一种潜水电泵模具的快速成型方法与流程

本发明涉及潜水电泵零件铸造技术领域，更具体涉及一种潜水电泵模具的快速成型方法，以井用潜水电泵水力模型设计为例，将3d打印技术应用于水泵模具成型方面。

背景技术：

潜水泵是深井提水的重要设备。使用时，整个机组潜入水中工作，把地下水提取到地表，是生活用水、矿山抢险、工业冷却、农田灌溉、海水提升、轮船调载，还可用于喷泉景观。井用潜水电泵由井用潜水电机及井用潜水泵两大部分组成；其中，井用潜水泵是能量转换装置，将电机旋转的机械能转换为液流的动能以及压力势能；而负责井用潜水泵的能量转换的主要零件便是叶轮，因此，叶轮的设计、加工的质量状态直接影响整个产品的性能指标。

近年来，泵行业发展面临较大压力，转型升级任务紧迫。根据未来产业发展需要，泵行业面临的急需解决的问题有：产品多元化、泵设计水平提升与制造技术优化的有机结合、产品标准化与模块化、水泵运行效果不断优化等。

现在的潜水泵普遍存在机组效率低，可靠性差的问题，例如175-32系列的潜水电泵机组效率普遍低，井用潜水电泵虽然结构不太复杂，原理比较简单，但多年来工作效率一直达不到设计要求，尽管不少水泵企业和科研单位做了许多研制，但多是效果不够明显。

潜水电泵作为工业中心流体运送设备是动力耗费大户，现已成为节能作业首要解决的难题。依据通用机械工业协会计算，泵耗电量占国家发电量的20％左右，泵效率的提升将为我国节能大量的电能，促进循环经济的发展。

此外，因水泵叶轮结构复杂，采用现有的制造方式，会大大延长潜水泵的制作周期，并且研发成本较高。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种潜水电泵模具的快速成型方法，以解决现在的潜水泵存在机组效率低、可靠性差、耗电量大，水泵叶轮制作周期长、研发成本较高的问题，以提高潜水电泵的效率和可靠性，以降低潜水电泵的耗电量，以缩短潜水泵的制作周期。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种潜水电泵模具的快速成型方法，包括以下步骤：

s1、对导流壳、叶轮进行水力模型设计，并设定不同的空间变量补偿系数对潜水电泵扭曲叶片及导流壳空间导叶模具进行分段分级设计制造；

s2、利用三维软件进行模具建模优化设计；

s3、通过3dp三维喷印工艺对潜水电泵铸造用砂型进行打印；

s4、对打印出来后的潜水电泵铸造用砂型进行组装、浇铸；

s5、铸件毛坯出来后再进行加工组装样机，对样机进行性能试验，通过试验数据对样机性能进行分析；

s6、根据分析结果判断样机是否达到预期的机组效率值；若未达到，返回步骤s1，对水力模型进行改进。

进一步优化技术方案，所述步骤s1中，水力模型设计包括以下步骤：

s11、根据潜水电泵规格型号，进行水力模型的设计和计算，并绘制图样；

s12、通过计算、选择导流壳和叶轮的结构参数，应用正交试验法对导流壳、叶轮进行水力模型设计。

进一步优化技术方案，所述导流壳和叶轮的结构参数包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮进口安放角、叶轮出口安放角、叶轮进口宽度、叶轮出口宽度、叶片包角、叶片数以及泵口面积比。

进一步优化技术方案，所述步骤s1中，在水力模型设计工作中，利用水泵性能分析程序对潜水电泵的性能进行分析、预测，水泵性能分析程是综合利用速度系数法、能量损失法、中间流线分析法进行编制的。

进一步优化技术方案，所述步骤s1中，空间变量补偿系数方程式为：

其角度β随θ的变化规律方程式为：

式中，r为极半径，r1为θ等于0时的起始半径，e为自然对数，θ为角度，为叶片包角，k为系数，β1为叶轮叶片的进口角，β2为叶轮叶片的出口角；β1、β2的取值范围在15°～35°。

