数字化设计技术在农用潜水泵设计中的应用

许 歆

(威海市文登区农业机械发展中心，山东 威海 264200)

0 引言

数字化设计是计算机技术在产品设计领域的应用，由此能够缩短产品的开发周期、提高设计效率、节约开发成本，开发的产品性能显著提升。我国作为农业大国，农业机械设备在农业生产中具有不可替代的地位和作用，为最大限度发挥出农业机械的作用，应当采取有效的设计方法，提高农业机械的整体性能。就数字化设计技术在农用潜水泵设计中的应用展开分析探讨。

1 数字化产品开发及其特点

1.1 数字化产品开发

数字化产品开发以数字化设计技术作为支撑，其实质是依托数字化平台，构建数字化模型，实现产品开发全过程的数字化。数字化产品开发最为突出的优势在于能大幅度提升产品的开发效率，并使开发出来的产品更加可靠。在产品的数字化设计中，构建数字化模型是关键环节，数字化产品开发包括DPD(产品数字化定义)、DA(数字化装配)、DSA(数字化仿真分析)、DM(数字化加工)[1]。

1.1.1 DPD

DPD模型包括与产品相关的几何和非几何信息，前者为产品的三维模型，后者为设计文件、计算报告和BOM(结构树)等，BOM的主要作用是建立关系模型。

1.1.2 DA

以DPD为基础，借助先进的计算机技术，对产品的装配过程进行模拟，通过DA能对产品可装配性有效评价，减少设计原因引起的返工，有助于研制周期的缩短和开发成本的降低。

1.1.3 DSA

针对复杂程度相对较高的系统，可利用计算机研究系统的数学模型，据此对系统中的关键变量加以设计，获取输出变量的仿真结果，这是DSA最为主要的作用。

1.1.4 DM

当产品的设计得到认可后，便需要考虑可加工性，如果产品在加工阶段原型缺失，则会导致因为制造的模具和工具不合适，增大制造风险。而DM的引入，使这一问题得到有效解决。

1.2 主要特点

数字化产品开发的特点及应用优势主要体现在面向装配、面向生命周期、统一的数学模型。

1.2.1 面向装配

DDT是数字化设计技术的缩写，依托DDT构建的数学模型，面向的主要对象为装配体，这是一个整体，并不是单个的零件。通过对装配可用信息的集成，数字化产品模型，可被产品不同设计环节的设计人员使用。不仅如此，DDT还能对复杂零件与装配的内部关系跟踪查询，为早期更改设计提供便利条件。

1.2.2 面向生命周期

面向产品的生命周期是对各个关键环节重要信息的有效集成，随后将这部分信息统一到数学模型中，使信息得到有效的管理和维护，信息的利用效率获得最大限度的提升。产品生命周期的信息比较完备，对分析产品的设计兼容性具有一定的帮助，由此能使产品的设计质量获得显著提升。

1.2.3 统一的数学模型

一个产品需要多个设计阶段组合到一起才能完成，当不同设计阶段重复定义时，产品设计的复杂程度会进一步提高，由于增加了一些不必要的工作，可能会导致产品的品质下降，研发周期延长，成本增大[2]。DDT采用的是统一的数学模型，避免重复定义的问题发生，设计过程中不会出现复杂程度增加的现象，使产品在既定时间内完成设计。

