CN114427545B - 一种仿生学水泵壳体、壳体的隔舌及隔舌的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种水泵壳体的技术领域，尤其是涉及一种仿生学水泵壳体的隔舌，其包括一体设置的隔舌头部和隔舌侧部，所述隔舌侧部有两个且对称设置在隔舌头部的两侧；所述隔舌头部在隔舌的分水面上投影的边缘形状为第一外形曲线；所述隔舌侧部在隔舌的分水面上投影的边缘形状为第二外形曲线；所述第二外形曲线的曲线方程以第二外形曲线远离于第一外形曲线一点为坐标原点，以沿着隔舌中心线方向为X轴，以隔舌头部朝向为Y轴。本申请还涉及一种仿生学水泵壳体及隔舌的设计方法。本申请具有隔舌厚度不变的情况下提升隔舌部位承压能力的效果。
Description
技术领域
本申请涉及一种水泵壳体的技术领域，尤其是涉及一种仿生学水泵壳体、壳体的隔舌及隔舌的设计方法。
背景技术
水泵是输送液压或使液体增压的机械。水泵分为离心泵、轴流泵和混流泵。对于离心泵包括壳体和叶轮，叶轮通过在壳体内旋转，使叶轮中心吸入的液体在叶轮的作用下向叶轮的边缘移动，同时达到增压的作用，从而使液体的动能和压力能增大。
相关技术中，水泵的壳体的中心为蜗形腔，在壳体的侧壁上形成有一出水通道，出水通道一端与壳体连接，另一端向远离于壳体的方向延伸，进而出水通道与蜗形腔相连接的位置形成有隔舌，隔舌的作用是用于将蜗形腔内旋转的液体分成两部分，一部分再次进入到蜗形腔内，另一部分进入到出水通道内，因此隔舌在水泵的壳体中是受力比较大的部位；同时隔舌还是用于分流的部位，所以隔舌厚度的尺寸越小，分流作用就越高效，对液体流动的阻挡也越小，振动也减少。
在相关技术中对于隔舌强度不足时，通常采用加大隔舌的壁厚，以使隔舌能够达到较高的强度，这样会造成隔舌对流体的阻挡增大，影响水泵的整体效率。
发明内容
为了使隔舌厚度不变的情况下提升隔舌部位的承压能力，本申请提供一种仿生学水泵壳体、壳体的隔舌及隔舌的设计方法。
本申请提供一种仿生学水泵壳体的隔舌，采用如下的技术方案：
一种仿生学水泵壳体的隔舌，包括一体设置的隔舌头部和隔舌侧部，所述隔舌侧部有两个且对称设置在隔舌头部的两侧；所述隔舌头部在隔舌的分水面上投影的边缘形状为第一外形曲线；所述隔舌侧部在隔舌的分水面上投影的边缘形状为第二外形曲线；所述第二外形曲线的曲线方程以第二外形曲线远离于第一外形曲线一点为坐标原点，以沿着隔舌中心线方向为X轴，以隔舌头部朝向为Y轴；所述第二外形曲线的曲线方程为y = -10- 18n4x5 + 2*10-6n3x4 - 0.0005n2x3 + 0.0375nx2 - 1.2931x - 1.1664/n；隔舌的宽度为d；n=d/100。
通过采用上述技术方案，使用时，隔舌侧部与隔舌头部一体设置形成，在隔舌头部与隔舌的分水面相交处形成的第二外形曲线采用第二外形曲线的曲线方程，对隔舌处的受力情况分析发现，沿着隔舌宽度方向上的应力分布比较均匀，并且最大的应力也有较大的下降，进而在受到水流冲击的过程中能够承受更大的压力，因此可在隔舌厚度不变的情况下提升隔舌部位的承压能力。
优选的，所述第二外形曲线靠近于第一外形曲线一端的端点所对应的X轴的取值范围为30至40；所述第一外形曲线与第二外形曲线的连接处平滑过渡；所述第一外形曲线为直线。
通过采用上述技术方案，第二外形曲线靠近于第一外形曲线的端点所对应的X轴取值范围在30到40之间时，第二外形曲线的方程的一次导函数所对应的值均较小，使第二外形曲线与第一外形曲线的连接处过渡较小，进而能够减少隔舌头部对与隔舌侧部连接位置的影响。