进一步优化技术方案，所述步骤s2中，基于三维软件pro/e建模，并利用三维软件将导流壳、叶轮的二维图转化为三维图，并设计出用于3d打印的模具图。

进一步优化技术方案，基于三维软件pro/e建模的过程包括：叶轮模型、创建工件、创建分享曲面、抽取模具元件并进行优化设计。

进一步优化技术方案，所述步骤s2中，在潜水电泵扭曲叶片表面，沿中间流线设置一条截面为三角形、高2mm的凸起状空间曲线，将流道中液流分层。

进一步优化技术方案，所述步骤s3中，通过3dp三维喷印工艺，将三维数据转化为二维截面，利用喷墨打印头打印出粘接剂，将沙粒粘接在一起，层层叠加，直接生产铸造用的叶轮和导流壳砂型。

进一步优化技术方案，所述步骤s6中，对水力模型进行改进的步骤为：改变潜水泵叶轮和导流壳结构参数。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明以井用潜水电泵水力模型设计为例，将3d打印技术应用于水泵模具成型方面，利用快速打印成型技术，缩短了产品开发周期，降低了研发成本；本发明采用数值分析和试验研究相结合的方法，通过改变潜水泵叶轮和导流壳结构参数来提高潜水电泵性能，通过设定不同的空间变量补偿系数对潜水电泵扭曲叶片及导流壳空间导叶模具进行分段分级设计制造，通过3d打印来对潜水电泵叶轮铸造用砂型进行打印，打印后铸件毛坯经铸造成型、组装样机，得到水泵效率高于国家标准的节能潜水电泵，提高了潜水电泵的效率和可靠性，降低了潜水电泵的耗电量。

本发明通过设定不同的空间变量补偿系数对潜水电泵扭曲叶片及导流壳空间导叶模具进行分段分级设计制造的方法，使得扭曲叶片及导流壳空间导叶的空间曲线流道更符合流体流动规律，不仅保证了叶片的光滑度，更加保证了水流的流动速度，减少了能量损失。

本发明采用喷墨砂型打印快速成型技术，制造潜水电泵叶轮和导流壳铸造砂型，砂型精度高，在工艺上代替传统铸造的模具制造、造型、制芯、合箱四个工序，省略了制模环节，缩短了新产品的研发和试制周期。

本发明结合喷墨砂型打印快速成型技术能够进行非几何形状造型的优势，模具设计时，在潜水电泵扭曲叶片表面，沿中间流线设置一条截面为三角形、高2mm的凸起状空间曲线，将流道中液流分层，使流动稳定，降低湍流损失。

附图说明

图1为本发明的叶轮水力模型图中叶片工作面轴面截线图；

图2为本发明的叶轮水力模型图中叶片背面轴面截线图；

图3为本发明的叶轮水力模型图一；

图4为本发明的叶轮水力模型图二；

图5为本发明的导流壳水力模型中叶片工作面轴面截线图；

图6为本发明的导流壳水力模型中叶片背面轴面截线图；

图7为本发明的导流壳水力模型图一；

图8为本发明的导流壳水力模型图二；

图9为本发明图8中c-c向截面图；

图10为本发明导流壳叶轮的三维设计图；

图11为本发明设置有凸起状空间曲线的叶轮设计图；

图12为本发明叶轮设计图；

图13为本发明叶轮主视图；

图14为本发明图13的剖视图；

图15为本发明在进行3d打印时的模具设计图一；

图16为本发明在进行3d打印时的模具设计图二。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种潜水电泵模具的快速成型方法，结合图1至图16所示，包括以下步骤：

s1、对导流壳、叶轮进行水力模型设计，并设定不同的空间变量补偿系数对潜水电泵扭曲叶片及导流壳空间导叶模具进行分段分级设计制造。

步骤s1中，水力模型设计包括以下步骤：

s11、根据潜水电泵规格型号，进行水力模型的设计和计算，并绘制图样。即从国家标准中的水泵规格型号中选出目前潜水电泵效率低的型号，对其导流壳和叶轮进行水力模型设计和计算，并绘制出二维图。

s12、通过计算、选择导流壳和叶轮的结构参数，应用正交试验法对导流壳、叶轮进行水力模型设计。将各种影响水力性能的因素考虑到设计中的话，用设计试验法需要做成千上万次试验，而用正交试验法是将各种因素综合记起来用比较少的试验次数就可以得到数据。

