韓 宇，彭 濤，胡毅鈞

（海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)第四軍事代表室，遼寧 沈陽 110179）

引言

水泵是社會(huì)生產(chǎn)生活中不可或缺的常用機(jī)械設(shè)備，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活質(zhì)量改善有著積極的推動(dòng)作用。長(zhǎng)期以來，我國(guó)通過積極引進(jìn)國(guó)外水泵先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，水泵設(shè)計(jì)與制造水平相較過去有大幅的提升，水泵制造技術(shù)呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢(shì)。然而和國(guó)外先進(jìn)的水泵設(shè)計(jì)制造水平相比，我國(guó)仍然相對(duì)偏低，研發(fā)周期長(zhǎng)，對(duì)既有經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)，還需要對(duì)水泵設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新保持高度重視，加大設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新投入力度，力爭(zhēng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

1 水泵制造業(yè)背景

水泵制造業(yè)是通用機(jī)械制造業(yè)的重要組成部分，目前國(guó)內(nèi)的水泵設(shè)計(jì)制造主要采用自主研發(fā)、聯(lián)合設(shè)計(jì)、技術(shù)引進(jìn)等多種形式，技術(shù)日益成熟。然而，國(guó)內(nèi)水泵設(shè)計(jì)制造在自主研發(fā)方面還存在一定短板，很多企業(yè)多是仿制或改進(jìn)市場(chǎng)上技術(shù)成熟的產(chǎn)品，技術(shù)創(chuàng)新有限，新材料、新工藝的使用缺乏突破，尚存在一定的進(jìn)步空間。近年來許多國(guó)外產(chǎn)品逐漸進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，在對(duì)國(guó)內(nèi)水泵設(shè)計(jì)制造企業(yè)造成沖擊的同時(shí)，也在很大程度上促進(jìn)了技術(shù)的升級(jí)和創(chuàng)新。只有不斷提升水泵設(shè)計(jì)與制造水平，才能在國(guó)際化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位，推動(dòng)我國(guó)水泵工業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

2 水泵設(shè)計(jì)制造存在的問題

2.1 技術(shù)問題

目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)在水泵設(shè)計(jì)制造過程中，依然采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法，水泵產(chǎn)品的技術(shù)含量不高。以節(jié)能技術(shù)為例，很多設(shè)計(jì)人員對(duì)水系節(jié)能方面知識(shí)缺乏了解，導(dǎo)致水泵產(chǎn)品節(jié)能水平較低。水泵的節(jié)能問題，不僅體現(xiàn)在水泵指標(biāo)值、閥門值等方面，還需要結(jié)合水泵產(chǎn)品的具體使用目的、環(huán)境來綜合考量，兼顧水泵自身性能的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。在節(jié)能方面，國(guó)內(nèi)水泵設(shè)計(jì)制造還有較長(zhǎng)的一段路要走。

2.2 材料問題

水泵產(chǎn)品需要使用健康、環(huán)保的材料，兼顧產(chǎn)品的性能、使用壽命等多方面因素。然而目前水泵設(shè)計(jì)制造往往側(cè)重于某些指標(biāo)而忽略了其他性能，比如追求性能好而選用不環(huán)保的材料，追求環(huán)保節(jié)能導(dǎo)致管道材料使用壽命短。水泵材料的選擇，直接關(guān)系到水泵產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命，關(guān)系到人民群眾的切實(shí)利益，還需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，全面考量，提升水泵產(chǎn)品的材料品質(zhì)。

2.3 生產(chǎn)問題

國(guó)家提出全面信息化，加速工業(yè)化、信息化二者的融合，在此背景下，水泵的制造企業(yè)對(duì)于ERP系統(tǒng)展開升級(jí)，使用LPM和Director6等系統(tǒng)[1]，但是在水泵制造方面，對(duì)于信息技術(shù)的應(yīng)用效率還相對(duì)較低，遠(yuǎn)程監(jiān)控和無線監(jiān)控等技術(shù)還沒有應(yīng)用在水泵的制造環(huán)節(jié)當(dāng)中，對(duì)于水泵制作過程和質(zhì)量控制等產(chǎn)生影響，使得國(guó)內(nèi)水泵制造企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品難以和國(guó)外同類企業(yè)相匹敵。

