蔣雄強(qiáng)

（南方泵業(yè)股份有限公司，浙江 杭州 310000）

水泵是應(yīng)用最廣的通用機(jī)械，與人們的生活息息相關(guān)，但又是耗電耗能大戶，每年要消耗全球約10%的能源，因而提高泵本身的效率和泵的使用效率對(duì)節(jié)約能源至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)水泵目前在質(zhì)量上與國(guó)外同類產(chǎn)品仍存在著不小的差距。隨著生產(chǎn)、生活和科技水平的不斷提高，要求泵具有較高的綜合性能，然而綜合性能較高的泵在我國(guó)尚屬空白，主要依靠進(jìn)口，這樣使得國(guó)內(nèi)很多企業(yè)只能用不夠理想的泵維持生產(chǎn)，這樣既限制了工業(yè)水平的提升，又造成了能源的浪費(fèi)，這種差距直接削弱了國(guó)內(nèi)水泵產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，一般國(guó)內(nèi)水泵設(shè)備的價(jià)格只有同類進(jìn)口設(shè)備的50%左右，而備品配件的價(jià)格差異更大。國(guó)內(nèi)廠商要提高自身的生產(chǎn)力與競(jìng)爭(zhēng)力，首要任務(wù)就是在提高水泵效率上做文章，而水泵存在機(jī)械損失、容積損失、水力損失，降低容積及水力損失需要設(shè)計(jì)從業(yè)人員擁有豐富的水泵理論基礎(chǔ)進(jìn)行大量的模擬分析及計(jì)算，機(jī)械損失可以較簡(jiǎn)單地借鑒國(guó)外同類產(chǎn)品的尺寸配合公差、過(guò)流部件中的沿程損失等設(shè)計(jì)。

1 性能模擬分析

2019 年南方泵業(yè)股份有限公司研究院產(chǎn)品部在對(duì)格蘭富水泵進(jìn)行常規(guī)的競(jìng)品分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉輪葉片的進(jìn)水口處均做了葉片刃口處理。離心泵是指靠葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來(lái)輸送液體的一種葉片泵，依靠旋轉(zhuǎn)的葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于葉片和液體的相互作用，葉片將機(jī)械能傳給液體，使液體的壓力能增加，達(dá)到輸送液體的目的，即是利用葉輪旋轉(zhuǎn)而使水發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)來(lái)工作的。其中，葉輪是水泵的核心部件，是工作效率的主要影響因素，推測(cè)其設(shè)計(jì)的初衷為增強(qiáng)進(jìn)口過(guò)流能力，改善汽蝕，減少水利損失，提高效率，即降低流體在葉輪的沿程損失。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及軟件技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）與理論分析和實(shí)驗(yàn)研究一起成為流體機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)研究的三種主要手段[1]。工程實(shí)踐證明，采用CFD 技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)離心泵的揚(yáng)程和效率，并且能夠描述水泵流道內(nèi)部的大尺度流道結(jié)構(gòu)。為了探究刃口設(shè)計(jì)的具體優(yōu)勢(shì)及水力性能的提升量，以型號(hào)CDM125-3 為原型機(jī)，依托深度合作的西班牙設(shè)計(jì)公司，運(yùn)用CFD 水力模擬分析軟件進(jìn)行模擬水力測(cè)算，模擬數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 模擬分析數(shù)據(jù)表

通過(guò)模擬分析，同等條件下刃口葉輪的泵效率預(yù)計(jì)提升1%~3%。

為了驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，故采用3D 打印葉輪進(jìn)行原型機(jī)測(cè)試。3D 打印即快速成型技術(shù)的一種[2]，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。借助3D 打印技術(shù)，制造產(chǎn)品不再需要設(shè)計(jì)或制造昂貴的模具，設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意可以直接通過(guò)3D 打印機(jī)成為現(xiàn)實(shí)，極大地減少了成本和時(shí)間，本次采用進(jìn)口樹脂，打印精度等級(jí)為100 mm±0.1，進(jìn)行葉輪的3D 打印測(cè)試，樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

考慮打印葉輪的流道粗糙度較差，葉輪表面粗糙度Ra實(shí)際測(cè)量值為1.6，按照以往生產(chǎn)工藝經(jīng)驗(yàn)，不銹鋼板的表面粗糙度Ra值僅為0.2，沖壓件葉輪的流道粗糙度更好，水力性能更優(yōu)，決定直接開(kāi)展工業(yè)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行樣機(jī)的制作。