导流壳和叶轮的结构参数包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮进口安放角、叶轮出口安放角、叶轮进口宽度、叶轮出口宽度、叶片包角、叶片数以及泵口面积比等参数。

正交试验法是指利用正交性原理编制并已标准化的正交表，科学安排试验方案并对试验结果进行计算、分析的数学方法。

试验因素和试验方案如下：

影响潜水电泵效率及扬程的因素主要有叶片数z、叶轮出口叶片安放角β2、叶轮出口直径d2、叶轮出口宽度b2、叶轮出口处圆周速度u2等。根据专业知识及潜水电泵的特殊结构设计要求，取下列几何参数作为试验因素：β2、d2min(叶轮后盖板外径)、b2、z、d1(叶片进口直径)、δβ1(叶片进口冲角)、h(叶轮后盖板与反导叶最底端的轴向间距)，通过以下试验可以得出上述几何因素对效率、扬程值的影响规律。选择因素水平如表1所示。

表1因素水平表

tab.1orthogonalexperimentalfactors

选用l18(3⁷)正交表，确定试验方案如表2所示。

表2试验方案

tab.2testscheme

步骤s1中，在水力模型设计工作中，利用水泵性能分析程序对潜水电泵的性能进行分析、预测，可以较准确地分析、预测水泵性能，如关死点扬程、额定扬程、进出口液流角、最大功率以及无过载性能等，较大程度地保证了试验数据的精确性。

其中，水泵性能分析程是综合利用速度系数法、能量损失法、中间流线分析法进行编制的。

速度系数法：用设计效率高的水泵数据总结出的经验、公式和曲线进行设计，即相似设计法。

能量损失法：对水泵的容积损失、机械损失、水力损失进行分析。

中间流线分析法：对导流壳叶轮的叶片中间流线进行分析。

本发明在水力模型设计时，设定不同的空间变量补偿系数对潜水电泵扭曲叶片及导流壳空间导叶模具进行分段分级设计制造，使得扭曲叶片及导流壳空间导叶的空间曲线流道更符合流体流动规律。

在设计过程中，发现设置不同的空间变量补偿系数对扭曲叶片的设计有很大的突破，不仅保证了叶片的光滑度，更加保证了水流的流动速度，减少了能量损失。空间变量补偿系数即为对导流壳叶轮的内外流线角度数值进行补偿。

步骤s1中，空间变量补偿系数方程式为：

其角度β随θ的变化规律方程式为：

式中，r为极半径，r1为θ等于0时的起始半径，e为自然对数，θ为角度，为叶片包角，k为系数，β1为叶轮叶片的进口角，β2为叶轮叶片的出口角；β1、β2的取值范围在15°～35°。

由(2)式可知，当k＝1时，tgβ与θ呈线性关系，而叶轮叶片的进口角β1、叶轮叶片的出口角β2取值范围一般都在15°～35°，在该区间内tgβ与β近似呈线性关系，故β与θ也近似呈线性关系，因此采用非等边角对数螺旋线，只要控制好k值，就能够使型线的角度变化更有规律(接近线性变化)，更加符合流体流动规律。

以175qj32-60型潜水电泵为例，其导流壳和叶轮的水力模型分别如图1至图9所示。

s2、利用三维软件进行模具建模优化设计。

采用prdata软件进行模具模型建模前处理，基于三维软件pro/e建模，也可采用其他三维软件，利用三维软件将导流壳、叶轮的二维图转化为三维图，并进行优化，并设计出用于3d打印的模具图。

