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    對于水泵行業(yè)而言，工作效率是最重要的性能指標(biāo)之一。為此，定制化開發(fā)和快速響應(yīng)先進(jìn)制造(RRAM)，對大型工業(yè)水泵的定制化生產(chǎn)需求十分迫切。如何取得定制化需求本身和時(shí)間及費(fèi)用成本之間的平衡？這是水泵制造商們一直在探求的問題。

    山水節(jié)能一致致力于以最優(yōu)的技術(shù)為各行各業(yè)的客戶提供流體系統(tǒng)節(jié)能裝備和服務(wù)，利用自身先進(jìn)的專業(yè)制造技術(shù)與豐富的管理經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了快速定制化開發(fā)的可能，并為客戶提供穩(wěn)定、高效的卓越產(chǎn)品。

    本文總結(jié)了在三維數(shù)字樣機(jī)和消失模鑄造方面的部分經(jīng)驗(yàn)，與大家共享。

【需求定義】

    首先，客戶和制造商必須進(jìn)行全面而清晰的售前交流。需要考慮的典型因素包括，技術(shù)參數(shù)、輸送介質(zhì)性質(zhì)、應(yīng)用場合、可靠性和環(huán)境友好性等。客戶需求應(yīng)該由設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)化為量化規(guī)格，因此設(shè)計(jì)人員有必要參與和客戶的商業(yè)會議，討論技術(shù)，商務(wù)和價(jià)格細(xì)節(jié)，并最終簽署合同。

【數(shù)字樣機(jī)】

    數(shù)字樣機(jī)是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械產(chǎn)品及其子系統(tǒng)的數(shù)字模型。數(shù)字樣機(jī)通過三維模型將水泵的概念設(shè)計(jì)，模型迭代，驗(yàn)證和可視化集成到一起并大幅度降低交互成本。同時(shí)，傳統(tǒng)的水泵開發(fā)流程可進(jìn)化為“設(shè)計(jì)¾分析¾測試驗(yàn)證¾制造”定制化流程。數(shù)字樣機(jī)的全部流程中，計(jì)算機(jī)輔助制造提供的虛擬仿真工具最為關(guān)鍵，確定水泵性能是否可以滿足客戶需求。因此定制化產(chǎn)品可以在最終鑄造之前將失敗風(fēng)險(xiǎn)控制至最低水平。

【水力模型】

    水泵的效率取決于其水力模型，也是定制化開發(fā)周期中的第一個(gè)里程碑。水泵制造商應(yīng)該收集整理盡可能多的現(xiàn)成水力模型，并從當(dāng)前的水力模型庫中挑選和設(shè)計(jì)目標(biāo)相同和相近比轉(zhuǎn)速的水力模型作為后續(xù)設(shè)計(jì)更改的基礎(chǔ)。通過相似性原理(對流量和揚(yáng)程)和Moody公式(對效率)可以將原水力模型換算至目標(biāo)模型。

    但簡單的轉(zhuǎn)化并不足以完成最終設(shè)計(jì)?；谟邢摅w積法(FVM)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)手段被廣泛用于水泵的水力性能預(yù)測和水力模型優(yōu)化。大部分商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件程序使用數(shù)值計(jì)算程序來求解雷諾時(shí)均納維-斯托克斯方程，并使用特定的湍流模型來得到質(zhì)量和動量守恒方程的封閉。水泵流動區(qū)域通常以兩種不同的參考坐標(biāo)系劃分為若干個(gè)域：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系用于葉輪區(qū)域，固定坐標(biāo)系用于其他區(qū)域。邊界條件的設(shè)置應(yīng)該結(jié)合定制化水泵的實(shí)際特征和設(shè)計(jì)人員的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。通常，使用一系列逐漸變化的入口條件進(jìn)行計(jì)算以預(yù)測整個(gè)流量-揚(yáng)程和流量-效率曲線。如果水泵的吸入性能也納入考慮，那么，可進(jìn)行包括汽蝕模型的兩相流仿真以預(yù)測必需汽蝕余量(NPSHr)。