优选的，所述第二外形曲线靠近于第一外形曲线一端的端点所对应的X轴的取值范围为21.2至30；所述第一外形曲线为弧形，并且第一外形曲线的两端与第二外形曲线相切。
通过采用上述技术方案，对于第二外形曲线靠近于第一外形曲线一端的端点所对应X轴取值范围是21.2至30之间时，能够使第二外形曲线保留有足够的第二外形曲线方程的形状，同时能够使第二外形曲线有一定的斜率并与弧形的第一外形曲线相切，使隔舌头部与隔舌侧部之间平滑连接。
优选的，所述第一外形曲线连接于第二外形曲线的一端至所述第一外形曲线中心逐渐远离于第二外形曲线。
通过采用上述技术方案，隔舌头部靠近于第一外形曲线中心的位置逐渐远离隔舌侧部，因此抵抗水流的冲击时，隔舌头部逐渐过渡，进一步提高了隔舌宽度方向的应力分布均匀性，也降低了隔舌上的应力最大值。
优选的，所述隔舌头部的横截面为圆弧形的边缘；隔舌侧部的横截面为圆弧形的边缘。
通过采用上述技术方案，隔舌头部的横截面和隔舌侧部的横截面均设置有圆弧形，进而使水流能够在隔舌头部和隔舌侧部流动时，在隔舌头部和隔舌侧部形成的空泡，进而提高隔舌的使用寿命。
本申请还提供一种仿生学水泵壳体的隔舌，采用如下的技术方案：
一种仿生学水泵壳体，包括一种仿生学水泵壳体的隔舌；所述隔舌包括一体设置的隔舌头部和隔舌侧部，所述隔舌侧部有两个且对称设置在隔舌头部的两侧；所述隔舌头部在隔舌的分水面上投影的边缘形状为第一外形曲线；所述隔舌侧部在隔舌的分水面上投影的边缘形状为第二外形曲线；所述第二外形曲线的曲线方程以第二外形曲线远离于第一外形曲线一点为坐标原点，以沿着隔舌中心线方向为X轴，以隔舌头部朝向为Y轴；所述第二外形曲线的曲线方程为y = -10-18n4x5 + 2*10-6n3x4 - 0.0005n2x3 + 0.0375nx2 -1.2931x - 1.1664/n；隔舌的宽度为d；n=d/100。
通过采用上述技术方案，壳体在使用过程中能够在隔舌处的应力分布比较均匀，减少壳体的损坏；提高壳体的使用寿命。
本申请还提供一种仿生学水泵壳体隔舌的设计方法，采用如下的技术方案：
一种仿生学水泵壳体隔舌的设计方法，包括如下步骤：首先选用d=100mm做出仿生曲线；然后先取7个控制点的X和Y值；X和Y值分别为（0，0）；（10，-14）；（30，-12）；（50，-25）；（70，-12）；（90，-14）；（100，0）；再通过7个控制点做出趋势线；所述趋势线与仿生曲线趋于重合；所述趋势线的方程为y = -10-18x5 + 2*10-6x4 - 0.0005x3 + 0.0375x2 - 1.2931x -1.1664；将所述趋势线应用于隔舌侧部的第二外形曲线上。
通过采用上述技术方案，先做出仿生曲线，再通过选取7个控制点，以使控制点的趋势线能够与仿生曲线进行重合，进行能够用趋势线的方程式再对隔舌侧部的形状进行控制，方便隔舌侧部的制作；同时所得到的隔舌侧部的形状比较光滑，减少隔舌上发生局部的应力较大。
优选的，所述仿生曲线通过以下步骤做出：首先做出Y=-21.2的基准直线；然后以基准直线上的一点为圆心；同时以r1=21.2为半径做圆；形成第一弦L1；再以第一弦L1与基准直线的交点为圆心，以第一弦L1的一半为半径做圆；形成位于第一弦与基准直线之间的第二弦L2；再以第二弦L2与基准直线的交点为圆心，以第二弦L2的一半为半径做圆；形成位于第二弦与基准直线之间的第三弦L3；再做另一侧的第一弦L1、第二弦L2和第三弦L3；然后在将第一弦L1和第二弦L2的连接处、第二弦L2和第三弦L3及两个第三弦L3的连接处圆弧过渡。