本发明利用proe5.0三维软件将导流壳叶轮的截面图通过角度数值在proe5.0三维软件中输入坐标系中，变化三维图。

基于三维软件pro/e建模的过程包括：叶轮模型、创建工件、创建分享曲面、抽取模具元件并进行优化设计。

步骤s2中，在叶轮设计时，在潜水电泵扭曲叶片表面，沿中间流线设置一条截面为三角形、高2mm的凸起状空间曲线，将流道中液流分层，使流动稳定，降低湍流损失。

s3、通过3dp三维喷印工艺对潜水电泵铸造用砂型进行打印。

3dp即三维印刷成型(threedimensionalprinting，3dp)，又称为喷墨粘粉式技术、粘合剂喷射成型。3dp三维喷印工艺通过3d激光打印机来完成。

3dp三维喷印工艺的原理为：3dp设备在控制系统的控制下，喷粉装置在平台上均匀地铺一层粉末，喷粉打印头负责x轴和y轴的运动，按照模型切片得到的截面数据进行运动，有选择地进行粘合剂喷射，最终构成平面图案。在完成单个截面图案之后，打印台下降一个层厚单位的高度，同时铺粉辊进行铺粉操作，接着再次进行下一次截面的打印操作。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘合剂，最终完成三维成型件。

本发明将3d打印技术应用到水泵模具成型方面，即用3d打印技术打印水泵模具，通过这种模具去铸造水泵零件。

步骤s3中，采用喷墨砂型3d打印技术，将三维数据转化为二维截面，利用喷墨打印头打印出粘接剂，将沙粒粘接在一起，层层叠加，直接生产铸造用的叶轮和导流壳砂型。

将三维数据转化为二维截面，即对三维实体进行切片得到的截面数据，每一层的截面数据即为二维截面。

传统铸造的模具制造、造型、制型、合箱四个工序全部由3d打印一个工序代替，省略了制模环节，缩短了新产品的研发和试制周期。

s4、对打印出来后的潜水电泵铸造用砂型进行组装、浇铸。

将打印出来后的导流壳模具进行组装，直接浇铸即可成型。模具分为几个部分，分别打印好后将这几部分组装寄来，在铸造车间进行铁水浇铸。

s5、铸件毛坯出来后再进行加工组装样机，在水泵性能试验台上对样机进行性能试验。样机调试完成后委托水泵质量监督检验站检验进行试验，通过试验数据对样机性能进行分析。

s6、根据分析结果判断样机是否达到预期的机组效率值；若未达到，返回步骤s1，对水力模型进行改进，即对水力模型进行修改、完善，直到达到预期的机组效率值。

步骤s6中，对水力模型进行改进的步骤为：改变潜水泵叶轮和导流壳结构参数。即改变潜水电泵叶轮和导流壳的叶片工作面、背面数值参数来提高潜水电泵性能。将导流壳叶轮的叶片工作面、背面数值进行修改，再转化为三维图进行完善。

本发明以175qj32-60型潜水电泵为例，各项指标如下：

流量32m³/h，容差±8％；扬程60m，容差±5％；效率70％，容差-5％。

此次喷墨砂型打印铸造出来的导流壳叶轮安装的样机经水泵质量监督检验站检验，检验报告数据如下：

流量33.52m³/h，扬程62.85m，效率78.13％。

数据对比可以看出，样机的泵效率78％高于设定的指标，达到研究的目标。

本发明采用数值分析和试验研究相结合的方法，具体是指用流场有限元数值分析的结果与试验相结合的方法。本发明以井用潜水电泵水力模型设计为例，将3d打印技术应用于水泵模具成型方面，采用数值分析和试验研究相结合的方法，通过改变潜水泵叶轮和导流壳结构参数来提高潜水电泵性能，通过设定不同的空间变量补偿系数对潜水电泵扭曲叶片及导流壳空间导叶模具进行分段分级设计制造，通过3d打印来对潜水电泵叶轮铸造用砂型进行打印，打印后铸件毛坯经铸造成型、组装样机，得到水泵效率高于国家标准(gb/t2816-2014)2％的节能潜水电泵。