【正文】 （626） （627） （628） （629） （630） （631） （632） （633） 優(yōu)化方法結(jié)論建立數(shù)學(xué)模型時(shí)選取了影響泵性能比較大的6個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，并且充分考慮了流道的擴(kuò)散及穩(wěn)定性，這樣優(yōu)化結(jié)果比較好，保證了效率的提高，對(duì)離心泵的優(yōu)化進(jìn)行了探索，具有工程實(shí)用價(jià)值。本文主要對(duì)離心式水泵葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要運(yùn)用速度系數(shù)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)計(jì)算葉輪。由于葉片形狀比較復(fù)雜，制造不準(zhǔn)就要影響離心泵的性能。致謝本設(shè)計(jì)在導(dǎo)師郭仁寧教授的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇、方案論證到完成的過程當(dāng)中，自始至終都得到了導(dǎo)師郭仁寧教授的指導(dǎo)和幫助。該公司為我的課題研究提供了實(shí)驗(yàn)方面的條件和有關(guān)資料。JUNE 2002[14] 陳乃祥, 吳玉林．離心泵．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．180[15] 李世煌，葉片泵的非設(shè)計(jì)工況及其優(yōu)化設(shè)計(jì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[16] 李世煌，吳桐林. 水泵設(shè)計(jì)教程，機(jī)械工業(yè)出版社，附錄A 譯文（一）離心泵使用時(shí)的調(diào)節(jié)方式與能源耗損分析離心泵是廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)系統(tǒng)的一種通用流體機(jī)械。目前，離心泵的流量調(diào)節(jié)方式主要有調(diào)節(jié)閥控制、變速控制以及泵的并、串聯(lián)調(diào)節(jié)等。但是對(duì)于已經(jīng)工作的泵，改變泵結(jié)構(gòu)的方法不太方便，并且由于改變了泵的結(jié)構(gòu)，降低了泵的通用性，盡管它在某些時(shí)候調(diào)節(jié)流量經(jīng)濟(jì)方便[1]，在生產(chǎn)中也很少采用。缺點(diǎn)是改變泵的轉(zhuǎn)速需要有通過變頻技術(shù)來改變原動(dòng)機(jī)（通常是電動(dòng)機(jī)）的轉(zhuǎn)速，原理復(fù)雜，投資較大，且流量調(diào)節(jié)范圍小。由于離心泵的并、串聯(lián)操作目的在于提高壓頭或流量，在化工領(lǐng)域運(yùn)用不多，其能耗可以結(jié)合圖2進(jìn)行分析，方法基本相同。20%內(nèi)，且離心泵本身效率的變化不大。通過泵變速調(diào)節(jié)來減小流量還有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性。并進(jìn)一步將該模型應(yīng)用于泵的原理方案設(shè)計(jì)的一實(shí)例中，得到了一個(gè)較為完整的水泵原理設(shè)計(jì)流程，表明此模型具有可操作性、可重用性、可交換性等特點(diǎn)。為適應(yīng)泵的設(shè)計(jì)創(chuàng)新需要，有必要對(duì)水泵原理方案設(shè)計(jì)機(jī)理進(jìn)行研究，建立一個(gè)滿足水泵設(shè)計(jì)實(shí)際需要的建模方法。其工作步聚如圖1所示。 設(shè)計(jì)方法面向全過程的設(shè)計(jì)方法及模型基本可以分成三種［4］：(1)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模型，它代表著設(shè)計(jì)方法學(xué)的組裝創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段；(2)GDT(General Design Theory)模型，它能體現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)的創(chuàng)新思維過程(分解、映射、綜合)，代表著開環(huán)創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段；(3)逐步求精模型，它充分體現(xiàn)了人的創(chuàng)新思維模式：繼承中創(chuàng)新、反復(fù)迭代，代表著工程設(shè)計(jì)方法學(xué)的閉環(huán)控制創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段。