通过采用上述技术方案，Y=21.2做出的基准直线是用于将第一弦、第二弦和第三弦进行制作的过程，第三弦与基准直线的交点刚好为横坐标等于50的位置；进而使两个第一弦、两个第二弦和两个第三弦控制仿生曲线的大致轮廓，比较方便仿生曲线的制作，同时更接近于所需要的曲线形状。
优选的，所述第二外形曲线和第一外形曲线中对于X坐标大于d/2的部分由X坐标小于d/2的部分对称形成。
通过采用上述技术方案，形成隔舌头部的第一外形曲线和形成隔舌侧部的第二外形曲线为对称的结构，对于第二外形曲线方程中处于较小的X坐标的曲线更准确地与趋势线贴合，同时使两个隔舌侧部具有相同的承压能力。
优选的，还包括对隔舌强度进行分析；对隔舌强度进行分析包括采用计算机建立隔舌的应力模型；隔舌的应力模型包括完整的第一外形曲线和一半的第二外形曲线，并对一半隔舌的应力模型进行应力的分析。
通过采用上述技术方案，建立一半隔舌的应力模型，且包括完整的第一外形曲线和一半的第二外形曲线，以使隔舌最大应力点处于所建立的一半隔舌的应力模型上；比较方便地分析出隔舌最大的应力分布位置。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过隔舌头部与隔舌的分水面相交处形成的第二外形曲线采用第二外形曲线的曲线方程，沿着隔舌宽度方向上的应力分布比较均匀，并且最大的应力也有较大的下降，进而在受到水流冲击的过程中能够承受更大的压力，因此可在隔舌厚度不变的情况下提升隔舌部位的承压能力；
2.通过第二外形曲线靠近于第一外形曲线的端点所对应的X轴取值范围在30到40之间时，使第二外形曲线与第一外形曲线的连接处过渡较小，进而能够减少隔舌头部对与隔舌侧部连接位置的影响；
3.通过隔舌头部靠近于第一外形曲线中心的位置逐渐远离隔舌侧部，因此抵抗水流的冲击时，隔舌头部逐渐过渡，进一步提高了隔舌宽度方向的应力分布均匀性。
附图说明
图1是本申请实施例中一种水泵壳体的结构示意图；
图2是本申请实施例一的一种仿生学水泵壳体的隔舌的结构示意图；
图3是本申请实施例中仿生曲线的设计示意图；
图4是本申请实施例中趋势线的设计示意图；
图5是本申请实施例中隔舌应力分析模型示意图；
图6是本申请实施列中隔舌应力分布示意图；
图7是本申请实施例二的一种仿生学水泵壳体的隔舌的结构示意图。
附图标记说明：1、腔体；2、侧壁；3、出水通道；4、隔舌；41、隔舌头部；42、隔舌侧部；5、分水面；7、第一外形曲线；6、第二外形曲线；8、基准直线；9、仿生曲线；10、趋势线；L1、第一弦；L2、第二弦；L3、第三弦；p1、第一点；p2、第二点；p3、第三点；a、第一应力曲线；b、第二应力曲线；c、第三应力曲线。
具体实施方式
以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。
参考图1，一种水泵壳体的结构，包括一体设置的腔体1、侧壁2和出水通道3；腔体1为蜗状，侧壁2连接在腔体1中心线的一端，出水通道3连接于腔体1的外侧，出水通道3与腔体1的内部连通，出水通道3与腔体1的连接处形成有隔舌4，隔舌4朝向与腔体1内的水流方向相对。隔舌4迎水的部位为隔舌头部41，隔舌4与侧壁2连接的位置为隔舌侧部42；隔舌头部41受到水流的冲击时，隔舌侧部42提供抵抗冲击的作用力。
