內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 邱毅清 武建新

流體機(jī)械及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用研究

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 邱毅清 武建新

近年來隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)迅猛發(fā)展，通過對流體機(jī)械以及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析，結(jié)合流體機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計方案情況，得出可靠性設(shè)計在流體機(jī)械中的應(yīng)用結(jié)論，以供參考。

流體機(jī)械；系統(tǒng)優(yōu)化；設(shè)計；可靠性研究

1 流體機(jī)械及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

流體機(jī)械最初應(yīng)用在燃?xì)鈾C(jī)械裝置中壓氣設(shè)備、鼓風(fēng)機(jī)以及石油化工生產(chǎn)設(shè)備中大型透平壓縮機(jī)設(shè)計。但是流體機(jī)械最廣泛使用在通用機(jī)械和各種類型中型低壓風(fēng)機(jī)方面，主要采用20世紀(jì)中期航空行業(yè)發(fā)展所衍生出的機(jī)翼運行理論，加上孤立翼型升力模式和理論試驗數(shù)據(jù)，從20世紀(jì)末期開始出現(xiàn)大量平面渦輪實驗數(shù)據(jù)以及運行理論作為流體機(jī)械與系統(tǒng)設(shè)計主要參考依據(jù)?，F(xiàn)階段，我國流體機(jī)械以及系統(tǒng)設(shè)計仍然存在諸多問題，從系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計角度進(jìn)行分析和考慮，可以得出流體機(jī)械使用效率低的最重要原因是系統(tǒng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)不匹配，其改造途徑是將流體機(jī)械中高壓葉列系統(tǒng)更改為中壓或低壓葉列系統(tǒng)，使用液力耦合器調(diào)整機(jī)械泵和流體風(fēng)機(jī)流量，進(jìn)一步實現(xiàn)流體機(jī)械使用效率。

近年來，機(jī)械自動化調(diào)速技術(shù)、變速控制節(jié)能、流體機(jī)械調(diào)節(jié)以及高壓離心節(jié)能機(jī)械逐漸取代了傳統(tǒng)機(jī)械使用地位，將流體技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和升級，利用科學(xué)原理和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，確保滿足流體機(jī)械設(shè)計參數(shù)和各種外界需求因素。合理選擇流體機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)提高流體機(jī)械使用效率，調(diào)整最佳機(jī)械尺寸和重量，降低生產(chǎn)噪音。

1.1 流體機(jī)械風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前風(fēng)機(jī)流形的葉輪、葉片沿葉高方向基本都是扭曲狀態(tài)，這一設(shè)定的目的是為了使機(jī)械各基元級速度三角形沿葉片高度上方向變化符合實際運行需求和外界影響因素，加大機(jī)械功率使風(fēng)機(jī)性能最大程度上發(fā)揮出來。結(jié)合已經(jīng)出現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)流體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)，將機(jī)械實際工作需求和制約因素進(jìn)行分析，制定最優(yōu)化原理應(yīng)用設(shè)計和數(shù)值計算，尋找風(fēng)機(jī)最優(yōu)值葉高方面扭曲規(guī)律，實現(xiàn)流體機(jī)械內(nèi)部運行損失最小化、效率最大化。

1.2 流體機(jī)械風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

選擇標(biāo)準(zhǔn)流體機(jī)械風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以精準(zhǔn)高效控制機(jī)械風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)運行損失。機(jī)械風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要參數(shù)是由機(jī)械葉輪直徑、機(jī)械葉輪直徑比例、機(jī)械葉輪調(diào)度、機(jī)械葉輪直徑流向與機(jī)械葉輪軸向間距等方面組成，直接影響著流體機(jī)械風(fēng)機(jī)運行效率、性能以及運行成本?，F(xiàn)階段流體機(jī)械風(fēng)機(jī)氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計多數(shù)情況下采用最高效優(yōu)化方式預(yù)測和計算流體機(jī)械風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)運行參數(shù)。將流體機(jī)械系統(tǒng)與旋軸流型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行收集，在流體機(jī)械系統(tǒng)不可取、進(jìn)出口流向以及等環(huán)量流向為結(jié)構(gòu)軸向條件下，通過采用基元平面葉輪理論，建立對旋軸流體風(fēng)機(jī)的優(yōu)化模型，結(jié)合高等數(shù)學(xué)理論混合函數(shù)計算法進(jìn)行測試和估算。

總之，流體機(jī)械以及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計主要是將流體機(jī)械風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化升級，設(shè)計方式遵循各層次元級速度三角結(jié)構(gòu)沿葉片高度與方向變化適合實際運行中客觀情況、外界影響因素以及機(jī)械加工量固定范圍內(nèi)比重進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計實際上仍然是對流體機(jī)械參數(shù)分析對比，是當(dāng)今流體機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)與企業(yè)技術(shù)水平現(xiàn)狀。現(xiàn)階段，已有相關(guān)部門以二元流通機(jī)械運行理論為依托，重點研究流體機(jī)械流線曲率法在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中運用情況，部分通用機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)積極吸收和學(xué)習(xí)國際先進(jìn)技術(shù)和知識，對企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品生產(chǎn)和流體進(jìn)行分析，采用近年來使用最為廣泛且針對機(jī)械內(nèi)部流場研究理論中激光斷層速率檢測企業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部流體技術(shù)，逐漸積累理論指導(dǎo)經(jīng)驗。

