PAGEPAGE1開(kāi)題報(bào)告題目分段式多級(jí)離心泵的設(shè)計(jì)選題的目的、意義（含國(guó)內(nèi)外相同領(lǐng)域、同類課題的研究現(xiàn)狀分析）：泵作為一種通用機(jī)械工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用幾乎遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用泵技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志之一，所以正確合理地提高泵的設(shè)計(jì)與使用，對(duì)于提高各類泵類機(jī)械及裝備的工作效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有重要意義。同時(shí)能讓我們學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，提高實(shí)踐能力,使我們的設(shè)計(jì)更具實(shí)用性。離心泵的設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的一部分，他與主機(jī)的設(shè)計(jì)是緊密相關(guān)的。液壓傳動(dòng)是基于以密閉容器中流體的靜壓力傳遞力和功率這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。離心泵設(shè)計(jì)的步驟一般是：（1）根據(jù)泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行吸入口徑和壓出口徑的確定，轉(zhuǎn)速的選擇和確定。（2）泵的結(jié)構(gòu)形式的確定。選擇泵的比轉(zhuǎn)速并確定泵的級(jí)數(shù)，泵的結(jié)構(gòu)形式選擇，泵的效率的估算，軸功率的計(jì)算與電機(jī)的選擇，軸向力的平衡與結(jié)構(gòu)形式的選擇；（3）水力設(shè)計(jì)。葉輪設(shè)計(jì)，導(dǎo)葉設(shè)計(jì)，軸向力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等；（4）其它部件的結(jié)構(gòu)選擇。包括聯(lián)軸器，軸承、密封等；（5）軸的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算及強(qiáng)度計(jì)算；（6）葉輪、軸、泵體等主要零部件設(shè)計(jì)圖和三維造型；（7）離心泵裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（8）繪制工作圖，編制文件，并提出離心泵設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。一、課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義主要研究分段式多級(jí)離心泵，包括：離心泵的葉輪、軸、泵體，離心泵的葉輪加厚、分為以下幾部分:（1）離心泵原理圖的設(shè)計(jì)；（2）離心泵元件的選擇；（3）離心泵的三維裝配圖和二維裝配圖；（4）葉輪加厚的設(shè)計(jì)與計(jì)算；二、課題研究的現(xiàn)狀內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)規(guī)律很復(fù)雜，還遠(yuǎn)沒(méi)有被人們所認(rèn)識(shí)，以至于迄今泵的設(shè)計(jì)仍停留在半理論、半經(jīng)驗(yàn)的階段。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)泵產(chǎn)品一般都要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)、改進(jìn)的過(guò)程。這樣一個(gè)繁瑣過(guò)程，消耗了大量的時(shí)間，人力和財(cái)力。如果能夠依據(jù)設(shè)計(jì)的泵葉輪、蝸殼等過(guò)流部件的幾何參數(shù)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出泵的性能曲線，就能夠大幅地減少泵的模型制作、試制、試驗(yàn)的費(fèi)用并縮短設(shè)計(jì)和制造周期。目前泵性能預(yù)測(cè)的結(jié)果還不能完全滿足工程應(yīng)用的需要，因此對(duì)泵性能預(yù)測(cè)的深入研究具有重要的理論意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泵性能預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量研究，取得了不少成果，歸納起來(lái)主要有流場(chǎng)分析法、水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

(1)流場(chǎng)分析法

流場(chǎng)分析法的實(shí)質(zhì)就是建立泵內(nèi)部流場(chǎng)特征和泵外特性之間的關(guān)系，是泵研究領(lǐng)域中一個(gè)重要的課題。主要包括兩方面的問(wèn)題：一是獲得泵內(nèi)部流場(chǎng)的特征；二是建立泵外特性與內(nèi)部流場(chǎng)之間的關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)前者所做的研究比較多，且取得了較豐富的研究成果，而對(duì)后者的研究則很少，處于起步階段。

泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬包括對(duì)泵葉輪、吸人室和壓水室內(nèi)流場(chǎng)的模擬，并且為了保證性能預(yù)測(cè)的精度，一般都要進(jìn)行全三維的數(shù)值模擬。由于泵內(nèi)的流動(dòng)一般都是湍流，而對(duì)湍流的數(shù)值模擬是CFD(計(jì)算流體力學(xué))的一個(gè)難點(diǎn)，但同時(shí)又是一個(gè)熱點(diǎn)，因此要對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的全三維數(shù)值模擬還有較大的困難。目前湍流的數(shù)值模擬方法主要有三種：一是直接模擬(DNS)。由于計(jì)算機(jī)速度和容量的限制，該方法在工程中還應(yīng)用得較少。二是大渦模擬(LargeEddy