实施例一：
本申请实施例公开一种仿生学水泵壳体的隔舌，参考图2，包括隔舌头部41和隔舌侧部42，隔舌侧部42与隔舌头部41一体设置形成，并且隔舌侧部42的一侧与隔舌头部41连接，另一端用于与壳体的侧壁2连接，隔舌侧部42靠近于隔舌头部41的一侧与隔舌头部41平滑连接。隔舌侧部42由隔舌头部41向侧壁2延伸的过程中逐渐向沿着隔舌4朝向的方向延伸，使隔舌侧部42与壳体的侧壁2连接处增大，提高隔舌4的强度。
参考图2，隔舌头部41整体为半圆柱形弧面，以隔舌头部41的中心线和隔舌头部41的朝向所在的平面为隔舌4的分水面5，分水面5与隔舌头部41相交形成第一外形曲线7；分水面5与隔舌侧部42相交形成第二外形曲线6，第一外形曲线7为一直线，第二外形曲线6为弧线。
参考图2，以第二外形曲线6远离于第一外形曲线7的一端为坐标原点，以平行于隔舌头部41的中心线为X轴且X轴朝向指向隔舌头部41的中心；以平行于隔舌头部41朝向的方向为Y轴。第二外形曲线6的曲线方程为y = -10-18n4x5 + 2*10-6n3x4 - 0.0005n2x3 +0.0375nx2 - 1.2931x - 1.1664/n；其中n为隔舌4总宽度d与100的比值；x，y，d的单位均为mm。以垂直于隔舌4中心线的任一横截面与隔舌头部41相交均为圆弧，以垂直于隔舌4中心线的任一横截面与隔舌侧部42相交均为圆弧；以使隔舌头部41和隔舌侧部42与水流朝向相对的表面均为弧形面，减少水流经过隔舌4时在隔舌4表面形成的空泡。
本实施例还公开一种仿生学水泵壳体隔舌的设计方法，本实施例中的隔舌4总宽度d取100mm；d根据水泵所需要的流量确定。参考图3，先计算出隔舌侧部42向远离于隔舌头部41的方向延伸的长度Dmm，D=d/4.721=21.2。以隔舌4的宽度方向做X轴；以垂直于X轴的方向做Y轴；画出Y=-Dmm的基准直线8，然后以基准直线8与Y轴的交点为圆点，以r1=Dmm做圆，并在基准直线8与Y轴形成的第一弦L1；第一弦L1长度的一半为r2，在第一弦L1的中间做出第一点p1；然后再以第一弦L1与基准直线8的交点为圆点，以r2为半径做圆，并在基准直线8与第一点p1点之间形成第二弦L2；第二弦L2的长度的一半为r3，在第二弦L2的中间做第二点p2；然后再以第二弧L2与基准直线8的交点为圆点，以r3为半径做圆，并在基准直线8与第二点p1之间形成第三弦L3；做出第三点p3，第三点p3的X为d/2mm；Y为-Dmm。以第三点p3对称做出第一弦L1、第二弦L2和第三弦L3的对称第一弦L1、第二弦L2和第三弦L3；在两个第一弦L1、两个第二弦L2和两个第三弦L3围成隔舌4设计区；在隔舌4设计区内沿着第一弦L1、第二弦L2和第三弦L3画出仿生曲线9；仿生曲线9为类树根与树干连接处形状；仿生曲线9在第一弦L1和第二弦L2的连接处圆弧过渡；仿生曲线9在第二弦L2和第三弦L3的连接处圆弧过渡；仿生曲线9在两个第三弦L3的连接处圆弧过渡。