2 农用潜水泵中数字化设计技术的应用

农用潜水泵是农业机械中较为常见的设备之一，在农田灌溉中的应用比较广泛，以农用潜水泵的设计为例，对数字化设计技术的应用进行分析。

2.1 数字化设计过程

在潜水泵产品的设计开发过程中应用数字化设计技术时，将协同工作作为底层的技术支撑，利用相关的软、硬件工具，如CAD/CAM、VR(虚拟现实)、建模仿真、效能分析、流场计算等，完成潜水泵产品设计，具体包括初步设计、详细设计、产品的可制造性分析等。潜水泵产品的数字化设计过程如下：在设计的初期阶段，依托CBD(基于程序构件的软件开发方法)技术，按任务目标，检索已有的实例库，从中获取能够满足相关条件，具有高度相似性的设计实例；按照预先确定好的设计参数，分析相似实例的相似程度，选取出相似度最高的实例；以实例的设计几何参数为依据，对不同类型、尺寸、规格的零件，用不同的方法构建数字化模型；检索时，若是未能找到与任务目标相符的实例，则可借助水力设计CAD软件进行新的设计，以此来获得新的实例；利用产品数字化管理平台，将构建好的模型提供给仿真分析平台，在仿真环境下，完成潜水泵的虚拟装配、加工。

2.2 主要零部件数字化模型的构建

2.2.1 运用水力设计CAD

按潜水泵产品的设计参数，及其具体的应用场合(农田灌溉)，通过对已有的实例库检索后，并未找到与之相似的实例，此时便可以借助水力CAD设计过流部件。在潜水泵中，叶轮是较为重要的部件之一，它的水力设计较为成熟，本文不再对此进行赘述。设计潜水泵时，可以将导叶作为压水室，其在潜水泵中所起的作用是对叶轮流出的液体进行收集，输送给下一级叶轮或是泵出口，并完成能量转换，即将液体压力转换为速度能，消除液体的预旋。通过上述分析可以看出，在潜水泵中，导叶是一个重要的部件，具有能量转换作用，该部件的设计质量优劣，对潜水泵的性能具有直接影响。通过查阅相关的资料发现，导叶内部的水力损失约为整个潜水泵水力损失的40%左右[3]。基于此，在潜水泵设计中，要对压水室的设计予以重视，以此来降低水力损失，提高潜水泵的整体性能。

2.2.2 导叶的水力设计

由导叶在潜水泵的作用可知，它的过流面积应当达到均匀变化的趋势，也就是说，流线本身的曲率不宜过大，基于这一前提，对导叶展开设计，具体如下。

1)内流线的最大直径。用D3表示导叶内流线的最大直径，因叶轮的后盖板呈现为倾斜状态，容易引起二次回流。基于此，可对叶轮后盖板的外径进行斜切，通过试验的方法，确定斜切角度。按叶轮后盖板的外径，对D3初步确定[4]。

D3=D2+(2～5)mm

(1)

式中D2—代表叶轮出口的直径，mm。

2)外流线的最大直径。用D4表示导叶外流线的最大直径，当机组的最大外径给定时，D4的取值范围将会受到一定程度的限制，受到机组外径的约束，D4不能随意取值，必须满足电缆最大尺寸通过的要求。为对潜水泵内部有限的空间加以充分利用，在满足要求的前提下，D4尽可能取最大值。

D4=D3+(1.6～2.5)b2

(2)

式中b2—代表叶轮出口的宽度，mm。

3)导叶的轴向长度。用Ld表示导叶的轴向长度，由于井泵的单级扬程相对偏低，随着扬程的提高，泵的级数会随之增加，基于这一前提，如果Ld大，泵的长径比进一步增加，不利于加工制造，还会影响到运行可靠性；若是Ld小，能量无法完全转换，泵的工作效率会降低。基于此，要尽可能减小轴向长度，可以取

Ld=(0.5～0.7)D2

(3)

4)导叶的片数。用Zd表示导叶的片数，它的多少，决定片间流道的扩散程度。导叶的片数多，流道的扩散程度小，这样有助于能量转化，但过多的导叶片会导致排挤严重，泵运转时容易产生振动。基于此，合理确定导叶片数尤为重要，依据相关研究成果，潜水泵导叶片数以7片为宜。

5)包角。用φ3表示导叶的叶片包角，φ3大，导叶叶片的工作面长，有助于能量转化。若是φ3过大，则会引起摩擦；如果φ3过小，能量无法完全转化，因此，φ3的取值范围以70°～90°为宜[5]。

