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    如何提高中國水泵行業的設計制造水平

    目前我國自主生產設計的水泵已經國內市場投放上取得了很到成就,幾乎占有市場份額的絕大部分,但是在國外市場上,我國自主生產設計的水泵卻很難打進去,究其原因,還是因為我國自主生產設計的水泵與國際領先水平存在一些差距。本文就目前國內外水泵研究現狀入手分析,提出水泵改造的可行性措施,為我國自主研發水泵技術達到或超過國際水平提供理論支持。   

    1 我國水泵技術發展現狀   

    我國現階段水泵生產形式以及圖紙模型等主要為聯合設計、引進、自行研發幾種,我國市場上和行業使用的水泵基本上都是通過這些手段設計制造的,是國內市場的主導產品,但是這些產品的設計水平和技術相對于國際先進水平還有一定的差距。比如國內生產的水泵很少有完全獨立自主的設計,往往是復制或者借鑒參照國外圖樣,缺少自主研發的靈活性和巧妙行,可拓展性很小,這也造成我國在生產設計水泵過程中缺乏自主意識,思維不夠靈活,無法從目前這些設計框架中突破出來,形成自己的、獨特的設計理念和技術。若只在別人的基礎上修改、改良而缺乏國外設計師的那種自由奔放的思考,這樣是不會有很大的進步和突破的。另外,雖然國內設計生產的水泵成本較低并很快占據了國內市場,但是在國際市場上還是空白。   

    2 國外先進水泵技術發展現狀   

    在國外一些技術較為先進的國家,他們對水泵的設計都有一個統一的理念,即設計奔著機構巧妙、設計思維靈活、具有獨立自主的設計意識、重視水泵結構的同時一樣重視水泵材料等,比如意大利國家對水泵的用材非常講究,不銹鋼外殼必須具備一定的標準才可以使用,另外日本在設計制造水泵時,他們對水泵的細節要求非常高,制造出來的水泵非常精細。   

    國外水泵研究設計相對國內來說主要有以下幾個方面存在領先:   

    1)大容量計算機精準預測技術、模型計算機設計技術等;

    2)在水泵開發研究中發現汽蝕現象的一項重要成果,即過流部件的汽蝕破壞程度dE/dt與泵的氣泡長度L有如下指數關系:dE/dt=K,并且氣泡長度有近似計算方法;

    3)從兩個方向研究泵的震動特性,并取得一定成果;

    4)引入一種逆向函數傳遞發測量泵的振動值后,獲取葉輪外力特性;

    5)在設計上,國外更加注重葉輪的動力特性和汽蝕現象的研究,磁性軸的發明和應用實現了水泵領域的一項重大技術突破;

    6)以計算機為基礎,實現機械零件實型成型技術,對提高設計水平有較為明顯的意義。   

    3改造我國水泵設計性能的可行性措施   

    近些年來,我國水泵設計制造技術已經取得很大進步,有些設計已經接近國際領先水平,但是在水泵設計制造的很多方面還是存在一些差距的,比如設計理念、機械用材、設計制造的新技術等方面,所以我國在水泵研究設計過程中,首先應該調整心態,確立正確的理念,然后才是對用材和技術方面的深入研究開發。   

    3.1 對葉輪的改造   

    葉輪是水泵的心臟,他決定了泵的揚程和效率,在工況和設計差異不大的情況下,泵體對水泵性能的影響是較小的,多以對葉輪的改進顯得尤為重要。首先可以引進國外先進的大容量計算機精準預測技術,并組織專業人員對其進行精細研究。通過此項技術對水泵葉輪進行模型預測和設計,另外運用有限元計算和實驗模態分析對葉輪的動態特性進行計算分析,引入模態置信度和特征值靈敏度修改理論,對葉輪的設計改進提供一種基于動態性的設計方法。另外為了延長葉輪的使用壽命,除了改善泵空化性能外,還可以采用優質良材,比如采用1Cr13Ni4Mo不銹鋼等。   

    對水泵葉輪的技術性改造理念應主要集中在靈活性和適應性上,針對目前國際上比較先進的CFD技術、三元流技術等,我國相關機構和部門應加大研發投入,建立專業的研發團隊和研發人員培養機制、體系,為水泵技術研發源源不斷的輸送人才。   

