改進(jìn)的主體思想 　　

水泵的研發(fā)目的主要是降低成本，提高泵效，延長(zhǎng)泵的使用壽命，最大化的減低能源浪費(fèi)，適應(yīng)國(guó)家提倡的節(jié)能減排的主體思路。雖然近些年來(lái)，我國(guó)自己生產(chǎn)的水泵已經(jīng)取得了很大的成就，基本上占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，但是相比于國(guó)外較為先進(jìn)的水泵，我國(guó)自主生產(chǎn)的水泵在國(guó)際市場(chǎng)上的份額很低，即使國(guó)外生產(chǎn)的水泵成本較高，價(jià)格較高，但是國(guó)外市場(chǎng)更愿意選擇那些水泵產(chǎn)品，究其原因，就是因?yàn)閲?guó)外生產(chǎn)的水泵具有更為先進(jìn)的技術(shù)含量，泵效和使用壽命跟高。所以我國(guó)在自主研發(fā)水泵產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)該奔著自主意識(shí)、靈活意識(shí)、高質(zhì)量材質(zhì)、高技術(shù)含量等這些方向作為主體研發(fā)思路，才能在水泵的研發(fā)設(shè)計(jì)上達(dá)到甚至領(lǐng)先世界先進(jìn)水平