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    對于水泵行業而言，工作效率是最重要的性能指標之一。為此，定制化開發和快速響應先進制造(RRAM)，對大型工業水泵的定制化生產需求十分迫切。如何取得定制化需求本身和時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題。

    山水節能一致致力于以最優的技術為各行各業的客戶提供流體系統節能裝備和服務，利用自身先進的專業制造技術與豐富的管理經驗，實現了快速定制化開發的可能，并為客戶提供穩定、高效的卓越產品。

    本文總結了在三維數字樣機和消失模鑄造方面的部分經驗，與大家共享。

【需求定義】

    首先，客戶和制造商必須進行全面而清晰的售前交流。需要考慮的典型因素包括，技術參數、輸送介質性質、應用場合、可靠性和環境友好性等。客戶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的商業會議，討論技術，商務和價格細節，并最終簽署合同。

【數字樣機】

    數字樣機是使用計算機技術建立機械產品及其子系統的數字模型。數字樣機通過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，傳統的水泵開發流程可進化為“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鍵，確定水泵性能是否可以滿足客戶需求。因此定制化產品可以在最終鑄造之前將失敗風險控制至最低水平。

【水力模型】

    水泵的效率取決于其水力模型，也是定制化開發周期中的第一個里程碑。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。

    但簡單的轉化并不足以完成最終設計。基于有限體積法(FVM)的計算流體力學(CFD)手段被廣泛用于水泵的水力性能預測和水力模型優化。大部分商業計算流體力學軟件程序使用數值計算程序來求解雷諾時均納維-斯托克斯方程，并使用特定的湍流模型來得到質量和動量守恒方程的封閉。水泵流動區域通常以兩種不同的參考坐標系劃分為若干個域：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際特征和設計人員的計算經驗。通常，使用一系列逐漸變化的入口條件進行計算以預測整個流量-揚程和流量-效率曲線。如果水泵的吸入性能也納入考慮，那么，可進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方面的問題，結構靜強度，密封，振動和噪音。上述問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行考察。除了強度校核，結構仿真對定制化水泵開發的意義更多的在于確定高安全區域以幫助水泵結構減重，這意味著在滿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。結構變形通過載荷和約束條件來計算，進而根據材料自身的應力-應變關系來獲得應力分布。水泵殼體的主要載荷來源于內部液體壓力，其大小取決于水泵揚程和進口壓力。對于主軸，受力載荷可以歸結為軸向力和徑向力這兩大類，二者的大小可以參考水泵水手冊進行估計。考慮到鑄造和加工缺陷，必須根據載荷水平制定一個安全系數，安全邊際應該由交易雙方根據制造商的制程能力和相關強制性規范共同制定。

♦ 疲勞分析

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

♦ 結構動力學分析

    泵組的振動和噪聲來源于結構對動態載荷的響應。模態分析是結構動力學分析的第一步，可以計算響應頻率并提供后續計算的基本數據。轉子動力學分析則是指導泵組減振的有效手段，它將轉子系統簡化為軸線、旋轉質點和軸承點組合。對定制化水泵，轉子動力學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形態，并最終保證水泵的可靠性。

♦ 可制造性分析

    可制造性分析促進定制化電子模型向真實產品的轉化。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的主流成熟生產方式。

    對定制化水泵而言，傳動的木模和金屬模并不經濟，因為其高昂的時間和金錢成本無法通過大批量生產來得到分攤。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，其主要優勢源于泡沫模具材料。泡沫相對成本較低并且可以通過全自動電腦雕刻機根據3D數字模型來方便地加工成模具。

【結論】

    根據用戶特定需求的大功率水泵定制化生產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的靈活運用可以極大地促進水泵定制化開發過程并增強制造商在市場上的競爭力。