2 工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 葉片工藝分析驗(yàn)證

現(xiàn)有多級(jí)離心泵葉輪葉片前后端為直角邊，為取得刃口葉輪葉片可采用兩種加工工藝模式，方案一為焊接葉輪數(shù)控加工，方案二為單葉片沖壓成型過(guò)程中的刃口壓扁化，對(duì)兩種方案進(jìn)行了QCD（質(zhì)量、成本、交付期）分析[3]，初步評(píng)估對(duì)比后優(yōu)選方案二。

2.2 可行性分析驗(yàn)證

沖壓模具采用簡(jiǎn)單沖裁模，因CDM125 葉片為雙曲面設(shè)計(jì)，葉片為過(guò)流部件，對(duì)工作面的尺寸要求高，故需采用導(dǎo)柱式簡(jiǎn)單沖裁模，模具準(zhǔn)確可靠，能保證沖裁間隙的均勻，沖裁的工件精度較高，模具使用壽命長(zhǎng)，而且在沖床上安裝使用方便。

對(duì)方案二單葉片沖壓成型刃口化展開(kāi)驗(yàn)證，根據(jù)現(xiàn)有葉片的沖壓工藝流程：a.剪板→b.落料→c.成型三道工序進(jìn)行可行性分析，存在壓扁工序的工藝流程布局選擇問(wèn)題，因分析CDM125 葉輪葉片為雙曲面扭轉(zhuǎn)葉片且考慮到?jīng)_壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不可避免的回彈，成型后進(jìn)行葉片壓扁刃口化屬于沖壓的二次成型。雖然二次成型時(shí)會(huì)使葉輪葉片的最終形態(tài)更加穩(wěn)定，但是對(duì)壓扁模具的加工精度及定位設(shè)計(jì)要求更高，考慮工廠現(xiàn)有的生產(chǎn)模式及成本投入，經(jīng)研討及評(píng)審決定優(yōu)選落料后進(jìn)行葉片壓扁。

2.3 焊接定位分析驗(yàn)證

葉輪焊接工藝流程：葉片定位→后蓋壓緊定位→焊接，焊接工裝的定位設(shè)計(jì)涉及出水口高度、葉片內(nèi)外徑等重要過(guò)流部件的尺寸，考慮到葉片一端已經(jīng)壓扁刃口化無(wú)法進(jìn)行有效的定位，需對(duì)焊接工裝重新進(jìn)行定位分析，原則上采用321 定位法則[4]來(lái)確認(rèn)焊接工裝的定位設(shè)計(jì)是否合理。因葉輪葉片為扭曲葉片且需考慮焊接作業(yè)時(shí)的裝卸效率，故葉片擺放無(wú)法定位精準(zhǔn)，對(duì)后蓋板壓緊工序進(jìn)行定位補(bǔ)償，原有工裝增加葉片外徑及出水高度限位尺寸定位。

焊接工藝是葉輪成型的最終工藝，焊接前首先要選取合適的焊接方法，這關(guān)系到焊接后葉輪的表面質(zhì)量、流道光滑度及焊接位置的強(qiáng)度。制作不銹鋼沖壓泵葉片所用的不銹鋼板的厚度較小，焊接時(shí)容易產(chǎn)生變形，為了使葉片焊接設(shè)計(jì)一致性高，需考慮焊接過(guò)程變量。因葉片設(shè)計(jì)雙曲面與蓋板貼合，弧形貼合一致性要求高，當(dāng)葉輪葉片與后蓋板間存在間隙時(shí)，葉輪內(nèi)易形成二次回流，造成泵內(nèi)較大的水力損失，且間隙值越大，水力損失也越大。隨著葉輪葉片與后蓋板間間隙值的增大，葉輪出口到導(dǎo)葉出口的整體靜壓值不斷下降，葉輪的增壓作用下降，沖壓泵的單級(jí)揚(yáng)程和效率急劇下降。當(dāng)間隙值為1 mm左右時(shí)，揚(yáng)程和效率下降幅度最大，所以應(yīng)提高沖壓成型的精度，減小焊接間隙或采用激光焊接代替點(diǎn)焊接。采用激光的方式進(jìn)行熔接焊接，焊接成品的精度要求高，需選擇合適的工藝參數(shù)，如功率密度、激光脈沖波形、離焦量、焊接速度等[5]，且考慮到葉片分布結(jié)構(gòu)需保持對(duì)稱，應(yīng)選擇對(duì)稱焊法，焊縫相對(duì)集中，可通過(guò)跳焊法來(lái)解決集中受熱的問(wèn)題，長(zhǎng)焊縫的長(zhǎng)度超過(guò)80 mm，選擇分段焊接的方式，保證葉輪焊接成品的一致性。

