一种水泵水轮机导水机构数字预装最优开档值确定方法

本发明涉及水轮机制造，更具体地说涉及一种水泵水轮机导水机构数字预装最优开档值确定方法。

背景技术：

1、水泵水轮机导水机构各零部件在制造厂内加工完后需进行整体预装以检验各零部件之间的装配尺寸、形位公差等是否满足设计和使用要求。其中，顶盖与底环之间导叶密合平面的开档值是导水机构预装验收的关键数据，它的大小关系着导叶是否能灵活转动的同时还能尽量避免水流泄露损失。目前在现有的制造技术和模式下，导水机构统筹需要先在制造厂内进行整体的实物预装，将顶盖、底环、导叶等所有零部件进行装配。然后逐一测量顶盖底环之间的开档值，通过可调式的工装工具对顶盖或底环的支撑面的各个方向进行调节来寻找导水开档数据的最优值，并以此来判断导水机构预装后的开档值是否满足设计和使用要求。

2、然而随着先进制造技术的发展，尤其是数字化大尺寸三维测量系统及逆向工程技术的发展，水泵水轮机导水机构可以通过对参与预装的零部件进行精确的逆向三维测量并将逆向建模数据进行装配和计算来实现与实物预装同等的装配质量判断和预装验收，该方法可称为水泵水轮机导水机构的数字预装技术。数字预装技术是水轮机制造业的前沿发展技术，符合国家双碳战略和绿色发展理念。因此，如何利用数字预装技术，对水泵水轮机导水机构的最优开档值进行计算，是亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种水泵水轮机导水机构数字预装最优开档值确定方法，本发明针对水泵水轮机导水机构数字预装技术中导水机构开档值的调整方法与最优开档数据的计算提供一种通用方法，该方法计算得到的最优开档值可到达与实物预装同等的验收结论以满足对导水机构预装质量的准确评价。

2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

3、一种水泵水轮机导水机构数字预装最优开档值确定方法，包括以下步骤：

4、一、理论预装三维模型建立

5、s1、根据顶盖、底环的设计尺寸及导水机构的装配约束和设计开档值，建立理论预装三维模型，并在理论预装三维模型中得到顶盖、底环开档值理论测点的坐标数据；

6、s1步骤中，根据顶盖、底环的设计尺寸及导水机构的装配约束和设计开档值，建立笛卡尔坐标系下顶盖与底环的标准化理论预装三维模型，依次分别得到顶盖、底环开档值理论测点的坐标数据。

7、优选的，所述s1步骤包括以下步骤：

8、s11、分别根据顶盖、底环的设计值建立顶盖、底环的三维模型；在底环的三维模型中，将止漏环圆心设置为坐标原点、止漏环圆心与1#轴孔圆心连线设置为+x轴、密合开档平面朝上设置为+z轴建立笛卡尔坐标系；并根据导水机构的设计开档值及装配约束关系，将顶盖与底环进行模型装配得到导水机构开档计算的理论预装三维模型；

9、s12、设导水机构共有n个导叶，以底环密合开档平面为基准面，设1#导叶轴孔与2#导叶轴孔的圆心连线的垂直平分线为l1、导叶中心分布圆线为l2，l1与l2的交点为底环开档值计算的1#理论测点，其坐标为pt1＝(xpt1，ypt1，zpt1)；然后以坐标原点为基准点，采用环形阵列的方式依次得到底环其余的开档计算理论测点pt2＝(xpt2，ypt2，zpt2)、pt3＝(xpt3，ypt3，zpt3)......ptn＝(xptn，yptn，zptn)；

10、s13、以顶盖密合开档平面为基准面，设1#导叶轴孔与2#导叶轴孔的圆心连线的垂直平分线为l3、导叶中心分布圆线为l4，l3与l4的交点为顶盖开档值计算的1#理论测点，其坐标为qt1＝(xqt1，yqt1，zqt1)；然后以坐标原点为基准点，采用环形阵列的方式依次得到顶盖其余的开档计算理论测点qt2＝(xqt2，yqt2，zqt2)、qt3＝(xqt3，yqt3，zqt3)......qtn＝(xqtn，yqtn，zqtn)。