總的來說，國(guó)內(nèi)水泵設(shè)計(jì)制造存在的主要問題在于技術(shù)和材料兩個(gè)方面，提升水泵設(shè)計(jì)制造水平的首要任務(wù)在于提升技術(shù)含量，選用高質(zhì)量的新型環(huán)保材料，突出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)化設(shè)計(jì)、高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，努力研發(fā)高質(zhì)量水泵產(chǎn)品，提高泵效，降低成本，延長(zhǎng)水泵使用壽命，響應(yīng)國(guó)家提倡的節(jié)能減排目標(biāo)。

3 提升水泵設(shè)計(jì)制造水平的思路

提升水泵設(shè)計(jì)制造水平的關(guān)鍵在于技術(shù)創(chuàng)新，在水泵設(shè)計(jì)和制作當(dāng)中使用更多新的技術(shù)和材料?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，新技術(shù)開發(fā)具有難以估量的實(shí)際價(jià)值，水泵設(shè)計(jì)制造應(yīng)引入大容量計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù)、磁性軸技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，對(duì)汽蝕現(xiàn)象、雙方向水泵震動(dòng)特征和新材料等方面展開研究，積極應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)，積累科研成果，提升水泵設(shè)計(jì)技術(shù)含量水平，激發(fā)水泵制造潛能，有效控制水泵設(shè)計(jì)制造成本。

3.1 加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)

水泵設(shè)計(jì)水平的提升，依賴于現(xiàn)有的技術(shù)手段和完善的管理制度。一方面，企業(yè)應(yīng)圍繞水泵設(shè)計(jì)理念，積極引入先進(jìn)的高新技術(shù)，并加大自身的技術(shù)研究力度。不僅要對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行組合研究，研發(fā)出一套適合自己的技術(shù)體系，還要做好技術(shù)的應(yīng)用落實(shí)，使先進(jìn)的技術(shù)手段切實(shí)體現(xiàn)在水泵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程中。企業(yè)可以結(jié)合目標(biāo)用戶的實(shí)際需求，制定水泵產(chǎn)品的性能指標(biāo)和產(chǎn)品模型，從產(chǎn)品穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、使用壽命等方面綜合評(píng)價(jià)，選用最佳的技術(shù)方案，盡可能兼顧水泵產(chǎn)品的綜合性能，減少水源的浪費(fèi)，提高水泵使用效率和壽命。

另一方面，企業(yè)應(yīng)制定一套完善的管理制度，在水泵設(shè)計(jì)前期要做好規(guī)劃工作，對(duì)水泵設(shè)計(jì)人員進(jìn)行必要的知識(shí)培訓(xùn)，根據(jù)不同崗位的工作性質(zhì)和需求安排培訓(xùn)內(nèi)容，增強(qiáng)設(shè)計(jì)與制造人員的專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，有效約束和規(guī)范相關(guān)人員的工作行為。同時(shí)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)與制造部門的溝通合作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的整合性發(fā)展，確保各項(xiàng)工作按預(yù)期目標(biāo)順利達(dá)成。

3.2 選用優(yōu)質(zhì)材料

選用適合的材料是保證水泵產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。作為液體輸送工具，水泵及其管道設(shè)計(jì)必須慎重考慮選材問題，絕不能馬虎大意。水泵產(chǎn)品在日常生產(chǎn)生活中被頻繁的使用，需要經(jīng)受液體無數(shù)次的沖刷，選材好壞關(guān)系到使用壽命的長(zhǎng)短，必須確保自身封閉性良好，不會(huì)出現(xiàn)液體泄漏問題。同時(shí)，要具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，并足夠安全環(huán)保，不會(huì)為人體健康和自然環(huán)境造成危害。

