流体机械及系统优化设计与应用研究

内蒙古工业大学机械学院 邱毅清 武建新

流体机械及系统优化设计与应用研究

内蒙古工业大学机械学院 邱毅清 武建新

近年来随着科学技术和工业生产技术迅猛发展，通过对流体机械以及系统优化设计进行分析，结合流体机械系统可靠性设计方案情况，得出可靠性设计在流体机械中的应用结论，以供参考。

流体机械；系统优化；设计；可靠性研究

1 流体机械及系统的优化设计

流体机械最初应用在燃气机械装置中压气设备、鼓风机以及石油化工生产设备中大型透平压缩机设计。但是流体机械最广泛使用在通用机械和各种类型中型低压风机方面，主要采用20世纪中期航空行业发展所衍生出的机翼运行理论，加上孤立翼型升力模式和理论试验数据，从20世纪末期开始出现大量平面涡轮实验数据以及运行理论作为流体机械与系统设计主要参考依据。现阶段，我国流体机械以及系统设计仍然存在诸多问题，从系统优化设计角度进行分析和考虑，可以得出流体机械使用效率低的最重要原因是系统设备与网络不匹配，其改造途径是将流体机械中高压叶列系统更改为中压或低压叶列系统，使用液力耦合器调整机械泵和流体风机流量，进一步实现流体机械使用效率。

近年来，机械自动化调速技术、变速控制节能、流体机械调节以及高压离心节能机械逐渐取代了传统机械使用地位，将流体技术系统进行优化和升级，利用科学原理和实验数据进行计算，确保满足流体机械设计参数和各种外界需求因素。合理选择流体机械结构数据和运行数据，从而实现提高流体机械使用效率，调整最佳机械尺寸和重量，降低生产噪音。

1.1 流体机械风机结构设计

目前风机流形的叶轮、叶片沿叶高方向基本都是扭曲状态，这一设定的目的是为了使机械各基元级速度三角形沿叶片高度上方向变化符合实际运行需求和外界影响因素，加大机械功率使风机性能最大程度上发挥出来。结合已经出现的优质流体机械系统设计数据，将机械实际工作需求和制约因素进行分析，制定最优化原理应用设计和数值计算，寻找风机最优值叶高方面扭曲规律，实现流体机械内部运行损失最小化、效率最大化。

1.2 流体机械风机结构参数优化

选择标准流体机械风机结构参数和试验数据，确保结构优化设计可以精准高效控制机械风机内部结构运行损失。机械风机内部结构主要参数是由机械叶轮直径、机械叶轮直径比例、机械叶轮调度、机械叶轮直径流向与机械叶轮轴向间距等方面组成，直接影响着流体机械风机运行效率、性能以及运行成本。现阶段流体机械风机气动结构设计多数情况下采用最高效优化方式预测和计算流体机械风机内部结构运行参数。将流体机械系统与旋轴流型风机结构特征进行收集，在流体机械系统不可取、进出口流向以及等环量流向为结构轴向条件下，通过采用基元平面叶轮理论，建立对旋轴流体风机的优化模型，结合高等数学理论混合函数计算法进行测试和估算。

总之，流体机械以及系统优化设计主要是将流体机械风机进行优化升级，设计方式遵循各层次元级速度三角结构沿叶片高度与方向变化适合实际运行中客观情况、外界影响因素以及机械加工量固定范围内比重进行调整。系统优化设计实际上仍然是对流体机械参数分析对比，是当今流体机械生产行业与企业技术水平现状。现阶段，已有相关部门以二元流通机械运行理论为依托，重点研究流体机械流线曲率法在风机结构中运用情况，部分通用机械生产企业积极吸收和学习国际先进技术和知识，对企业内部产品生产和流体进行分析，采用近年来使用最为广泛且针对机械内部流场研究理论中激光断层速率检测企业产品内部流体技术，逐渐积累理论指导经验。