11、二、过流面三维测量

12、s2、在生产加工完的实物模型中，对顶盖、底环的过流面进行三维测量获得原始的测量数据，并对测量数据进行预处理并匹配s1步骤的理论预装三维模型，再根据s1步骤理论测点的坐标数据，得到底环、顶盖实测点的实测坐标基础数据；

13、s2步骤中，对顶盖、底环的过流面进行全面的三维测量并获得原始的测量数据，对测量数据进行一定的计算处理得到可用于下一步优化计算的基础数据。

14、优选的，所述s2步骤包括以下步骤：

15、s21、在生产加工完的实物模型中，通过三维触点测量的方式获得底环过流面上关于密合开档平面、止漏环柱面、1#导叶轴孔的实测坐标数据；再采用最小二乘法将密合开档平面的实测坐标拟合成平面n1，将止漏环柱面实测坐标、1#导叶轴孔实测坐标先向n1平面进行投影后再用最小二乘法拟合为圆，得到止漏环投影圆心坐标p1＝(xp1，yp1，zp1)、1#导叶轴孔投影圆心坐标q1＝(xq1，yq1，zq1)；

16、上述步骤中，密合开档平面、止漏环柱面、1#导叶轴孔的测点数量均≥3。

17、s22、在生产加工完的实物模型中，通过三维触点测量的方式获得顶盖过流面上关于密合开档平面、止漏环柱面、1#导叶轴孔的实测坐标数据；再采用最小二乘法将密合开档平面的实测坐标拟合成平面n2，将止漏环柱面实测坐标、1#导叶轴孔实测坐标先向n2平面进行投影后再用最小二乘法拟合为圆，得到止漏环投影圆心坐标p2＝(xp2，yp2，zp2)、1#导叶轴孔投影圆心坐标q2＝(xq2，yq2，zq2)；

18、上述步骤中，密合开档平面、止漏环柱面、1#导叶轴孔的测点数量均≥3。

19、s23、在s21步骤和s22步骤的基础上，在同一个测量坐标系下采用三维连续扫描测量的方式获得顶盖、底环过流面中关于密合开档平面的点云数据；再通过s21步骤、s22步骤中的n1平面、n2平面、p1、q1、p2、q2坐标点，采用点、线、面的匹配方法分别将底环、顶盖三维实测数据与s1步骤中的理论预装三维模型进行匹配，获得实测扫描点云在理论预装三维模型的标准坐标系下的坐标数据；

20、s24、根据s12步骤和s13步骤中标准坐标系下顶盖及底环的开档值计算理论测点pti(i＝1、2......n)、qti(i＝1、2......n)，在三维测量软件中通过理论坐标点的引导分别得到底环、顶盖相应的最近实测点的实测坐标ps1＝(xps1，yps2，zps3)、ps2＝(xps2，yps2，zps2)......psn＝(xpsn，ypsn，zpsn)，以及qs1＝(xqs1，yqs2，zqs3)、qs2＝(xqs2，yqs2，zqs2)......qsn＝(xqsn，yqsn，zqsn)。

21、本发明中，需对导水机构顶盖、底环开档调整的最优值进行说明和定义，具体如下：

22、优选的，顶盖与底环进行预装时导水开档高度调整的最优值为：首先在导水机构开档l有的n个测点中分别计算出对应n个初始开档值，然后在n个测点中寻找某一最优的测点并相应抬高或者降低一最优值使得原有的n个开档值中的最大值与最小值之间的差值最小，该最优值即为导水机构顶盖、底环开档高度调整的最优值。

23、三、确定开档调整值的比例关系

24、s3、根据导水机构开档值调整时的几何关系，设置其最优开档值的调整点和调整值，并确定其余各点开档调整值随最优调整值变化的比例关系；

25、s3步骤中，根据导水开档值调整时的几何关系，假设第i个开档测点是最优开档值的调整点，分析确定其余各点开档值的随之变化的比例关系。

26、优选的，所述s3步骤包括以下步骤：

27、s31、设在n个开档测点中最优的调整点为第i点且最优调整值为hi，当hi≥0时，该点的开档值抬高|hi|；当hi≤0时，该点的开档值降低|hi|；

28、优选的，所述s31步骤中，第i点的开档调整量最大，第i点的左右两侧依次相邻的点的调整量逐渐减小，直至到第i点左右两侧完全垂直的两点的调整量为0，然后接着再往前两侧点的调整量值方向与之相反，直至第i点对称点的开档调整值与第i点大小相等、方向相反。