以水泵管道材料為例，水泵管道材料選擇首先要考慮封閉性是否良好。管道需要靠管內(nèi)外壓力形成液體流通，只有滿足封閉性要求才能確保暢通流動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，還需要考慮管道材料的耐腐蝕性，是否能經(jīng)受液體經(jīng)年累月的沖刷。如果選用橡膠材料，雖然短期內(nèi)具有較好的抗腐蝕性表現(xiàn)，但長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)被液體腐蝕爛掉的問題，不僅影響水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還可能導(dǎo)致健康安全問題。因此，水泵設(shè)計(jì)制造需要借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的材料技術(shù)，研發(fā)出更好的水泵制造材料，提升水泵產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。

4 提升水泵設(shè)計(jì)制造水平的可行性措施

在水泵設(shè)計(jì)制造工作中，相關(guān)人員要努力提升自身的專業(yè)能力水平，拓寬視野，打開眼界，積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與技術(shù)，以及新設(shè)備、新材料，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、材料等方面的突破創(chuàng)新。目前，我國(guó)水泵設(shè)計(jì)制造性能提升可以在葉輪改造、三元流技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)等方面重點(diǎn)投資，不斷提升水泵設(shè)計(jì)的含金量和水泵制造的科學(xué)性。

4.1 加強(qiáng)水泵設(shè)計(jì)優(yōu)化

水泵設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)真考核設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可行性，確保設(shè)計(jì)方案達(dá)到最佳的效果。以葉輪設(shè)計(jì)為例，葉輪是水泵的心臟，葉輪設(shè)計(jì)對(duì)水泵產(chǎn)品質(zhì)量具有關(guān)鍵性的影響，高質(zhì)量的葉輪是水泵連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。如果水泵葉輪存在設(shè)計(jì)缺陷或質(zhì)量問題，必然導(dǎo)致水泵的運(yùn)行穩(wěn)定性大受影響。因此，做好水泵葉輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要。

在葉輪優(yōu)化方面，設(shè)計(jì)人員需要積極學(xué)習(xí)國(guó)外的成熟經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)手段，應(yīng)用科學(xué)的理念和技術(shù)武裝頭腦，才能切實(shí)提升水泵葉輪的設(shè)計(jì)水平。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)利用計(jì)算機(jī)建立葉輪模型，對(duì)葉輪模型中使用的新技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)試驗(yàn)，預(yù)判葉輪應(yīng)用新技術(shù)的成果。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)葉輪模型進(jìn)行不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，確保葉輪靈敏度、置信度等指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

這需要葉輪設(shè)計(jì)制造企業(yè)形成一套科學(xué)完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系，明確水泵葉輪等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程和操作規(guī)范，設(shè)計(jì)具有動(dòng)態(tài)性的設(shè)計(jì)體系，對(duì)水泵葉輪優(yōu)化等設(shè)計(jì)工作提出目標(biāo)要求，重視借助試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化，從而取得最佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，保證水泵葉輪等零部件質(zhì)量。

4.2 加強(qiáng)三元流技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

三元流動(dòng)理論早在20世紀(jì)70年代就已出現(xiàn)，吳仲華院士提出的這一理論能夠顯著提升水泵制造水平，推動(dòng)水泵設(shè)計(jì)制造技術(shù)的改造升級(jí)[2-3]。經(jīng)過幾十年的研發(fā)與應(yīng)用，三元流技術(shù)在水泵領(lǐng)域取得了輝煌的成就，理論技術(shù)日益成熟，西方發(fā)達(dá)國(guó)家也在這一技術(shù)領(lǐng)域投入了大量的資金和人力進(jìn)行研發(fā)。國(guó)內(nèi)水泵設(shè)計(jì)制造企業(yè)需要一直繃緊技術(shù)創(chuàng)新這根弦，保持三元流技術(shù)等方面的領(lǐng)先性，依靠技術(shù)創(chuàng)新提升水泵制造業(yè)水平。