【結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】

    定制化水泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常包括三個(gè)方面的問題，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度，密封，振動和噪音。上述問題應(yīng)該在確定最終水力模型的基礎(chǔ)上使用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行考察。除了強(qiáng)度校核，結(jié)構(gòu)仿真對定制化水泵開發(fā)的意義更多的在于確定高安全區(qū)域以幫助水泵結(jié)構(gòu)減重，這意味著在滿足性能要求的情況下減少材料和鑄造成本。

♦ 靜強(qiáng)度

足夠的靜強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)安全的前提。結(jié)構(gòu)變形通過載荷和約束條件來計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)材料自身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系來獲得應(yīng)力分布。水泵殼體的主要載荷來源于內(nèi)部液體壓力，其大小取決于水泵揚(yáng)程和進(jìn)口壓力。對于主軸，受力載荷可以歸結(jié)為軸向力和徑向力這兩大類，二者的大小可以參考水泵水手冊進(jìn)行估計(jì)?？紤]到鑄造和加工缺陷，必須根據(jù)載荷水平制定一個(gè)安全系數(shù)，安全邊際應(yīng)該由交易雙方根據(jù)制造商的制程能力和相關(guān)強(qiáng)制性規(guī)范共同制定。

♦ 疲勞分析

    主軸最常見的失效模式是疲勞失效，它將會引發(fā)斷軸等嚴(yán)重的后果。給定載荷下軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)可以通過泵軸材料的S/N曲線(應(yīng)力-轉(zhuǎn)動次數(shù)曲線)來預(yù)測，而應(yīng)力分布來源于靜強(qiáng)度分析結(jié)果。通常，轉(zhuǎn)動次數(shù)應(yīng)該大于10⁷。

♦ 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析

    泵組的振動和噪聲來源于結(jié)構(gòu)對動態(tài)載荷的響應(yīng)。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的第一步，可以計(jì)算響應(yīng)頻率并提供后續(xù)計(jì)算的基本數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析則是指導(dǎo)泵組減振的有效手段，它將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化為軸線、旋轉(zhuǎn)質(zhì)點(diǎn)和軸承點(diǎn)組合。對定制化水泵，轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析可以幫助設(shè)計(jì)人員確定臨界轉(zhuǎn)速，研究軸的彎曲和振動形態(tài)，并最終保證水泵的可靠性。

♦ 可制造性分析

    可制造性分析促進(jìn)定制化電子模型向真實(shí)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。制造設(shè)計(jì)小組應(yīng)該快速評估設(shè)計(jì)方案的可制造性和可裝配性以加快制造過程。

【消失模鑄造】

    雖然當(dāng)前流行的3D打印概念似乎很適用于定制化產(chǎn)品的制造，但是尚不適用大尺寸金屬水泵。鑄造一直是包括泵殼和葉輪在內(nèi)的非標(biāo)準(zhǔn)零部件生產(chǎn)的主流成熟生產(chǎn)方式。

    對定制化水泵而言，傳動的木模和金屬模并不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槠涓甙旱臅r(shí)間和金錢成本無法通過大批量生產(chǎn)來得到分?jǐn)?。消失模鑄造方式特別適用于定制化水泵殼體和葉輪的生產(chǎn)，其主要優(yōu)勢源于泡沫模具材料。泡沫相對成本較低并且可以通過全自動電腦雕刻機(jī)根據(jù)3D數(shù)字模型來方便地加工成模具。

【結(jié)論】

    根據(jù)用戶特定需求的大功率水泵定制化生產(chǎn)可以獲得最大的節(jié)能效果，這一方式將極富前景。數(shù)字樣機(jī)和消失模鑄造技術(shù)的靈活運(yùn)用可以極大地促進(jìn)水泵定制化開發(fā)過程并增強(qiáng)制造商在市場上的競爭力。