流體機械及系統優化設計與應用研究

內蒙古工業大學機械學院 邱毅清 武建新

流體機械及系統優化設計與應用研究

內蒙古工業大學機械學院 邱毅清 武建新

近年來隨著科學技術和工業生產技術迅猛發展，通過對流體機械以及系統優化設計進行分析，結合流體機械系統可靠性設計方案情況，得出可靠性設計在流體機械中的應用結論，以供參考。

流體機械；系統優化；設計；可靠性研究

1 流體機械及系統的優化設計

流體機械最初應用在燃氣機械裝置中壓氣設備、鼓風機以及石油化工生產設備中大型透平壓縮機設計。但是流體機械最廣泛使用在通用機械和各種類型中型低壓風機方面，主要采用20世紀中期航空行業發展所衍生出的機翼運行理論，加上孤立翼型升力模式和理論試驗數據，從20世紀末期開始出現大量平面渦輪實驗數據以及運行理論作為流體機械與系統設計主要參考依據。現階段，我國流體機械以及系統設計仍然存在諸多問題，從系統優化設計角度進行分析和考慮，可以得出流體機械使用效率低的最重要原因是系統設備與網絡不匹配，其改造途徑是將流體機械中高壓葉列系統更改為中壓或低壓葉列系統，使用液力耦合器調整機械泵和流體風機流量，進一步實現流體機械使用效率。

近年來，機械自動化調速技術、變速控制節能、流體機械調節以及高壓離心節能機械逐漸取代了傳統機械使用地位，將流體技術系統進行優化和升級，利用科學原理和實驗數據進行計算，確保滿足流體機械設計參數和各種外界需求因素。合理選擇流體機械結構數據和運行數據，從而實現提高流體機械使用效率，調整最佳機械尺寸和重量，降低生產噪音。

1.1 流體機械風機結構設計

目前風機流形的葉輪、葉片沿葉高方向基本都是扭曲狀態，這一設定的目的是為了使機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，加大機械功率使風機性能最大程度上發揮出來。結合已經出現的優質流體機械系統設計數據，將機械實際工作需求和制約因素進行分析，制定最優化原理應用設計和數值計算，尋找風機最優值葉高方面扭曲規律，實現流體機械內部運行損失最小化、效率最大化。

1.2 流體機械風機結構參數優化

選擇標準流體機械風機結構參數和試驗數據，確保結構優化設計可以精準高效控制機械風機內部結構運行損失。機械風機內部結構主要參數是由機械葉輪直徑、機械葉輪直徑比例、機械葉輪調度、機械葉輪直徑流向與機械葉輪軸向間距等方面組成，直接影響著流體機械風機運行效率、性能以及運行成本。現階段流體機械風機氣動結構設計多數情況下采用最高效優化方式預測和計算流體機械風機內部結構運行參數。將流體機械系統與旋軸流型風機結構特征進行收集，在流體機械系統不可取、進出口流向以及等環量流向為結構軸向條件下，通過采用基元平面葉輪理論，建立對旋軸流體風機的優化模型，結合高等數學理論混合函數計算法進行測試和估算。

總之，流體機械以及系統優化設計主要是將流體機械風機進行優化升級，設計方式遵循各層次元級速度三角結構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械加工量固定范圍內比重進行調整。系統優化設計實際上仍然是對流體機械參數分析對比，是當今流體機械生產行業與企業技術水平現狀。現階段，已有相關部門以二元流通機械運行理論為依托，重點研究流體機械流線曲率法在風機結構中運用情況，部分通用機械生產企業積極吸收和學習國際先進技術和知識，對企業內部產品生產和流體進行分析，采用近年來使用最為廣泛且針對機械內部流場研究理論中激光斷層速率檢測企業產品內部流體技術，逐漸積累理論指導經驗。

2 流體機械及系統可靠性研究

流體機械生產的產品主要包括：第一，企業產品達到失效標準且不具備再次維修價值，通常稱作不可再維修產品；第二，企業產品達到失效標準但是通過維修后仍繼續使用，又稱“可維修產品”。因為企業產品使用功能和性質不盡相同，所以其系統可靠性研究結果也不相同。其中不可再維修產品重點關注產品在特定時間內失效信息，并將信息收集和記錄。

流體機械可靠性研究是將系統運行數據指標和參數進行對比分析，其本質內涵是將機械運行能力更改為概率分析。可靠性研究的特定條件主要包括外界溫度、機械承重和壓力以及生產環境中濕度問題等環境工作條件。其中，特定時間還受機械運行周期、機械運行次數以及使用操作途徑等方面影響。針對不可再維修產品，要在規定使用周期內完成功能狀態，并對機械生產產品數據和這段時間內投入產品數對比計算。可維修產品是由多個產品和結構在持續無故障工作條件下運行次數和規定時間內測試故障工作次數進行對比。可靠性技術研究流體機械生產產品使用周期和失效信息，使用周期規定在產品失效之間的工作信息。其中，可維修產品主要指相關聯系統結構運行故障工作時間，也就是運行無故障工作時間，從產品失效功能角度進行劃分，可維修產品又稱為修復故障。

在進行可靠性研究試驗數據收集過程中，首先假設產品使用壽命的函數分布類型。其次，通過數據分析和函數定點計算、區間估算等方式計算機械運行參數。確保計算結果貼合實際情況，必要情況下需要進行二次檢測。二次檢驗主要運用高等數學計算方法進行假設分析，將試驗參數和函數數據進行對比分析，這種方式通常稱作為“擬合性檢驗”

可靠性研究實驗的預測數據來源于流體機械系統有效參數計算和對機械結構元件可靠性指標分析對比，在流體機械系統優化設計過程中，將系統中特定可靠度指標和故障率運用相應數學計算公式科學合理地將系統元件可靠性數據進行劃分。可靠性研究主要通過現有機械元件參數預測和評估系統設計是否可靠。

3 流體機械及系統優化設計應用

可靠性指標劃分根據系統運行可靠度來推算機械結構各個元件運行效率。系統可靠性設計根據不同機械運行階段采用不同推算方式，通常來講，可靠性設計研究要結合系統可靠性指標劃分結果，在這一基礎上根據設計參數進行預測評估，要求系統預測結果貼合系統實際規范指標并進行詳細分析，調整和完善流體機械系統設計。對系統可靠性數據進行反復劃分和計算，將研究結果偏差降到最低。

流體機械和動力工程可靠性研究要將機械強度數據進行分析，現有流體機械系統設計中機械強度工作應力大于或等于可承受應力。為確保工作運行安全程度，引入安全檢測系數。流體機械系統設計收集可靠性參數具有較大主觀因素，其檢測結果導致元件結構和尺寸相對偏大，無形之中增加機械材料成本費用和運行動力消耗。在機械可靠性系統設計中，將機械工作應力和材料強度參數作為函數分布規律參考變量，采用可靠性概率計算理論一定程度上降低了機械元件失效概率比重，調整機械元件重量和尺寸，確保元件滿足流體機械可靠度要求。

4 結束語

流體機械及系統的優化設計要嚴格遵循相關制度和標準，通過采用先進科學的故障檢測技術和維修技術，選擇適用流體機械檢修設備和工具，全面提高流體機械操作人員技術水平和素養，實現流體機械及系統最優化設計。

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

[2]張榮標,朱榮生.集散控制系統可靠性設計探討[J].排灌機械工程學報,2001,19(2):39-42.

內蒙古自治區工程技術研究中心建設項目（編號102-413126）。

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

2017-07-11）