29、s32、设导叶轴孔分布圆半径为r，则第i点的抬升半径为r，其相邻的第(i-1)的抬升半径r(i-1)为：

30、ri-1/r＝cos(2π/n)

31、分析可知，若第i点的开档调整值为hi，则第(i-1)的开档调整值h(i-1)与hi之间的比例关系为：

32、hi-1/hi＝cos(2π/n)

33、由此类推可得，第(i-m)个点的开档调整值h(i-m)与hi之间的比例关系为：

34、hi-m/hi＝cos(2π×m/n)

35、其中，当n是4的整数倍时，m值的上限值为n/4；当n不是4的整数倍时，m值的上限值为(n+2)/4。

36、上述步骤中，m值的取值上限与导叶轴数n有关，由于导水机构中导叶数量一般为偶数个，当n是4的整数倍时，m值的上限值为n/4；当n不是4的整数倍时，m值的上限值为(n+2)/4。

37、本发明中，由s31步骤和s32步骤可知，当对导水机构的开档值进行调整时，若第i点为最大调整点，则其余各点的调整值的大小与方向与其在第i点半径方向上的投影半径的大小和方向有关。在第i点附近的1/4圆周测点内，其依次相邻测点开档调整值与第i的调整值之间的比例关系为：

38、当n是4的整数倍时：

39、hi-m/hi＝cos[(2π×m/n]

40、其中，i＝1、2......n，m＝1、2......n/4；

41、当n不是4的整数倍时：

42、hi-m/hi＝cos[(2π×m/n]

43、其中，i＝1、2......n，m＝1、2......(n+2)/4。

44、四、穷举计算开档值

45、s4、利用s2步骤的实测坐标基础数据计算导水机构开档的初始值，并利用初始值得到各对称测点组开档初始值差值以及初始开档调整值；再采用穷举法并结合s3步骤的比例关系，逐一计算每组对称测点作为最优开档调整点时其余开档值并建立开档值矩阵；

46、s4步骤中，根据理论装配模型提供的标准化坐标系计算导水机构开档的初始值，同时分析得到各对称测点开档差值的差值。根据各对称点初始开档差值确定该点及其对称点的初始开档调整值，然后采用穷举法逐一计算每组对称点作为最优开档调整点时其余开档值的变化情况。

47、优选的，所述s4步骤包括以下步骤：

48、s41、在顶盖、底环的初始装配坐标系下，设底环第个i开档测点的开档值为ki，根据s24步骤中顶盖、底环的实测开档计算坐标数据得到初始状态下导水机构开档值：

49、

50、s42、计算每个开档测点与其对称点的开档值之间的差值：

51、δki＝kci-kc(i+n/2)，(i＝1......2/n)

52、本发明中，对于任意一个开档测点的开档值，其可调整值的大小是与其对称点的开档值相关的。因此每个开档测点与其对称点的开档值之间的差值可由上式计算得到。

53、s43、计算由第i个点及第(i+n/2)个点组成的一组对称开档测点的初始开档的最佳调整值：

54、δhi＝δki/2，(i＝1......2/n)

55、本发明中，由s42步骤得到的差值可知，对于第i个点及第(i+n/2)个点组成的一组对称开档测点来说，其初始开档的最佳调整值为上述δhi。

56、s44、利用s43步骤的最佳调整值，结合s3步骤，得到其余的开档测点相应的调整值；

57、本发明中，由前述分析可知当导水机构总计有n个开档测点时，其两两对称的开档测点组一共则n/2。当某一组的开档测点最佳调整值由s43步骤计算确定时，其余的开档测点相应的变化值可由前述的s31步骤至s32步骤分析计算得到。

58、s45、对每一组对称测点的最佳开档调整值对其余开档值的变化情况逐一进行穷举计算并建立开档值矩阵。

59、本发明中，整个导水机构的开档调整最优值是指在所有的开档测点中寻找出使得最大开档值与最小开档值的差值最小的调整点和调整值。因此若将s44步骤中每一组对称测点的最佳开档调整值对其余开档值的变化情况逐一进行穷举计算，便能寻找出整个导水机构开档调整的最优值。