Simulation)。該法通過(guò)某種濾波方法將湍流運(yùn)動(dòng)分解成高度各向異性的大尺度渦和大致各向同性的小尺度渦，對(duì)前者通過(guò)數(shù)值求解微分方程進(jìn)行直接計(jì)算，而后者對(duì)前者的影響則通過(guò)近似模擬來(lái)處理。同直接模擬一樣需要比較大的計(jì)算機(jī)容量和很快的處理器。三是雷諾(Reynolds)時(shí)均法，這是目前流體機(jī)械中采用的主要方法。該法將N—S方程對(duì)時(shí)問(wèn)作平均，求解工程中感興趣的時(shí)均量，但需要用湍流模型來(lái)封閉方程組。K-￡雙方程湍流模型由于有較好的精度和通用性且計(jì)算量又不太大，所以成為研究最多、應(yīng)用最為廣泛的模型之一。不管采用哪一種計(jì)算方法，所有的計(jì)算過(guò)程都是由計(jì)算機(jī)完成的，包括建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算及流場(chǎng)分析等一系列過(guò)程。目前很多商業(yè)軟件如FLUENT、STARCD、FIDAP都可以進(jìn)行三維湍流計(jì)算，且具有一定的精度。

用流場(chǎng)分析法來(lái)預(yù)測(cè)泵性能的關(guān)鍵就是如何建立泵內(nèi)流場(chǎng)特征和外特性的關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)外這方面的研究成果還不是很多，從查閱的文獻(xiàn)來(lái)看，這一方法是確實(shí)可行的。一旦能夠建立泵內(nèi)外特性的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，則泵性能預(yù)測(cè)的精度將會(huì)有一個(gè)很大提升，同時(shí)可以使泵內(nèi)流研究和工程應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。這類研究在仔細(xì)分析和研究了26個(gè)離心泵水力模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)回歸分析初步建立了平均減速比、葉片負(fù)荷系數(shù)、初始變化率等內(nèi)流特征參數(shù)同設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率的相對(duì)值、高效區(qū)寬廣度、駝峰系數(shù)等外特性之間的關(guān)系，并給出了數(shù)學(xué)表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了離心泵內(nèi)外特性的統(tǒng)一，并使流動(dòng)計(jì)算和離心泵性能預(yù)測(cè)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為分析和預(yù)測(cè)離心泵性能提供了一種新的途徑；應(yīng)用N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)K-￡湍流模型，使用SIMPLEC算法計(jì)算了水泵水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，通過(guò)計(jì)算出的葉輪壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，用伯努利方程計(jì)算泵的實(shí)際揚(yáng)程，用泵的基本方程計(jì)算理論揚(yáng)程，以此獲得水力效率與軸功率，再利用不同非設(shè)計(jì)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果就可以得到泵的外特性；利用已知的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，應(yīng)用邊界層理論直接計(jì)算混流泵的水力損失，從而完成對(duì)混流泵的性能預(yù)測(cè)，這對(duì)用流場(chǎng)分析法預(yù)測(cè)離心泵的性能提供了一種新思路即可以在分析泵內(nèi)部流場(chǎng)的基礎(chǔ)上再計(jì)算泵的水力損失、從而建立泵內(nèi)外特性的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)泵性能預(yù)測(cè)，用流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果分析離心泵內(nèi)的汽蝕情況。由此可見(jiàn)泵的所有外特性都可以通過(guò)內(nèi)部流場(chǎng)的分析預(yù)先判斷出其性能優(yōu)劣。

應(yīng)用流場(chǎng)的數(shù)值模擬進(jìn)行泵性能預(yù)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：只要建立的內(nèi)外特性的關(guān)系準(zhǔn)確，其預(yù)測(cè)精度比水力損失法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法都要高。但目前該方法還有很多地方有待研究，如現(xiàn)有方法在設(shè)計(jì)工況附近精度較高而在非設(shè)計(jì)工況點(diǎn)尤其是小流量工況下誤差較大，而且目前的計(jì)算只是單獨(dú)計(jì)算葉輪內(nèi)部的流場(chǎng)，并未考慮壓水室等過(guò)流部件的影響，對(duì)二次流和回流等流動(dòng)因素也未作考慮。用流場(chǎng)分析法預(yù)測(cè)泵的性能處于剛剛起步的階段，是未來(lái)泵性能預(yù)測(cè)發(fā)展的主要方向。

