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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之一。為此，定制化開(kāi)發(fā)和快速響應先進(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)間及費用成本之間的平衡？這是水泵制造商們一直在探求的問(wèn)題。

    山水節能一致致力于以最優(yōu)的技術(shù)為各行各業(yè)的客戶(hù)提供流體系統節能裝備和服務(wù)，利用自身先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)制造技術(shù)與豐富的管理經(jīng)驗，實(shí)現了快速定制化開(kāi)發(fā)的可能，并為客戶(hù)提供穩定、高效的卓越產(chǎn)品。

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

【需求定義】

    首先，客戶(hù)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、輸送介質(zhì)性質(zhì)、應用場(chǎng)合、可靠性和環(huán)境友好性等。客戶(hù)需求應該由設計人員轉化為量化規格，因此設計人員有必要參與和客戶(hù)的商業(yè)會(huì )議，討論技術(shù)，商務(wù)和價(jià)格細節，并最終簽署合同。

【數字樣機】

    數字樣機是使用計算機技術(shù)建立機械產(chǎn)品及其子系統的數字模型。數字樣機通過(guò)三維模型將水泵的概念設計，模型迭代，驗證和可視化集成到一起并大幅度降低交互成本。同時(shí)，傳統的水泵開(kāi)發(fā)流程可進(jìn)化為“設計¾分析¾測試驗證¾制造”定制化流程。數字樣機的全部流程中，計算機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(mǎn)足客戶(hù)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(kāi)發(fā)周期中的第一個(gè)里程碑。水泵制造商應該收集整理盡可能多的現成水力模型，并從當前的水力模型庫中挑選和設計目標相同和相近比轉速的水力模型作為后續設計更改的基礎。通過(guò)相似性原理(對流量和揚程)和Moody公式(對效率)可以將原水力模型換算至目標模型。

    但簡(jiǎn)單的轉化并不足以完成最終設計?；谟邢摅w積法(FVM)的計算流體力學(xué)(CFD)手段被廣泛用于水泵的水力性能預測和水力模型優(yōu)化。大部分商業(yè)計算流體力學(xué)軟件程序使用數值計算程序來(lái)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(lái)得到質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程的封閉。水泵流動(dòng)區域通常以?xún)煞N不同的參考坐標系劃分為若干個(gè)域：旋轉坐標系用于葉輪區域，固定坐標系用于其他區域。邊界條件的設置應該結合定制化水泵的實(shí)際特征和設計人員的計算經(jīng)驗。通常，使用一系列逐漸變化的入口條件進(jìn)行計算以預測整個(gè)流量-揚程和流量-效率曲線(xiàn)。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測必需汽蝕余量(NPSHr)。

【結構設計】

    定制化水泵的結構設計通常包括三個(gè)方面的問(wèn)題，結構靜強度，密封，振動(dòng)和噪音。上述問(wèn)題應該在確定最終水力模型的基礎上使用計算機仿真的方法進(jìn)行考察。除了強度校核，結構仿真對定制化水泵開(kāi)發(fā)的意義更多的在于確定高安全區域以幫助水泵結構減重，這意味著(zhù)在滿(mǎn)足性能要求的情況下減少材料和鑄造成本。

♦ 靜強度

足夠的靜強度是結構安全的前提。結構變形通過(guò)載荷和約束條件來(lái)計算，進(jìn)而根據材料自身的應力-應變關(guān)系來(lái)獲得應力分布。水泵殼體的主要載荷來(lái)源于內部液體壓力，其大小取決于水泵揚程和進(jìn)口壓力。對于主軸，受力載荷可以歸結為軸向力和徑向力這兩大類(lèi)，二者的大小可以參考水泵水手冊進(jìn)行估計?？紤]到鑄造和加工缺陷，必須根據載荷水平制定一個(gè)安全系數，安全邊際應該由交易雙方根據制造商的制程能力和相關(guān)強制性規范共同制定。

♦ 疲勞分析

    主軸最常見(jiàn)的失效模式是疲勞失效，它將會(huì )引發(fā)斷軸等嚴重的后果。給定載荷下軸的旋轉次數可以通過(guò)泵軸材料的S/N曲線(xiàn)(應力-轉動(dòng)次數曲線(xiàn))來(lái)預測，而應力分布來(lái)源于靜強度分析結果。通常，轉動(dòng)次數應該大于10⁷。

♦ 結構動(dòng)力學(xué)分析

    泵組的振動(dòng)和噪聲來(lái)源于結構對動(dòng)態(tài)載荷的響應。模態(tài)分析是結構動(dòng)力學(xué)分析的第一步，可以計算響應頻率并提供后續計算的基本數據。轉子動(dòng)力學(xué)分析則是指導泵組減振的有效手段，它將轉子系統簡(jiǎn)化為軸線(xiàn)、旋轉質(zhì)點(diǎn)和軸承點(diǎn)組合。對定制化水泵，轉子動(dòng)力學(xué)分析可以幫助設計人員確定臨界轉速，研究軸的彎曲和振動(dòng)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)品的轉化。制造設計小組應該快速評估設計方案的可制造性和可裝配性以加快制造過(guò)程。

【消失模鑄造】

    雖然當前流行的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的非標準零部件生產(chǎn)的主流成熟生產(chǎn)方式。

    對定制化水泵而言，傳動(dòng)的木模和金屬模并不經(jīng)濟，因為其高昂的時(shí)間和金錢(qián)成本無(wú)法通過(guò)大批量生產(chǎn)來(lái)得到分攤。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(guò)全自動(dòng)電腦雕刻機根據3D數字模型來(lái)方便地加工成模具。

【結論】

    根據用戶(hù)特定需求的大功率水泵定制化生產(chǎn)可以獲得最大的節能效果，這一方式將極富前景。數字樣機和消失模鑄造技術(shù)的靈活運用可以極大地促進(jìn)水泵定制化開(kāi)發(fā)過(guò)程并增強制造商在市場(chǎng)上的競爭力。