[摘 要] 介紹一種經(jīng)濟易行的逆向反求離心泵閉式葉輪的設(shè)計方法。利用中小型企業(yè)中常見的坐標床和Solidworks軟件，進行離心泵葉輪的坐標數(shù)據(jù)采集和模型重構(gòu)。通過實際應(yīng)用，驗證其方法的合理性和準確性。

[關(guān)鍵詞] 逆向設(shè)計；閉式葉輪；數(shù)據(jù)采集；模型重構(gòu)

[中圖分類號] TH122 [文獻標識碼] A

1 引言

逆向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是逆向?qū)ο蟮淖鴺藬?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)。逆向?qū)ο蟮淖鴺藬?shù)據(jù)測量是進行實物逆向設(shè)計的前提，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面不規(guī)則，尤其是含有內(nèi)腔復(fù)雜空間曲面的零件，比如離心泵的閉式葉輪，這是很困難的事情。

大部分測量設(shè)備，只能反映零件的外表面坐標數(shù)據(jù)，只有工業(yè)CT機既可以采集零件的外表面坐標，也可以采集零件的內(nèi)腔表面數(shù)據(jù)。但目前工業(yè)CT機價格非常昂貴，對中小型企業(yè)來說，也是難以實施的測量方法。

在長期的工作實踐中，摸索出了一種針對離心泵閉式葉輪的逆向設(shè)計方法，該方法僅需要一臺有三維坐標軸和帶刻度旋轉(zhuǎn)工作臺的機械加工設(shè)備（例如坐標鏜床或坐標銑床等），以及一些簡單的測量工具即可進行數(shù)據(jù)采集。而后再利用Solidworks軟件，對數(shù)據(jù)進行整理，重建模型。這種設(shè)備和工具，一般中小企業(yè)都可找到，所以說是一種經(jīng)濟易行的逆向設(shè)計方法。

2 閉式葉輪的坐標數(shù)據(jù)采集

葉輪是泵類產(chǎn)品的核心零件，主要由空間扭曲的葉片、前蓋板和后蓋板組成。泵的技術(shù)性能參數(shù)，如流量、揚程、效率、抗汽蝕能力等均與葉輪的水力設(shè)計有重要關(guān)系，尤其是葉輪葉片的型線決定了離心泵的水力性能，所以準確地采集葉片的坐標數(shù)據(jù)是葉輪逆向設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集所需設(shè)備和工具

本文所介紹的逆向設(shè)計方法，數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備是坐標床或坐標銑床等，只要有帶刻度的旋轉(zhuǎn)工作臺，橫向、縱向以及高度方向的行進標尺即可。

測量還需要的其他工具有：百分表、萬能電表、鋼絲探針、壓板、螺栓、螺母、中心定位頂尖等。

2.2 數(shù)據(jù)采集操作方法

為了保證采集數(shù)據(jù)的準確性，在測量前必須選擇一表面光滑、規(guī)則的葉片，清理、擦拭干凈，必要時在葉片表面的缺陷處涂上石膏或環(huán)氧樹脂，待干燥后用砂布打磨平整。

具體操作方法，如圖1：

2.2.1 將葉輪放置在測量設(shè)備的旋轉(zhuǎn)工作臺上。因為葉輪輪轂的內(nèi)圓與泵軸配合，加工精度很高，所以用葉輪輪轂內(nèi)圓為基準，百分表找正，保證葉輪的中心軸線與旋轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)中心一致。

2.2.2 用壓板、螺栓、螺母等工具，將葉輪固定在旋轉(zhuǎn)工作臺上。

2.2.3 選一長度適宜，直徑3 mm左右的鋼絲，一端在砂輪機上打磨成尖狀，做成探針，另一端固定在坐標鏜床的立軸上。探針的長短以及固定的位置等，以方便測量葉片的型線為宜。

2.2.4 將萬能電表的一個電極接在設(shè)備床身上，另一個電極接在立軸上。原理是只要探針的尖端輕輕接觸葉輪表面，便與設(shè)備床身形成一個電流回路，電表的指針即會擺動。也就是說，用電表指針的擺動來顯示探針是否接觸到零件。

2.2.5 按照葉片扭曲形狀，并兼顧葉輪的前、后蓋板，彎曲制成探針，使其可以順利穿過葉輪流道。并且在探針進出葉輪流道的過程中，只有探針的針尖可以接觸葉輪，而其他任何部位都不能接觸到零件。實際操作中，可以根據(jù)葉輪流道的形狀修整探針，再通過旋轉(zhuǎn)工作臺、縱向進給、橫向進給、高度進給各方向的同時調(diào)整，反復(fù)實驗，直到探針能適合進出葉輪流道。對流道較窄的離心泵葉輪來說，往往不能一次測量出一條完整的型線，這時可以分兩段，甚至三段，從葉輪的進口和出口分別測量。

2.2.6 將探針的針尖與葉輪中心的定位頂尖對齊，鎖緊橫向或縱向的進給坐標，同時記錄另一坐標的中心位置數(shù)值。這樣可以保證在其他幾個方向的運動中，探針一直在葉輪的直徑方向。