60、本发明中，为便于清楚地展示穷举法的计算过程，以第1个开档测点及第1+n/2个开档测点组成的对称开档测点组为例，计算分析整个导水机构的开档值的调整情况，具体如下：

61、优选的，所述s45步骤的穷举法中，对于第1个开档测点及第1+n/2个开档测点组成的对称开档测点组：

62、第1个开档测点的调整值为：

63、

64、第2个开档测点的调整值为：

65、

66、本发明中，由s32步骤可知，第2个开档测点为第1个开档测点的相邻测点，其开档的调整是与第1个开档测点的调整值成比例的，因此第2个开档测点的调整值为上式。

67、同理可得当1≤m≤n/4时，第m个开档测点的开档值为：

68、

69、当开档测点编号超过n/4时，由s31步骤可知其开档测点的调整值的方向将会发生改变，但其调整值的大小与前面的对应测点的调整大小相同。因此：

70、当m＝n/4+1时：

71、

72、n/4+1＜m≤n/2时：

73、

74、当m＝n/2+1时：

75、

76、当n/2+1＜m≤3n/4时：

77、

78、当m＝3n/4+1时：

79、

80、当3n/4＜m≤n时：

81、

82、由此可知，当导叶轴孔数n为4的整倍数时，开档测点的调整值：

83、

84、当导叶轴孔数n不为4的整倍数时，开档测点的调整值：

85、

86、由上述得出的每个开档测点的调整值得到所有开档测点调整后的开档值为：

87、

88、本发明中，上述方法仅举例说明了在穷举计算中当以第1个开档测点及第1+n/2个开档测点组成的对称开档测点作为最优开档调整值时，整个导水机构开档值的变化情况。在剩余的n/2-1对称开档测点组中，可参考s31步骤的变化规律和上述的计算方法得到其余的开档调整值。

89、优选的，所述s45步骤中，若干对称开档测点组中，调整后的开档值为：

90、

91、若干对称开档测点组调整后的开档值组成的矩阵为：

92、

93、本发明中，由上述公式穷举计算得到的关于导水机构开档调整的所有值，并将其组成以上的矩阵，而整个导水机构开档最优调整值就是从其中每一行表示的调整后开档值中进行比较计算而得。

94、五、最优值及位置确定

95、s5、利用s4步骤的开档值矩阵，确定导水机构开档最优调整值、位置以及最优开档值。

96、s5步骤中，根据前述分析，确定导水机构开档调整的最优值及位置。

97、优选的，所述s5步骤包括以下步骤：

98、s51、在s4步骤所有穷举计算的n/2对开档调整组中，计算每一组调整后的所有开档值的最大值与最小值之差εi：

99、

100、s52、对所有的εi进行比较，找到其最小值所代表的编号并将其设为z，整个导水机构开档调整后的最优值k′m为：

101、

102、上述步骤中，对所有的εi(i＝1、2......n/2)进行比较，其中εi的最小值所代表的编号即是整个导水机构开档调整的位置并设其为z，则整个导水机构开档调整后的最优值k′m可用以上计算式表示。式中kcm、等由前述步骤计算而得。

103、本发明的有益效果：

104、本发明提供的最优开档值确定方法，用于水泵水轮机导水机构进行数字预装时分析确定导水机构开档值进行调整后的最优值，并用以来判断导水机构装配后开档值是否能满足验收要求。导水机构通过数字预装代替实物预装不仅能同等满足导水机构装配质量的判断和关键数据的验收，还能大幅度减少能耗和压缩装配周期。另外通过逆向测量得到的各零部件的实测数据和模型可用于各零部件加工的综合质量判定及数字孪生产品的实现。

105、目前，数字化预装技术在水轮机制造领域还属于探索研究的前沿技术，尚未得到充分的应用和推广。本发明对水泵水轮机导水机构数字预装时关键验收的导水的最优开档值的计算方法进行了分析并形成了规范化的计算方法，可为水泵水轮机导水机构进行数字化预装判定装配质量提供重要的技术基础和关键支撑。