    3.2 引進三元流技術   

    早在1976年,美國權威工具書《泵手冊》就已經對我國科學家吳仲華創立的三元流動理論進行詳細的分析,并認為這項技術必定發展成為水泵設計制造行業的領先技術。1986年,射流——尾跡三元流動計算方法就開始投入水泵設計運用中,隨著該項技術的發展,目前我國和世界其他先進國家都在深入研究和使用該項技術,可以說這是我國水泵技術方面為數不多的一項領先與世界其他國家的技術,所以我國在設計制造水泵過程中一定不能落下此項技術。   

    “射流——尾跡”現象最早發現于航空離心壓氣機中,通過激光測速技術觀察到“射流——尾跡”現象。如圖1所顯示,彎曲線dh和cg分別代表相鄰的兩個葉輪,dc和hg分別為進口和出口,W1和W2分別表示進、出口處的流速,t是流動分離點,htv是尾跡區,cdtvg則是射流區。但是對于尾跡的計算,目前尚無準確方法。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有流體脫流,形成尾跡區,只有通過“射流——尾跡三元流動”計算才能得出定量分析,進而是泵的性能提高。   

    水泵三元流葉輪改造技術實際上是使用領先的水泵設計軟件,重新對水泵內水力部件進行優化設計,可以實現在不改變電機、泵體、管線的條件下增大流量、提高壓力,達到提高水泵泵效。如圖2所示,兩種設計葉輪的安裝尺寸(軸孔、鍵、密封環)相同,但是葉片的形狀進行了很大改變,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增大了出口寬度。同時三元流葉片進口邊向來流進口擴展,減少進口損失,因此通過三元流動計算技術改進的葉輪更加合理。   

    3.3 CFD技術研究和運用  

    計算流體力學(CFD)技術的研究重點是采用數值計算的方法,通過計算機求解這些控制流體流動的數學方程。目前在業界的普遍研究中大致認為分三個層次:基本數值方法、數值計算與實驗相輔、解決實際工程問題,國內外較為先進的運用主要集中在第二層次,運用CFD技術,可以有效減少實際試驗的次數,提高水泵性能。在財力、專業人員等支持不足的情況下,依靠科技大力發展CFD技術,建立三維粘性數值模擬軟件系統,能夠在減小投入、減低成本的前提下快速提高我國水泵研發水平,才有可能盡快的使我國水泵設計水平達到或者領先世界先進水平。   研究和完善葉輪網格生成技術是進行流體流動數值模擬建立流場模型的基礎前提,網格的劃分是流動控制方程數值離散的基礎,是實現湍流數值模擬的關鍵技術之一,直接決定解析的斂散性和結果的精度,所以應加大葉輪網格生產技術的研發投入。另外邊界條件的設置在水泵內部流場模擬中十分重要,進、出口邊界條件以及周期性邊界條件都是計算域時所需要的邊界條件。利用CFD計算流體力學,對離心泵內部流場進行分析和研究,對認識和掌握離心泵的內部流動規律,對離心泵的設計工作是非常重要的。該項研究內容在泵行業具有非常大的發展前景,但該項研究內容又是一個非常復雜的研究工作,因此要對CFD技術有一個正確的認識,要合理、合格的進行科研人員的組合。另外CFD技術是一項設計到多個領域的技術,所以要想在水泵的研發過程中充分發揮CFD技術的優勢作用,還必須考慮到綜合因素,更多的理論結合實驗,將CFD數值模擬與實驗、理論有機結合起來,這樣才能理想而有效的解決問題。  

    4 水泵改進的主體思想   

    水泵的研發目的主要是降低成本,提高泵效,延長泵的使用壽命,最大化的減低能源浪費,適應國家提倡的節能減排的主體思路。雖然近些年來,我國自己生產的水泵已經取得了很大的成就,基本上占領了國內市場,但是相比于國外較為先進的水泵,我國自主生產的水泵在國際市場上的份額很低,即使國外生產的水泵成本較高,價格較高,但是國外市場更愿意選擇那些水泵產品,究其原因,就是因為國外生產的水泵具有更為先進的技術含量,泵效和使用壽命跟高。所以我國在自主研發水泵產品時,應該奔著自主意識、靈活意識、高質量材質、高技術含量等這些方向作為主體研發思路,才能在水泵的研發設計上達到甚至領先世界先進水平


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