方案設(shè)計(jì)中關(guān)鍵性的一步就是如何進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的功能分解。 泵設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)(泵設(shè)計(jì)的特點(diǎn))泵設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的過程，在設(shè)計(jì)中各種因素互相影響，使?jié)M足給定要求的水泵有不同的設(shè)計(jì)方案或結(jié)果，因此必須找到其中最優(yōu)的一個(gè)。根據(jù)校核結(jié)果對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后再次校核，如此循環(huán)直到得到較優(yōu)的結(jié)果。這表明所建立的模型應(yīng)是一個(gè)面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)。C)以及知識(shí)庫中與本領(lǐng)域的專家知識(shí)，在模型庫中搜索與其匹配的設(shè)計(jì)對(duì)象，創(chuàng)建該設(shè)計(jì)對(duì)象的一個(gè)實(shí)例Oi并將其添加到設(shè)計(jì)模型SKG中，若無匹配的設(shè)計(jì)對(duì)象，則基于知識(shí)推理創(chuàng)建一個(gè)新的滿足要求的對(duì)象。C；對(duì)設(shè)計(jì)模型的要求、存在的條件以及其重要性的權(quán)重。對(duì)于功能實(shí)體對(duì)象，其本身是一設(shè)計(jì)模型S，該模型的構(gòu)成將遞歸調(diào)用圖3的模型算法。(3)函數(shù)約束：面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫中的操作函數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)件庫中選型函數(shù)。設(shè)計(jì)關(guān)系對(duì)象構(gòu)成的評(píng)判層與評(píng)價(jià)規(guī)劃(E)及要求與約束(Ramp。從本文所給出的原理方案模型出發(fā)，可建立設(shè)計(jì)實(shí)體對(duì)象與裝配實(shí)體對(duì)象、設(shè)計(jì)關(guān)系對(duì)象和裝配關(guān)系對(duì)象的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。4 泵原理方案設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例基于上述的原理方案設(shè)計(jì)模型，將該模型應(yīng)用于具體的水泵原理方案設(shè)計(jì)，得到其部分設(shè)計(jì)流程如圖4所示。即各個(gè)功能實(shí)體對(duì)象組成及功能關(guān)系對(duì)象。從能量流的觀點(diǎn)出發(fā)，泵的核心功能將能量傳遞給流體，其可由調(diào)節(jié)輸入能量的大小、將輸入能量轉(zhuǎn)換為能量傳遞中所需的能量形式和能量傳遞給流體及能量隨流體導(dǎo)出四個(gè)子行為來完成。各功能對(duì)象之間的關(guān)系如圖5所示。如果模型庫中存在相應(yīng)的作用原理對(duì)象，則生成該原理對(duì)象的一個(gè)實(shí)例加入到當(dāng)前的設(shè)計(jì)模型S中。圖5 泵功能分解及結(jié)構(gòu)(4)假設(shè)所選擇的作用原理對(duì)象為升力，則以升力原理為當(dāng)前設(shè)計(jì)模型S，搜索模型庫得到與其對(duì)應(yīng)的原理結(jié)構(gòu)模型：軸流式葉輪原型。(7)協(xié)調(diào)各個(gè)功能的原理結(jié)構(gòu)解之間的關(guān)系，如圖4所示中為能量轉(zhuǎn)換的原理解與能量傳遞的原理解之間的制約關(guān)系，通過協(xié)同求精確定各個(gè)功能實(shí)體的結(jié)構(gòu)解。