(2)水力損失法水力損失法是目前預(yù)測(cè)泵性能最常用的方法。它是通過(guò)對(duì)各種水力損失的物理本質(zhì)及其影響因素的分析，尋求各種損失與泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并對(duì)流動(dòng)作一定的假設(shè)、簡(jiǎn)化，建立水力損失模型。對(duì)不同的損失用不同的計(jì)算公式，最后根據(jù)泵基本方程求得性能曲線。因此水力損失的計(jì)算就成了水力損失法的關(guān)鍵所在。泵的水力損失主要是指葉輪和壓水室內(nèi)的水力損失，同時(shí)泵還有容積損失和機(jī)械損失。

葉輪內(nèi)的水力損失主要可分為葉輪進(jìn)口處液流沖擊損失、葉輪流道內(nèi)的水力摩擦損失和擴(kuò)散損失以及葉輪出口處水力損失。對(duì)葉輪內(nèi)的水力損失有兩種求法：一是分別求各項(xiàng)水力損失；二是將葉輪內(nèi)的水力損失統(tǒng)一求解。近年來(lái)應(yīng)用較多的是前一種方法，且多數(shù)都是用半經(jīng)驗(yàn)半理論的公式進(jìn)行求解。

由于離心泵壓水室的主要結(jié)構(gòu)形式就是蝸殼，因此此處就以蝸殼來(lái)說(shuō)明離心泵壓水室中的水力損失。蝸殼內(nèi)的水力損失可分為螺旋段部分水力損失和擴(kuò)散段部分水力損失。螺旋段水力損失包括沿程摩擦阻力損失和沖擊混合損失。擴(kuò)散段的水力損失包括摩阻損失和擴(kuò)散損失。因擴(kuò)張流道內(nèi)的流動(dòng)比較簡(jiǎn)單，采用一維方法計(jì)算擴(kuò)散損失與實(shí)際吻合得很好，因而目前對(duì)這部分損失仍采用該方法計(jì)算。但由于螺旋段的流動(dòng)非常復(fù)雜，一元流動(dòng)的方法所預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際情況尚存在著偏差，因而這部分損失計(jì)算一般都采用二維或準(zhǔn)三維的方法來(lái)計(jì)算。對(duì)于損失法而言，由于容積效率和機(jī)械效率的變化不大，因此水力損失的準(zhǔn)確計(jì)算是最重要的，對(duì)預(yù)測(cè)精度影響也是最大的。

泵的容積損失主要是由葉輪前密封環(huán)處的泄漏造成的，多級(jí)泵還包括級(jí)間泄漏。

泵的機(jī)械損失是指機(jī)械摩擦引起的功率損失。一般分為兩種，一種是軸承、軸封等部位的固體摩擦損失，這部分損失是軸功率的1％到3％；另一種是葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，其蓋板外側(cè)及外緣與介質(zhì)摩擦引起的損失，稱為圓盤(pán)摩擦損失，通常認(rèn)為圓盤(pán)摩擦損失與葉輪外徑的五次方成正比.

損失法的優(yōu)點(diǎn)是可以全面考慮泵內(nèi)各種因素的影響，對(duì)實(shí)際工程中的性能預(yù)測(cè)有著一定的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。損失法的缺點(diǎn)在于應(yīng)用損失法時(shí)總要對(duì)某一具體的泵進(jìn)行一些條件簡(jiǎn)化以建立損失模型、然后再計(jì)算各種損失，因此其計(jì)算復(fù)雜且不具有普遍性。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork，ANN)亦稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNetwork，NN)，是由大量處理單元廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò)，是對(duì)人腦的抽象、簡(jiǎn)化和模擬，反映人腦的基本特性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是它的非線性特性；二是大量的并行分布結(jié)構(gòu)；三是他的學(xué)習(xí)和歸納能力。歸納指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)(訓(xùn)練)過(guò)程中能為新的輸入產(chǎn)生合理的輸出。具有了這些特性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠解決許多復(fù)雜的問(wèn)題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多種結(jié)構(gòu)形式，其中BP網(wǎng)絡(luò)(誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))由于算法清楚，學(xué)習(xí)精度較高，同時(shí)它還具有優(yōu)良的函數(shù)逼近特性和非線性映射能力，因此在泵性能預(yù)測(cè)中得到了應(yīng)用。