在航空離心壓氣機(jī)中發(fā)現(xiàn)的“射流—尾跡”現(xiàn)象就具有很大的研究?jī)r(jià)值。目前對(duì)于尾跡計(jì)算缺乏準(zhǔn)確的方法，受黏性、壓力梯度影響，泵輪出口在前蓋板表面和葉片吸力面存在流體脫流，必須借助“射流—尾跡”三元流動(dòng)計(jì)算才能得出定量分析的結(jié)果。依靠這一技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)水泵產(chǎn)品的性能提升。水泵三元流葉輪改造就是借助三元流理論，對(duì)水泵內(nèi)水力部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在相同電機(jī)、泵體、管線條件下能夠有效提升流量和壓力，獲得更高的泵效。

設(shè)計(jì)的兩種水泵葉輪軸孔、密封環(huán)等參數(shù)一致，但三元流設(shè)計(jì)對(duì)葉輪葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過加寬葉片提升了流通能力，通過減小直徑增加了出口寬度，葉片進(jìn)口邊向來流進(jìn)口拓展可以降低進(jìn)口損失。兩種設(shè)計(jì)方案相比，三元流技術(shù)明顯具有更高的技術(shù)合理性，值得在水泵設(shè)計(jì)制造中推廣應(yīng)用[4]。

4.3 加強(qiáng)計(jì)算流體力學(xué)的研發(fā)與應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的普及應(yīng)用，在水泵設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為主流趨勢(shì)，可以借助各種輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行流體力學(xué)分析。在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行水泵流體力學(xué)計(jì)算分析時(shí)，采取基體參數(shù)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等方式，合理控制計(jì)算流體力學(xué)試驗(yàn)次數(shù)，不僅可以提升水泵設(shè)計(jì)效率，推進(jìn)水泵設(shè)計(jì)優(yōu)化水平，還可以對(duì)水泵設(shè)計(jì)制造成本進(jìn)行控制。

目前，流體力學(xué)軟件開發(fā)已經(jīng)越來越成熟，設(shè)計(jì)人員可以借助三維黏性數(shù)值模擬軟件，在低成本投入下對(duì)水泵流速等數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。在相關(guān)技術(shù)的研發(fā)方面，主要方向包括葉輪網(wǎng)生成技術(shù)和離心泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律研究。葉輪網(wǎng)技術(shù)需要對(duì)水泵流體數(shù)值進(jìn)行分析，通過合理劃分網(wǎng)格提升流體數(shù)值。而離心泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律研究，需要對(duì)離心泵流場(chǎng)進(jìn)行合理計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)水泵設(shè)計(jì)制造進(jìn)行改造，提升水泵設(shè)計(jì)效率，解決水泵制造和應(yīng)用中存在的一些困難，實(shí)現(xiàn)水泵技術(shù)的突破創(chuàng)新。

5 結(jié)語

水泵設(shè)計(jì)制造水平提升對(duì)于我國(guó)水泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。發(fā)達(dá)國(guó)家在水泵設(shè)計(jì)上追求機(jī)構(gòu)巧妙，設(shè)計(jì)思維靈活，重視水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與水泵材料選用，嚴(yán)格技術(shù)和材料標(biāo)準(zhǔn)，在水泵產(chǎn)品精細(xì)化方面有許多值得我們學(xué)習(xí)借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)廠商應(yīng)該堅(jiān)持獨(dú)立自主的設(shè)計(jì)意識(shí)，引進(jìn)大容量計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)手段，加強(qiáng)水泵葉輪的動(dòng)力特性和氣蝕現(xiàn)象研究，應(yīng)用磁性軸等技術(shù)優(yōu)化泵體性能，提升水泵產(chǎn)品質(zhì)量。