很明顯，以上給出例子所得出的原理解不是唯一的，根據(jù)模型庫和知識(shí)庫中等構(gòu)成的不同，設(shè)計(jì)者給出的判斷不同，得到的解是不一樣的。該模型有效地應(yīng)用于實(shí)例中，表明本模型具有相當(dāng)?shù)目刹僮餍浴?3)可交換性。以原理方案設(shè)計(jì)本身來說，現(xiàn)正處于起步和發(fā)展階段，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中的熱點(diǎn)和前沿問題。(3)本文提出的模型基本滿足了泵原理方案設(shè)計(jì)模型中兩個(gè)要求并具有可操作性、可重用性、可交換性等特點(diǎn)。本文只是在這一方面進(jìn)行了初步研究，并得到以下結(jié)論：(1)為了提高泵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，有必要利用先進(jìn)的CAD產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)方法，建立泵原理設(shè)計(jì)方案模型。如能量傳遞的解就可能有張力、離心力、升力、電磁力等幾種通過做功實(shí)現(xiàn)能量傳遞的原理對(duì)象，為設(shè)計(jì)提供了多種選擇。面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷胧沟玫降母鱾€(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象可以在不同的產(chǎn)品中應(yīng)用。同時(shí)從模型本身框架和從實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)模型具有以下特點(diǎn)：(1)可操作性。從總的要求和約束Ramp。并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果逐層修改求精。由此可得張力、離心力、升力、電磁力等原理對(duì)象。圖4 泵原理方案設(shè)計(jì)流程(部分)(3)以各個(gè)設(shè)計(jì)功能對(duì)象為設(shè)計(jì)模S，進(jìn)行第二層設(shè)計(jì)，在條件滿足的情況下(如“能量轉(zhuǎn)換”的求解需要“能量傳遞”求解結(jié)果)可以并行進(jìn)行設(shè)計(jì)。測量輸出量、比較設(shè)定值與測量值、調(diào)節(jié)和控制等行為可完成信息流所需功能。用FBS方法對(duì)功能進(jìn)行分解。(2)以泵的設(shè)計(jì)模型為當(dāng)前設(shè)計(jì)模型S。從以上分析可見，本原理方案設(shè)計(jì)模型考慮了設(shè)計(jì)中各種因素互相影響和相互獨(dú)立的特點(diǎn)，以及工程設(shè)計(jì)中大量存在的問題求解策略的調(diào)整概念，即先產(chǎn)生一個(gè)不費(fèi)事的有錯(cuò)誤的解，然后再修改它，使它逐步與精確解逼近(實(shí)踐證明這種做法一般比堅(jiān)持要求第一個(gè)解就完全沒有缺陷的做法有效得多)，融合了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和逐步求精模型閉環(huán)設(shè)計(jì)思想，使泵設(shè)計(jì)的自身特點(diǎn)對(duì)其原理方案設(shè)計(jì)模型所提出的兩個(gè)要求得到滿足。 與后續(xù)設(shè)計(jì)的接口原理方案設(shè)計(jì)的后續(xù)步驟為詳細(xì)設(shè)計(jì)，即確定各個(gè)零件或組件的形狀、尺寸、材料要素，進(jìn)而得到各個(gè)零件的詳細(xì)描述，同時(shí)還需確定各個(gè)組件(零件)間的關(guān)系，當(dāng)某一組件(零件)的涉及其他組件(零件)的要素變動(dòng)時(shí)，能將此變動(dòng)擴(kuò)展到各個(gè)零件［9］。對(duì)于設(shè)計(jì)關(guān)系對(duì)象則不進(jìn)行遞歸求解調(diào)用，其本身構(gòu)成評(píng)判層，主要作用為在遞歸回溯時(shí)，對(duì)解進(jìn)行測試和評(píng)判。功能實(shí)體對(duì)象的遞歸求解可以并行。 設(shè)計(jì)實(shí)體對(duì)象E0設(shè)計(jì)實(shí)體對(duì)象E0i與要求與約束中的Ri相匹配。 要求和約束R amp。