2 流体机械及系统可靠性研究

流体机械生产的产品主要包括：第一，企业产品达到失效标准且不具备再次维修价值，通常称作不可再维修产品；第二，企业产品达到失效标准但是通过维修后仍继续使用，又称“可维修产品”。因为企业产品使用功能和性质不尽相同，所以其系统可靠性研究结果也不相同。其中不可再维修产品重点关注产品在特定时间内失效信息，并将信息收集和记录。

流体机械可靠性研究是将系统运行数据指标和参数进行对比分析，其本质内涵是将机械运行能力更改为概率分析。可靠性研究的特定条件主要包括外界温度、机械承重和压力以及生产环境中湿度问题等环境工作条件。其中，特定时间还受机械运行周期、机械运行次数以及使用操作途径等方面影响。针对不可再维修产品，要在规定使用周期内完成功能状态，并对机械生产产品数据和这段时间内投入产品数对比计算。可维修产品是由多个产品和结构在持续无故障工作条件下运行次数和规定时间内测试故障工作次数进行对比。可靠性技术研究流体机械生产产品使用周期和失效信息，使用周期规定在产品失效之间的工作信息。其中，可维修产品主要指相关联系统结构运行故障工作时间，也就是运行无故障工作时间，从产品失效功能角度进行划分，可维修产品又称为修复故障。

在进行可靠性研究试验数据收集过程中，首先假设产品使用寿命的函数分布类型。其次，通过数据分析和函数定点计算、区间估算等方式计算机械运行参数。确保计算结果贴合实际情况，必要情况下需要进行二次检测。二次检验主要运用高等数学计算方法进行假设分析，将试验参数和函数数据进行对比分析，这种方式通常称作为“拟合性检验”

可靠性研究实验的预测数据来源于流体机械系统有效参数计算和对机械结构元件可靠性指标分析对比，在流体机械系统优化设计过程中，将系统中特定可靠度指标和故障率运用相应数学计算公式科学合理地将系统元件可靠性数据进行划分。可靠性研究主要通过现有机械元件参数预测和评估系统设计是否可靠。

3 流体机械及系统优化设计应用

可靠性指标划分根据系统运行可靠度来推算机械结构各个元件运行效率。系统可靠性设计根据不同机械运行阶段采用不同推算方式，通常来讲，可靠性设计研究要结合系统可靠性指标划分结果，在这一基础上根据设计参数进行预测评估，要求系统预测结果贴合系统实际规范指标并进行详细分析，调整和完善流体机械系统设计。对系统可靠性数据进行反复划分和计算，将研究结果偏差降到最低。

流体机械和动力工程可靠性研究要将机械强度数据进行分析，现有流体机械系统设计中机械强度工作应力大于或等于可承受应力。为确保工作运行安全程度，引入安全检测系数。流体机械系统设计收集可靠性参数具有较大主观因素，其检测结果导致元件结构和尺寸相对偏大，无形之中增加机械材料成本费用和运行动力消耗。在机械可靠性系统设计中，将机械工作应力和材料强度参数作为函数分布规律参考变量，采用可靠性概率计算理论一定程度上降低了机械元件失效概率比重，调整机械元件重量和尺寸，确保元件满足流体机械可靠度要求。

4 结束语

流体机械及系统的优化设计要严格遵循相关制度和标准，通过采用先进科学的故障检测技术和维修技术，选择适用流体机械检修设备和工具，全面提高流体机械操作人员技术水平和素养，实现流体机械及系统最优化设计。

[1]司华福.流体机械及系统的优化设计与可靠性分析[J].黑龙江科技信息,2014(13):29-29.

[2]张荣标,朱荣生.集散控制系统可靠性设计探讨[J].排灌机械工程学报,2001,19(2):39-42.

内蒙古自治区工程技术研究中心建设项目（编号102-413126）。

邱毅清（1992.11-），男，内蒙古呼和浩特人，研究生，研究方向：PLC控制、机械电子工程。

2017-07-11）