参考图4，然后再以点X，Y分别选（0，0）；（10，-14）；（30，-12）；（50，-25）；（70，-12）；（90，-14）；（100，0）为7个以X=50对称选取的控制点，然后以5次函数方程绘制出7个控制点的y = -10-18x5 + 2*10-6x4 - 0.0005x3 + 0.0375x2 - 1.2931x - 1.1664的趋势线10，趋势线10的形状与仿生曲线9趋于重合。根据趋势线10做出隔舌侧部42的第二外形曲线6；第二外形曲线6的起点为远离于第一外形曲线7的端点；第二外形曲线6的终点为与第一外形曲线7连接的端点；第二外形曲线6起点的X坐标为0；第二外形曲线6终点的X坐标取值范围30-40。第二外形曲线6终点的X坐标取30-40时，第一外形曲线7的方程的导函数值均小于-0.18，比较趋近于零，进行使第二外形曲线6与第一外形曲线7在相接时，平滑过渡的弧较短，对第二外形曲线6与第一外形曲线7的连接处的强度影响较小；对于X坐标大于d/2的部分所对应的第二外形曲线6和第一外形曲线7由X坐杆小于d/2的部分对称形成。
参考图5，对隔舌4的强度进行分析：采用计算机建立隔舌4的应力模型；隔舌4的应力模型均采用完整的第一外形曲线7和第一外形曲线7所连接的一半第二外形曲线6；建立本设计的隔舌4模型和对比例的隔舌4模型，对比例的隔舌4模型为隔舌头部41通过固定半径的隔舌侧部42连接于壳体的侧壁2，即隔舌侧部42与分水面5形成的第二外形曲线6的曲率保持不变，且所选取的曲率半径r=d/4.721；使对比例形成的隔舌侧部42向远离于隔舌头部41方向延伸的长度相等。
参考图5和图6，通过试验的结果分析沿着第一外形曲线7和第二外形曲线6的长度方向的应力分布。横坐标从第一外形曲线7和第二外形曲线6所形成的曲线一端开始，且记为s=0，另一端为s=l；第一外形曲线7和第二外形曲线6上的点即为s/l；纵坐标为横坐杆所对应第一外形曲线7和第二外形曲线6上当前点的应力值。第一应力曲线a为对比例中所设计的隔舌4模型的各点的应力曲线；第二应力曲线b为本实施例的隔舌4模型的各点应力曲线。第一应力曲线a的最大应力处于s/l=0.4的位置且应力值1.88；对于第二应力曲线b中的最大应力值为1.35，远小于对比例中的最大应力值1.88；且减少幅度达28.2%；同时对于第一应力曲线a中的应力分布最大值偏离于最终趋近值较大，而第二应力曲线b的应力分布最大值偏离于最终趋近值较小，使隔舌4整体的应力分布比较均匀；因此在本设计中的隔舌4结构能够有效改善隔舌4应力分布不均的情况，提高隔舌4的使用寿命，同时在设计时能够通过控制隔舌4的形状以提高隔舌4的强度，减少隔舌4的厚度；即在隔舌4厚度不变的情况下能够提高隔舌4的承压能力。
实施例二：
本申请实施例公开一种仿生学水泵壳体的隔舌，参考图7，与实施例一不同在于：第二外形曲线6终点的X取值范围为21.2至30。第一外形曲线7为弧形，第一外形曲线7所呈弧形为抛物线，并且第一外形曲线7所呈弧形的两端分别与两个第二外形曲线6的终点连接，第一外形曲线7与第二外形曲线6的连接点处相切设置。对本实施例中的隔舌4结构进行应力分析，第三应力曲线c为本实施例中的隔舌4模型的各点应力曲线，从试验结果中得出应力最大值相比于实施例一进一步降低，并且应力分布也更均匀。
实施例三：
本申请实施例公开一种仿生学水泵壳体，采用整体铸造工艺形成；包括侧壁2和实施例一或实施例二的一种仿生学水泵壳体的隔舌；隔舌侧部42远离隔舌头部41的一端与侧壁2一体形成。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种仿生学水泵壳体的隔舌，其特征在于：包括一体设置的隔舌头部(41)和隔舌侧部(42)，所述隔舌侧部(42)有两个且对称设置在隔舌头部(41)的两侧；所述隔舌头部(41)在隔舌(4)的分水面(5)上投影的边缘形状为第一外形曲线(7)；所述隔舌侧部(42)在隔舌(4)的分水面(5)上投影的边缘形状为第二外形曲线(6)；