具體模型描述如圖2所示：圖2 原理方案設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)圖在模型中各個(gè)模塊的具體功能為： 設(shè)計(jì)模型S設(shè)計(jì)模型S表示要設(shè)計(jì)的目標(biāo)對(duì)象，它可以由一個(gè)或幾個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象組成，其中包括設(shè)計(jì)實(shí)體對(duì)象(E0)和設(shè)計(jì)關(guān)系對(duì)象(R0)，其中實(shí)體對(duì)象可以是功能實(shí)體或結(jié)構(gòu)實(shí)體。隨著成組技術(shù)的廣泛應(yīng)用，泵設(shè)計(jì)制造正趨向于模塊化，以提高零件(組件)通用性和重用性，從而降低設(shè)計(jì)制造成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。從流體機(jī)械的角度看，流體機(jī)械的反問題是當(dāng)今流體力學(xué)領(lǐng)域的難題之一。對(duì)這方面的研究，焦點(diǎn)主要集中在功能分解的依據(jù)上，有兩種方法比較典型：一種以Robert Hsturges為代表，以價(jià)值工程理論(VE)為背景，采用功能分解，稱為功能邏輯分解方法；另一種以Yasushi Umeda為代表，以人的認(rèn)知模型為背景，采用行為分解，稱為Fuction Behavior State(FBS)方法［5］。它的最大優(yōu)點(diǎn)是存在解的評(píng)價(jià)層，允許對(duì)解進(jìn)行反饋控制，進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化。其中包括面向全過程的設(shè)計(jì)方法和對(duì)于方案設(shè)計(jì)過程中特定的設(shè)計(jì)方法。2 模型設(shè)計(jì)方法方案設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中，在闡明任務(wù)要求后，通過抽象化認(rèn)識(shí)本質(zhì)問題，建立功能結(jié)構(gòu)，通過尋求合適的作用原理并將其組合成作用結(jié)構(gòu)，從面確定原理解(原理方案)［2］。CAD的發(fā)展趨勢是不僅支持面向零件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，更重要的是支持概念設(shè)計(jì)與方案設(shè)計(jì)等“上游”設(shè)計(jì)，即是設(shè)計(jì)過程中最主要的創(chuàng)造性階段［1］。（二）泵在CAD中的原理方案設(shè)計(jì)模型論文摘要：在詳細(xì)分析泵行業(yè)中CAD狀況的基礎(chǔ)上，闡述了建立水泵原理方案設(shè)計(jì)模型的必要性。 能耗對(duì)比分析3 結(jié)論對(duì)于目前離心泵通用的出口閥門調(diào)節(jié)和泵變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)兩種主要流量調(diào)節(jié)方式，泵變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)節(jié)約的能耗比出口閥門調(diào)節(jié)大得多，這點(diǎn)可以從兩者的功耗分析和功耗對(duì)比分析看出。當(dāng)用閥門調(diào)節(jié)流量從到，在工作點(diǎn)消耗的軸功率為：——實(shí)際有用功率，；——閥門上損耗得功率，；——離心泵損失的功率。用兩臺(tái)相同型號(hào)的離心泵并聯(lián)，雖然壓頭變化不大，但加大了總的輸送流量，并聯(lián)泵的總效率與單臺(tái)泵的效率相同；離心泵串聯(lián)時(shí)總的壓頭增大，流量變化不大，串聯(lián)泵的總效率與單臺(tái)泵效率相同。從圖1中分析，當(dāng)改變泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量從Q1下降到Q2時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速（或電機(jī)轉(zhuǎn)速）從n1下降到n2，轉(zhuǎn)速為n2下泵的特性曲線QH與管路特性曲線He=H0+G1Qe2（管路特曲線不變化）交于點(diǎn)A3(Q2，H3)，點(diǎn)A3為通過調(diào)速調(diào)節(jié)流量后新的工作點(diǎn)。1 泵流量調(diào)節(jié)的主要方式 改變管路特性曲線改變離心泵流量最簡單的方法就是利用泵出口閥門的開度來控制，其實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線的位置來改變泵的工作點(diǎn)。