2 流體機(jī)械及系統(tǒng)可靠性研究

流體機(jī)械生產(chǎn)的產(chǎn)品主要包括：第一，企業(yè)產(chǎn)品達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)且不具備再次維修價值，通常稱作不可再維修產(chǎn)品；第二，企業(yè)產(chǎn)品達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)但是通過維修后仍繼續(xù)使用，又稱“可維修產(chǎn)品”。因為企業(yè)產(chǎn)品使用功能和性質(zhì)不盡相同，所以其系統(tǒng)可靠性研究結(jié)果也不相同。其中不可再維修產(chǎn)品重點關(guān)注產(chǎn)品在特定時間內(nèi)失效信息，并將信息收集和記錄。

流體機(jī)械可靠性研究是將系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)行對比分析，其本質(zhì)內(nèi)涵是將機(jī)械運行能力更改為概率分析?？煽啃匝芯康奶囟l件主要包括外界溫度、機(jī)械承重和壓力以及生產(chǎn)環(huán)境中濕度問題等環(huán)境工作條件。其中，特定時間還受機(jī)械運行周期、機(jī)械運行次數(shù)以及使用操作途徑等方面影響。針對不可再維修產(chǎn)品，要在規(guī)定使用周期內(nèi)完成功能狀態(tài)，并對機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和這段時間內(nèi)投入產(chǎn)品數(shù)對比計算?？删S修產(chǎn)品是由多個產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)在持續(xù)無故障工作條件下運行次數(shù)和規(guī)定時間內(nèi)測試故障工作次數(shù)進(jìn)行對比?？煽啃约夹g(shù)研究流體機(jī)械生產(chǎn)產(chǎn)品使用周期和失效信息，使用周期規(guī)定在產(chǎn)品失效之間的工作信息。其中，可維修產(chǎn)品主要指相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行故障工作時間，也就是運行無故障工作時間，從產(chǎn)品失效功能角度進(jìn)行劃分，可維修產(chǎn)品又稱為修復(fù)故障。

在進(jìn)行可靠性研究試驗數(shù)據(jù)收集過程中，首先假設(shè)產(chǎn)品使用壽命的函數(shù)分布類型。其次，通過數(shù)據(jù)分析和函數(shù)定點計算、區(qū)間估算等方式計算機(jī)械運行參數(shù)。確保計算結(jié)果貼合實際情況，必要情況下需要進(jìn)行二次檢測。二次檢驗主要運用高等數(shù)學(xué)計算方法進(jìn)行假設(shè)分析，將試驗參數(shù)和函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，這種方式通常稱作為“擬合性檢驗”

可靠性研究實驗的預(yù)測數(shù)據(jù)來源于流體機(jī)械系統(tǒng)有效參數(shù)計算和對機(jī)械結(jié)構(gòu)元件可靠性指標(biāo)分析對比，在流體機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計過程中，將系統(tǒng)中特定可靠度指標(biāo)和故障率運用相應(yīng)數(shù)學(xué)計算公式科學(xué)合理地將系統(tǒng)元件可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分。可靠性研究主要通過現(xiàn)有機(jī)械元件參數(shù)預(yù)測和評估系統(tǒng)設(shè)計是否可靠。

3 流體機(jī)械及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

可靠性指標(biāo)劃分根據(jù)系統(tǒng)運行可靠度來推算機(jī)械結(jié)構(gòu)各個元件運行效率。系統(tǒng)可靠性設(shè)計根據(jù)不同機(jī)械運行階段采用不同推算方式，通常來講，可靠性設(shè)計研究要結(jié)合系統(tǒng)可靠性指標(biāo)劃分結(jié)果，在這一基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行預(yù)測評估，要求系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果貼合系統(tǒng)實際規(guī)范指標(biāo)并進(jìn)行詳細(xì)分析，調(diào)整和完善流體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。對系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)劃分和計算，將研究結(jié)果偏差降到最低。

流體機(jī)械和動力工程可靠性研究要將機(jī)械強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，現(xiàn)有流體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計中機(jī)械強(qiáng)度工作應(yīng)力大于或等于可承受應(yīng)力。為確保工作運行安全程度，引入安全檢測系數(shù)。流體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計收集可靠性參數(shù)具有較大主觀因素，其檢測結(jié)果導(dǎo)致元件結(jié)構(gòu)和尺寸相對偏大，無形之中增加機(jī)械材料成本費用和運行動力消耗。在機(jī)械可靠性系統(tǒng)設(shè)計中，將機(jī)械工作應(yīng)力和材料強(qiáng)度參數(shù)作為函數(shù)分布規(guī)律參考變量，采用可靠性概率計算理論一定程度上降低了機(jī)械元件失效概率比重，調(diào)整機(jī)械元件重量和尺寸，確保元件滿足流體機(jī)械可靠度要求。

4 結(jié)束語

流體機(jī)械及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計要嚴(yán)格遵循相關(guān)制度和標(biāo)準(zhǔn)，通過采用先進(jìn)科學(xué)的故障檢測技術(shù)和維修技術(shù)，選擇適用流體機(jī)械檢修設(shè)備和工具，全面提高流體機(jī)械操作人員技術(shù)水平和素養(yǎng)，實現(xiàn)流體機(jī)械及系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計。

[1]司華福.流體機(jī)械及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與可靠性分析[J].黑龍江科技信息,2014(13):29-29.

[2]張榮標(biāo),朱榮生.集散控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計探討[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報,2001,19(2):39-42.

內(nèi)蒙古自治區(qū)工程技術(shù)研究中心建設(shè)項目（編號102-413126）。

邱毅清（1992.11-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，研究生，研究方向：PLC控制、機(jī)械電子工程。

2017-07-11）