所述第二外形曲线(6)的曲线方程以第二外形曲线(6)远离于第一外形曲线(7)一点为坐标原点，以沿着隔舌(4)中心线方向为X轴，以隔舌头部(41)朝向为Y轴；所述第二外形曲线(6)的曲线方程为y = -10-18n4x5 + 2*10-6n3x4 - 0.0005n2x3 + 0.0375nx2 - 1.2931x -1.1664/n；隔舌的宽度为d；n=d/100；
所述第二外形曲线(6)靠近于第一外形曲线(7)一端的端点所对应的X轴的取值范围为30至40；所述第一外形曲线(7)与第二外形曲线(6)的连接处平滑过渡；所述第一外形曲线(7)为直线；
所述第二外形曲线(6)靠近于第一外形曲线(7)一端的端点所对应的X轴的取值范围为21.2至30；所述第一外形曲线(7)为弧形，并且第一外形曲线(7)的两端与第二外形曲线(6)相切。
2.根据权利要求1所述的一种仿生学水泵壳体的隔舌，其特征在于：所述第一外形曲线(7)连接于第二外形曲线(6)的一端至所述第一外形曲线(7)中心逐渐远离于第二外形曲线(6)。
3.根据权利要求1或2所述的一种仿生学水泵壳体的隔舌，其特征在于：所述隔舌头部(41)的横截面为圆弧形的边缘；隔舌侧部(42)的横截面为圆弧形的边缘。
4.一种仿生学水泵壳体，其特征在于：包括权利要求3所述的一种仿生学水泵壳体的隔舌。
5.一种仿生学水泵壳体隔舌的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
首先选用d=100mm做出仿生曲线(9)；然后先取7个控制点的X和Y值；X和Y值分别为（0，0）；（10，-14）；（30，-12）；（50，-25）；（70，-12）；（90，-14）；（100，0）；再通过7个控制点做出趋势线(10)；所述趋势线(10)与仿生曲线(9)趋于重合；所述趋势线(10) 的方程为y = -10- 18x5 + 2*10-6x4 - 0.0005x3 + 0.0375x2 - 1.2931x - 1.1664；将所述趋势线(10)应用于隔舌侧部(42)的第二外形曲线(6)上；
所述仿生曲线(9)通过以下步骤做出：
首先做出Y=-21.2的基准直线(8)；然后以基准直线(8)上的一点为圆心；同时以r1=21.2为半径做圆；形成第一弦L1；再以第一弦L1与基准直线(8)的交点为圆心，以第一弦L1的一半为半径做圆；形成位于第一弦与基准直线(8)之间的第二弦L2；再以第二弦L2与基准直线(8)的交点为圆心，以第二弦L2的一半为半径做圆；形成位于第二弦与基准直线(8)之间的第三弦L3；再做另一侧的第一弦L1、第二弦L2和第三弦L3；然后在将第一弦L1和第二弦L2的连接处、第二弦L2和第三弦L3及两个第三弦L3的连接处圆弧过渡。
6.根据权利要求5所述的一种仿生学水泵壳体隔舌的设计方法，其特征在于：所述第二外形曲线(6)和第一外形曲线(7)中对于X坐标大于d/2的部分由X坐标小于d/2的部分对称形成。
7.根据权利要求6所述的一种仿生学水泵壳体隔舌的设计方法，其特征在于：还包括对隔舌(4)强度进行分析；对隔舌(4)强度进行分析包括采用计算机建立隔舌(4)的应力模型；隔舌(4)的应力模型包括完整的第一外形曲线(7)和一半的第二外形曲线(6)，并对一半隔舌(4)的应力模型进行应力的分析。
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