2.2.7 高度基準的選定，一般以葉輪輪轂端面為基準，讀取其在高度標尺上的數(shù)值并做好記錄，這便是葉輪高度坐標數(shù)據(jù)的基準值。

2.2.8 通過旋轉(zhuǎn)工作臺、縱向進給或橫向進給、高度進給各方向的同時調(diào)整，將探針探入流道內(nèi)。注意：探針不到測量點，不能接觸葉輪，保證其對中的位置不變。分5度或10度轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)工作臺，這樣相當(dāng)于通過葉輪中心線做一組軸面，在同一軸面上取幾個高度曲線，分別測出角度平面與高度曲線交點的坐標值，如圖2。這樣測得葉輪的柱面坐標值，即每一測量點的角度、半徑、高度數(shù)值。

2.2.9 用這樣的方法，分別測量葉輪的前蓋板、后蓋板曲線，葉片的工作面、非工作面型線坐標數(shù)據(jù)。在葉片的工作面和非工作面上，按照不同的高度分別測出至少3條型線，最好是工作面、非工作面分別與前蓋板、后蓋板的交線以及其中間曲線。測得型線越多，建造的模型越準確。

2.2.10 將測得的數(shù)據(jù)記錄在預(yù)先制成的表格中，此表格即是葉輪模型的重構(gòu)數(shù)值依據(jù)。

3 葉輪模型的重構(gòu)

3.1 測量數(shù)據(jù)的初步處理

由于系統(tǒng)誤差和隨機誤差的存在，尤其是本文介紹的這種簡易測量方法，難免存在誤差較大的數(shù)據(jù)點，也可能出現(xiàn)測量遺漏和數(shù)據(jù)重復(fù)等現(xiàn)象。通過三維建模軟件（如Solidworks）提供的各種視圖和編輯工具，可以從多個角度觀察原始型面數(shù)據(jù)，找出上述缺陷。對于誤差明顯偏大的數(shù)據(jù)點，需將其剔除，以免影響模型的精度。

3.2 建造葉輪模型

3.2.1 在三維設(shè)計軟件（如Solidworks）中，按樣條曲線的方式輸入采集的坐標數(shù)據(jù)。首先從多個角度觀察原始曲線，對特別突出的離散點予以剔除。其次用軟件的曲線編輯功能，如曲線擬合，曲率檢查等，對曲線進行修正。

3.2.2 前蓋板、后蓋板的曲線修正后，各自按葉輪軸心線為軸旋轉(zhuǎn)，生成前、后蓋板曲面。

3.2.3 葉片工作面上的各條曲線修正后，放樣生成葉片的工作面曲面；非工作面上的各條曲線修正后，生成葉片的非工作面曲面，如圖3。

3.2.4 將葉片的工作面和非工作面分別延伸到前蓋板和后蓋板，形成閉合的曲面空間，再用曲面縫合功能，形成葉片實體模型。

3.2.5 按圖2所示方法，以不同的角度平面和不同的高度平面切割葉片實體，所形成的葉片斷面都應(yīng)流線順滑，否則須重新修正曲線，重新生成曲面。

3.2.6 根據(jù)手工測量的數(shù)據(jù)，建造前、后蓋板實體。按實物葉輪葉片的數(shù)量，圓周陣列葉片。

至此，離心泵閉式葉輪的模型重構(gòu)完成。

4 設(shè)計驗證

葉輪的逆向設(shè)計完成后，應(yīng)該進行設(shè)計驗證。校驗重建模型是否與原件相符；按照該模型制造的葉輪是否可以滿足原水泵的技術(shù)參數(shù)。常用的設(shè)計驗證方法有三種：

4.1 計算驗證。利用Solidworks軟件的測量功能，在模型中測量影響葉輪水力性能的一些重要數(shù)據(jù)，比如：葉輪的進口寬度、出口寬度，葉片在進口、出口處的厚度，葉片的進、出口安放角等等。按照《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》中的有關(guān)方法和公式對上述關(guān)鍵參數(shù)進行計算校核，只有各參數(shù)都基本符合才能進行制造，如果有較大的偏差應(yīng)對所測量的結(jié)果進行重新驗證。

在Solidworks軟件中，將葉輪流道按5°或10°均分，通過葉輪中心作其軸向截面，測量每個截面上的流道面積，此面積應(yīng)變化均勻，并與上述計算結(jié)果基本相符。

4.2 分析驗證。利用流體分析軟件對重建的葉輪模型內(nèi)部流場進行分析，得出葉輪出口的液體流速和壓力，其結(jié)果應(yīng)與原水泵葉輪的性能參數(shù)相符。

4.3 實驗驗證。制作按一定比例縮小的實物葉輪，在水泵試驗臺上進行臺架式試驗，其水力性能參數(shù)應(yīng)與原水泵基本相符。

5 結(jié)論

葉輪逆向設(shè)計是一種對進口泵產(chǎn)品消化吸收和備件國產(chǎn)化的實用技術(shù)，可以克服進口泵葉輪備件價格昂貴、訂貨周期長的弊端，有利于國內(nèi)泵產(chǎn)品設(shè)計制造技術(shù)的提高。本文通過這種經(jīng)濟易行的逆向工程實用方法研究，利用中小型企業(yè)中常見的坐標床和Solidworks軟件，完成了離心泵閉式葉輪的逆向設(shè)計。經(jīng)過多次的實踐驗證，這種方法設(shè)計的離心泵與原泵的水利性能吻合，各項技術(shù)數(shù)據(jù)均可滿足使用要求。

參考文獻：

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