在利用BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行泵性能預(yù)測(cè)時(shí)，首先要選取大量?jī)?yōu)秀的泵水力模型的參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練之后，還要再用一部分優(yōu)秀的水力模型參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校驗(yàn)。若誤差在控制范圍之內(nèi)則可用來(lái)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，否則要繼續(xù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，在用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)時(shí)，輸人模式的選取在很大程度上影響著預(yù)測(cè)的精確性。因此在具體應(yīng)用時(shí)對(duì)輸入模式一定要給予充分的重視。目前大多數(shù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)泵性能的研究都是基于現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)商業(yè)軟件完成的。如應(yīng)用NeuroShell2軟件采用BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)離心泵的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果具有一定的精度。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)泵性能方面除了有算法清楚、學(xué)習(xí)精度高、訓(xùn)練后進(jìn)行速度快、映射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)之外，還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是：在現(xiàn)有商業(yè)軟件基礎(chǔ)上，一旦選定算法和輸人模式之后其過(guò)程和思路就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單和清晰。但利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)泵性能時(shí)也存在著一些不足之處，學(xué)習(xí)算法的收斂速度較慢，由于是梯度下降法所以不能保證收斂到全局最小點(diǎn)，中間層個(gè)數(shù)及中問(wèn)層的神經(jīng)元素的選取缺乏理論指導(dǎo)，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和記憶具有不穩(wěn)定性。不過(guò)即使這樣，未來(lái)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)泵性能也必將是研究的熱點(diǎn)。。二．本題的基本內(nèi)容：設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容與要求及其主要技術(shù)指標(biāo)：1．有關(guān)本課題的任務(wù)要求：分段多級(jí)泵的功能是平衡盤(pán)實(shí)現(xiàn)定位平衡軸向上的軸向力、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)相連接，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距傳給葉輪、葉輪導(dǎo)葉往復(fù)運(yùn)動(dòng)；軸承架的頂緊、軸承快速退回、保持原位。2．有關(guān)本課題的工藝參數(shù)：清水泵參數(shù)：流量Q=220揚(yáng)程H=850m，裝置汽蝕余量，電機(jī)輸出功率P=800kw3．工作量分析及任務(wù)分解：（1）設(shè)計(jì)內(nèi)容：根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)分段多級(jí)泵的原理圖，設(shè)計(jì)葉輪和導(dǎo)葉、泵殼壁厚、泵的各種附件畫(huà)多級(jí)泵裝配圖和各零件圖；（2）繪圖：A1分段多級(jí)離心泵零件圖四張，A0裝配圖一長(zhǎng)。（3）論文編制：按照學(xué)校相關(guān)文件的要求編寫(xiě)設(shè)計(jì)論文。（4）英文翻譯：要求翻譯出漢字約為3000字左右的專業(yè)技術(shù)文章。進(jìn)度安排序號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度日期（起止周數(shù)）%1教師布置題目；查閱資料；寫(xiě)參考文獻(xiàn)（至少15篇）；外文翻譯（教師限制譯文內(nèi)容、方向）；根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)和需求，確定設(shè)計(jì)方案。第1——2周102設(shè)計(jì)分段多級(jí)離心泵的原理圖原理圖，計(jì)算后選擇水泵和電機(jī)。確定油箱容積并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第3——5周253選液壓疊加閥和附件，中期檢查。第6周104繪制液壓系統(tǒng)零件圖和裝配圖。第7——9周355按規(guī)定格式編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。第10——11周56預(yù)答辯、修改設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和圖紙第12周107答辯第13周5三、推薦使用的主要參考文獻(xiàn)：[1]凌智勇編著.機(jī)床液壓系統(tǒng)及故障維修.化學(xué)工業(yè)出版社.2007.7；[2]張利平.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社.2005.8；[3]邵俊鵬,周德繁,韓桂華,劉家春編著.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)禁忌.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.5；[4]張利平.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版.2006.6；[5]張嵐，弓海霞，劉宇輝.新編實(shí)用液壓技術(shù)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社,2008[6]張平格.液壓傳動(dòng)與控制（第2版）[M].冶金工業(yè)出版社，2008[7]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（液壓傳動(dòng)與控制）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[8]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（液壓傳動(dòng)與控制）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[9]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社；2005（5）[10]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第4卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005指導(dǎo)教師意見(jiàn)