321 定位法則簡(jiǎn)單說(shuō)明即是6 點(diǎn)定位，3 點(diǎn)定平面（如XY平面），2點(diǎn)定線（如X軸），1點(diǎn)定點(diǎn)（如原點(diǎn)）。定了XY平面，再定X軸，則可確定Y軸，Z軸自動(dòng)確定，再定原點(diǎn)（X、Y、Z軸的O點(diǎn)），即可確定坐標(biāo)系。

3 工業(yè)化設(shè)計(jì)

3.1 葉片沖壓開(kāi)模

葉輪葉片成型過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生沖壓回彈[6]，指不銹鋼板料在力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)壓力釋放時(shí)所產(chǎn)生的還原或近還原狀態(tài)的物理變化。當(dāng)代汽車和現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)都表明，模具的設(shè)計(jì)制造離不開(kāi)有效的板成形模擬軟件，開(kāi)發(fā)與模具制造都要借助于一種或幾種板成形模擬軟件來(lái)提高其成功率和確保模具制造周期。本次葉片沖壓開(kāi)模運(yùn)用AutoForm 軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[7]，其不需要大的硬件投資及資深模擬分析專家，高質(zhì)量的結(jié)果亦能很快用來(lái)評(píng)估，在縮短產(chǎn)品和模具的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證時(shí)間、降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和模具成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量上效果顯著，為沖壓成型的評(píng)估提供了量的概念，其偏移功能很快地從凸模（或凹模）生成凹模（或凸模），更能很方便地定義修邊輪廓等功能曲線。

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，因板料的厚薄不一，工廠內(nèi)部不銹鋼鋼板偏差達(dá)到了0.1 mm 的偏差，以理論設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行初次沖壓生產(chǎn)，根據(jù)葉輪葉片的掃描結(jié)果進(jìn)行修模微調(diào)，保證葉片成品尺寸與設(shè)計(jì)要求偏差﹤0.2 mm。

3.2 葉片展開(kāi)圖修改

葉片的展開(kāi)圖分為兩種情況：如果是直葉片，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，用投影法就能完成；而本次驗(yàn)證的葉片為扭曲葉片，運(yùn)用UG 及SolidWorks 軟件對(duì)三維葉片進(jìn)行展開(kāi)圖的繪制。因沖壓過(guò)程中板料的厚薄不一，其延伸狀態(tài)不穩(wěn)定，葉片在進(jìn)行彎曲時(shí)，材料同時(shí)發(fā)生彈性變形與塑性變形，很難獲取準(zhǔn)確的葉片形狀，導(dǎo)致葉片成型后與后蓋板為點(diǎn)線式分段接觸。如果葉片與后蓋板存在間隙，葉輪內(nèi)容易形成二次回流，造成泵內(nèi)較大的水力損失，其設(shè)計(jì)要求葉輪葉片與后蓋板為連續(xù)面接觸，除了靠模具來(lái)保證外，可通過(guò)紅丹法確認(rèn)接觸位置，通過(guò)反復(fù)對(duì)比修改，完成葉片展開(kāi)圖的定型。

3.3 激光焊接調(diào)試

激光從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始在焊接領(lǐng)域得到應(yīng)用，最初在航天航空及汽車領(lǐng)域應(yīng)用較多。近年來(lái)，國(guó)外一些大型水泵生產(chǎn)公司開(kāi)始把激光焊接應(yīng)用到水泵生產(chǎn)中，并取得了良好的效果，運(yùn)用Fanuc 焊接機(jī)器人編程軟件對(duì)已定位葉片進(jìn)行激光走徑初步的繪制，對(duì)其實(shí)施焊接后，需根據(jù)焊接結(jié)果人為調(diào)整工藝參數(shù)及激光走徑。

4 測(cè)試對(duì)比

4.1 尺寸量測(cè)

同批次板材以壓扁工序?yàn)槲ㄒ蛔兞窟M(jìn)行葉片沖壓及葉輪焊接，量測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 葉輪量測(cè)數(shù)據(jù)表

量測(cè)數(shù)據(jù)符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，且常規(guī)葉輪與刃口葉輪尺寸誤差小，葉片壓扁對(duì)整體葉輪組焊成型影響小。