通常，所選離心泵的流量、壓頭可能會(huì)和管路中要求的不一致，或由于生產(chǎn)任務(wù)、工藝要求發(fā)生變化，此時(shí)都要求對(duì)泵進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)是改變離心泵的工作點(diǎn)。我要特別感謝我的父母，感謝他們在我讀大學(xué)期間所給予我的支持和鼓勵(lì)，使我能夠坦然地面對(duì)一些挫折和心理上的陰影，最終順利地完成了論文。在此向?qū)煴硎旧钌畹母兄x和崇高的敬意。通過計(jì)算葉輪的強(qiáng)度也要滿足設(shè)計(jì)要求，在達(dá)到強(qiáng)度及尺寸要求時(shí)，對(duì)葉輪的技術(shù)也有一定的要求。除此之外，在設(shè)計(jì)當(dāng)中為了得到更加完美的葉輪結(jié)構(gòu)，必須對(duì)葉輪的葉片數(shù)Z和葉片的厚度精確計(jì)算。7 結(jié)論葉輪機(jī)械主要的能量轉(zhuǎn)換是在葉輪中完成的，因此設(shè)計(jì)高效率的葉輪對(duì)離心泵的節(jié)能降耗有重要意義。 約束條件本設(shè)計(jì)主要目的是提高效率，所以；由得 （67）圖61 葉輪設(shè)計(jì)變量參數(shù)示意圖 The leaf39。 數(shù)字模型的建立 目標(biāo)函數(shù)本設(shè)計(jì)以泵的效率最高即損失最小為目標(biāo)函數(shù)，葉輪能量損失主要包括圓盤能量損失 、泄漏損失 、水力損失，其數(shù)字模型分別為 ：1）圓盤能量損失 （61）：加速度；：液體密度；：葉輪出口圓周速度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全世界范圍內(nèi)，泵的總功率約占總發(fā)電量的三分之一。可以從前、后蓋板上的切去多余的金屬，但切削部分應(yīng)與圓盤平滑相接。因此，必須把加工好的葉輪作靜平衡，以消除不平衡重量。離心泵性能與葉輪設(shè)計(jì)和制造（鑄造和加工）的好壞密切相關(guān)。我們認(rèn)為此種測繪方法，在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備條件下，不需進(jìn)行任何投資，就能較準(zhǔn)確地測繪出葉輪葉片的形狀。比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，一般用圓柱形葉片；比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，一般用扭曲葉片。作過流斷面面積隨流道中線長度的變化曲線，如圖44。 葉輪平面投影圖流道的檢查對(duì)葉輪平面投影圖的流道也應(yīng)該進(jìn)行核算，如圖44。11）以點(diǎn)為圓心、以為半徑作弧，此弧必通過點(diǎn)。8） 作半徑線，使，并與圓交于點(diǎn)。圖43 圓柱形葉片葉輪的繪型 Cylinder form leaf slice leaf39。用一個(gè)圓弧畫的葉片較短、流道擴(kuò)散情況也不如用幾個(gè)圓弧畫成的葉片好，現(xiàn)以用兩個(gè)圓弧畫葉片的方法為例，作圖步驟如下：1） 作葉輪的=250和=100。高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，可過點(diǎn)（點(diǎn)在前蓋板輪廓線上，徑向尺寸可等于或略大于葉輪入口直徑，如圖42）作線，使線的延長線與軸線的夾角（混流泵可?。?。7）以線上相應(yīng)的點(diǎn)為圓心，以為半徑作圓，使之與與葉輪后蓋板輪廓線相切。4）以適當(dāng)半徑作圓弧，使之與直線和相切，即得葉輪后蓋板的初步輪廓線。作軸面投影圖的步驟如下：1） 取，作軸心線的平行線（圖42）。例如圖41 b 中的a點(diǎn)本來不在軸面上，但是以點(diǎn)為圓心，以為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將a點(diǎn)投影到面上，得點(diǎn)；同理c點(diǎn)本來也不在軸面上，但是以點(diǎn)為圓心，為半徑旋轉(zhuǎn)，即可將c點(diǎn)投影到面上，得點(diǎn)。目前常用的繪型方法有：圓柱形葉片葉輪繪型法和保角變換繪型法。由離心力所引起的變形小于最小的配合公盈。大型鍋爐給水泵和熱油泵等產(chǎn)品，葉輪和軸是靜配合。大泵的葉片厚度要適當(dāng)加厚一些，這樣對(duì)延長葉輪壽命有好處。由表32知，可選葉輪蓋板厚度為5。在計(jì)算時(shí)，可