6)外内流线出口直径。用D5和D6分别表示导叶的外、内流线出口直径。通常情况下，D5和D6应当与下一级叶轮的进口或是泵的出口有效衔接，这样能够使脱流损失降至最小程度，液体可以更为舒畅的导入。为使流道形状变化达到平滑的状态，且面积变化均匀，可以取

(4)

式中Dj—叶轮的进口直径，mm；

Dh—轮毂直径，mm。

2.2.3 泵的三维造型

1)叶片与导叶。为满足叶片加工方法的需要，通过截取的方法，获得木模截线。通过水力设计得到的叶片木模图中，包含了流线及轴面截线数据，可将该数据作为叶片曲面模型生成时的控制点坐标。为进一步简化水力设计过程，可以沿着轴面截线，对叶片进行三维造型，由此便可获得叶片及导叶的数字化模型。

2)回转体零件建模。潜水泵中的回转体零件包括泵体、泵轴、进水节、叶轮盖板及逆止阀盘等，对上述零部件进行数字化建模时，可以借助Pro/Toolkit提供的特征描述法，由此便可获得相应的数字化模型。

3)标准件建模。潜水泵中的标准件主要有螺钉、螺母等，对此可以利用族表完成参数化建模。在Pro/E中，族表是一个能够借助表格来驱动模型的工具，可以对零件进行快速建模。

2.3 数字化仿真

2.3.1 虚拟装配

利用计算机系统对整机进行装配的过程，即虚拟装配。这是对现实装配的仿真模拟，能够从中了解到各个零部件之间的配合情况，装配时不需要物理样机，产品的设计开发费用大幅度减少。不仅如此，通过虚拟装配，能够使各种错误在设计阶段被消除，避免后期频繁修改，产品的开发周期大幅度缩短。本文采用数字化设计技术开发潜水泵产品，在虚拟装配环节中，对导叶、叶轮、泵壳三者之间的配合进行全面查看，同时对潜水泵中的转动部件做运动仿真，各部件之间并未出现相互干涉的情况。最后对潜水泵进行整机虚拟装配，如图1所示，各部件的配合情况得到清晰显示。

图1 潜水泵整机虚拟装配示意图

2.3.2 计算流体动力学分析

计算流体动力学简称CFD，通过该技术，能对潜水泵过流部件的内外特性进行分析，可在图纸设计阶段，预测出泵的性能，以及可能出现的不良现象，如叶片颤振、漩涡等。选取具有代表性计算区域，即泵壳的内流道，将之划分为两个部分，一部分包含泵的进口段，另一部分为叶轮室的旋转部分和导叶区的静止部分，以二者之间相连接的平面作为分界。可选的模型有MRF(坐标系模型)、MP(混合平面模型)、SM(滑移网格模型)。通过对上述模型进行比较后，最终决定选用MRF，依托该模型完成泵内旋转和静止部分的耦合计算。

2.3.3 虚拟加工

在潜水泵数字化设计中，虚拟加工是最后一个环节，其作用在于确保零件的精度。潜水泵中的叶片和导叶对型面的质量要求比较高，直接加工可能会导致精度不够，通过虚拟加工则可使该问题得到有效解决。在计算数控加工刀位轨迹时，采取叶片工作面与背面分开的方法，基于这一前提，工作面无干涉问题，背面的干涉点，可以调整刀具的角度予以修正。计算刀具行距及步长时，可引入Iso-scallop法，由此能够在实际加工中获得更高的效率。

3 结论

综上所述，农业机械设计是一项较为复杂且系统的工作，对设计人员的专业技术水平要求较高。为进一步提高农业机械的性能，可在设计中应用数字化设计技术。未来一段时期，要加大数字化设计技术的研究力度，通过优化改进，使其更加完善，更好的为农业机械产品开发服务。