4.2 掃描分析

常規(guī)尺寸量測(cè)無(wú)法探測(cè)葉輪內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、葉片弧形及出水口角度等，采用三維掃描進(jìn)行再次分析。因焊接工裝為同一個(gè)且尺寸量測(cè)分析誤差小，故只掃描刃口葉輪半成品，運(yùn)用Geomagic 軟件[8]進(jìn)行設(shè)計(jì)尺寸確認(rèn)。

4.2.1 葉片弧形

沖壓泵的葉輪葉片分為兩種：直葉片和扭曲葉片，在額定流量較小時(shí)大多設(shè)計(jì)成直葉片，在額定流量較大時(shí)一般設(shè)計(jì)成扭曲葉片，扭曲葉片相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)水泵的性能影響大，成型困難且檢測(cè)難度高。

4.2.2 出水口角度

葉片出口角度是離心泵葉輪的重要幾何參數(shù)之一，對(duì)泵的揚(yáng)程、效率以及性能曲線形狀等都有比較重要的影響[9]。

掃描結(jié)果分析葉片弧形偏差﹤0.1 mm，出水口角度偏差﹤1.5°，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

4.3 裝配一致性分析

裝配過(guò)程中，只進(jìn)行變量葉輪的更換，不涉及其他零件的一致性要求，但是需要管控裝配過(guò)程中部分參數(shù)：1）葉輪的軸向高度，增加泵軸定位工裝，保證葉輪裝配過(guò)程中的軸向位置偏移﹤0.1 mm；2）增加定扭數(shù)顯扳手，規(guī)范葉輪螺母、拉帶及拉桿的鎖付扭力值，提高裝配過(guò)程一致性。

4.4 測(cè)試對(duì)比

經(jīng)尺寸量測(cè)及掃描分析，確認(rèn)常規(guī)葉輪與刃口葉輪除葉片壓扁刃口化外，其余零部件尺寸均在合格范圍內(nèi)且誤差小，可進(jìn)行單因素變量測(cè)試對(duì)比分析，性能測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證確認(rèn)了刃口化葉片對(duì)水泵的水力性能有良好的提升作用，滿足同等條件下刃口葉輪的泵效率預(yù)計(jì)提升1%~3%的模擬。

4.5 測(cè)試誤差分析

能量性能試驗(yàn)和汽蝕性能試驗(yàn)是水泵性能測(cè)試中最基本也最重要的兩個(gè)試驗(yàn)。能量性能試驗(yàn)是為了確定泵的揚(yáng)程、軸功率、效率與流量之間的關(guān)系；汽蝕性能試驗(yàn)主要是為了確定泵的汽蝕余量。測(cè)試臺(tái)因溫度、水質(zhì)及電纜損耗等一些原因，可能存在測(cè)試誤差，為了能更好地確認(rèn)測(cè)試臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)對(duì)比公司內(nèi)部量產(chǎn)成熟產(chǎn)品的復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，測(cè)試臺(tái)測(cè)試結(jié)果的誤差基本可以忽略不計(jì)，符合國(guó)標(biāo)GB/T 3216—2016 中的1 級(jí)精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，碳達(dá)標(biāo)、碳中和、碳達(dá)峰等一些節(jié)能減排術(shù)語(yǔ)時(shí)常出現(xiàn)，汽車行業(yè)已經(jīng)率先開(kāi)始了碳配額[10]，為了應(yīng)對(duì)日后更加嚴(yán)苛的排放要求，提高泵本身的效率及泵的使用效率已經(jīng)刻不容緩。通過(guò)本次多級(jí)離心泵葉輪葉片刃口設(shè)計(jì)驗(yàn)證及應(yīng)用，提高了多級(jí)離心水泵的運(yùn)行效率。本次測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)比同批次的普通葉輪性能測(cè)試，刃口葉輪泵效率提升1.53%，如果將全國(guó)總發(fā)電量的20%記為泵的耗電量，泵效率每提高1%，就相當(dāng)于每年多建一座裝機(jī)容量為60 萬(wàn)kW 的發(fā)電廠。本次研究在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用新技術(shù)縮短開(kāi)發(fā)周期，并且在工業(yè)化階段利用新工藝方法解決了沖壓、焊接問(wèn)題，確認(rèn)了葉輪葉片刃口化的量產(chǎn)可行性。作為泵設(shè)計(jì)制造從業(yè)人員，應(yīng)本著大膽假設(shè)小心求證的精神，不放過(guò)任一微小的效率損失，努力提升國(guó)內(nèi)水泵在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。