5.3.6 基于维法耦合的技术创新方案构建
结合前述挖掘的创新维度，基于维法耦合变换方法，利用图书馆、国家知识产权局、科协等知识共享平台，以技术报告、学术交流、专利撰写等方式，作者及项目组取得了以下创新性成果：
①针对多级泵轴向力平衡、口环结构与材料、密封技术、精密铸造与轴向窜动等技术难点，共计形成7份创新技术交流报告。
②通过对多级离心泵节能优化设计、过流部件优化设计、多级泵结构优化设计、生产加工工艺以及装配工艺的优化等环节深入剖析，共计申报13项专利，其中4项为发明专利。
以基于维法耦合构建的新技术创新方案为例，以下详细阐述每个技术创新方案的形成过程。
1）一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法
类别：矿山多级离心泵高效水力模型优化设计技术；
创新维度：空间维、结构维和机理维；
法则：组合与集成、局部优化和替代。
（1）法则选择分析
该方法需要集成多目标遗传算法、CFD数值模拟技术、CAD参数化建模技术，以优化过流部件为目的进行局部优化，同时采用数值模拟技术替代工业试验技术。
（2）现状与技术背景分析
基于设计规范、泵型号等条件的限制以及工况环境的动态化、复杂化等特点，在离心泵实际运行中需要根据设计工况对泵的运行工况进行适当调整，以满足流量与扬程的使用要求。
现阶段改变离心泵运行工况的途径主要有3种：一是单独改变管路的性能曲线，以出口端节流调节方法为主；二是单独改变泵的特性曲线，以变速调节法为主；三是同时改变管路的性能曲线和泵的特性曲线，以入口端节流调节方法为主。
上述途径中，目前主要采用理论与经验相结合的方法分别对离心泵的出口端节流阀开度、转速和入口端节流阀开度进行调节，以达到改变离心泵运行工况的目的。若同时采用上述3种途径实现离心泵运行工况的改变，仅仅依靠理论和经验结合容易产生某些副作用，从而对离心泵的寿命产生影响，例如入口端节流阀调节容易使离心泵产生汽蚀现象，从而严重影响其使用寿命。
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）为复杂的非定常三维湍流数值模拟提供了一种理论可靠、符合实际的模拟工具。因此，可以将计算流体力学中的CFD数值模拟技术引入离心泵的变工况运行模拟，通过对上述3种变工况运行方式进行理论分析和数值计算，可以建立3种变工况运行方式之间的耦合数学模型，以轴功率最小以及阻力损失最小为目标函数，以离心泵的转速、入口端节流阀开度和出口端节流阀开度为设计变量，以离心泵的实际扬程、流量以及汽蚀余量为约束条件，通过遗传算法的多目标优化理论对输入变量进行优化求解，通过3种方式使离心泵变工况运行。
（3）具体解决方案
一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法的具体创新方案流程图，如图5-47所示。
图5-47 一种基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法流程图
首先，根据离心泵设计工况性能参数，如离心泵设计转速、出口端节流阀最大开度以及入口端节流阀最大开度，初步确定离心泵变工况运行时其转速、出口端节流阀开度、入口端节流阀开度。
其次，采用SolidWorks、Pro／E等三维造型软件绘制离心泵的三维水力模型，并导入ANSYS ICEM CFD网格生成软件，采用非结构化四面体网格方式对离心泵的三维水力模型进行网格划分。
再次，采用正交试验设计方法进行多方案设计，通过ANSYS FLUENT软件进行不同方案的数值模拟计算。
然后，设置目标函数为轴功率和阻力损失，设计变量为转速、出口端节流阀开度和入口端节流阀开度，约束条件为离心泵的实际扬程、流量以及汽蚀余量，分别建立离心泵轴功率和阻力损失与三个性能参数之间的二次响应面模型。
最后，采用多目标遗传算法求解目标优化模型，在满足约束条件的情况下，得到符合实际运行工况的转速、出口端节流阀开度和入口端节流阀开度3个性能参数的优化组合方案。
（4）效果分析
建立离心泵轴功率和阻力损失与三个设计变量之间的多元非线性回归方程，并运用多目标遗传算法对目标函数求解，最终得到在满足实际运行工况前提下的3个设计变量最优解，提高了离心泵变工况运行设计的准确性与科学性；基于多目标遗传算法的离心泵节能优化设计方法不仅适用于同一比转速的离心泵变工况运行，而且也适用于不同转速比的离心泵变工况运行，为离心泵节能优化设计提供了理论与技术支持。
2）一种面向闭式叶轮叶片的快速成型与熔模铸造方法
类别：基于RP的熔模铸造技术；
创新维度：功能维、材料维和时序维；
法则：分解与去除、替代和友好化。
（1）法则选择分析
该方法需要将传统铸造工艺和技术进行分解，去除手工制模与翻模过程，代之以快速成型技术，且快速成型技术能够高效改善操作环境，以满足绿色环保的要求。
（2）现状与技术背景分析
闭式叶轮是耐磨多级离心泵过流部件的关键，现有制造方式多以传统铸造工艺为主，采用手工制模—翻制铝模—铸造成型等工艺，而快速成型技术可直接应用于复杂零部件结构梯度优化设计、功能检测、装配干涉检验以及快速制造高性能整体构件，特别是在结构复杂、高铸造精度和高性能的零部件制造过程中的应用。利用传统铸造工艺制造零部件的良品率仅为20%～30%，而利用3D打印技术的良品率则可达到90%以上。
（3）具体解决方案
一种面向闭式叶轮叶片的快速成型与熔模铸造方法的具体创新方案流程图，如图5-48所示。
将熔融沉积的快速成型技术与传统砂型铸造工艺结合，以3D打印的RP模具代替木模、铝合金等手工制作的砂型铸造模具，既能够保证铸造模具的尺寸误差与精度，还能够简化传统的铸造工艺流程。
图5-48 一种面向闭式叶轮叶片的快速成型与熔模铸造方法流程图
（4）效果分析
面向闭式叶轮叶片的快速成型与熔模铸造方法尤其适用于具有复杂曲面结构的单件小批量、个性化定制零件的快速砂型铸造成型，通过优化RP模具快速成型参数以满足不同结构形式零件的砂型铸造要求，普适性较高。
以MD420-96型多级离心泵的闭式叶轮铸造为例，闭式叶轮的叶片快速成型模具如图5-49所示，其树脂砂型如图5-50所示。
图5-49 某闭式叶轮叶片的快速成型模具
图5-50 某闭式叶轮的铸造砂型
3）一种保证密封端面垂直度的安装方法
类别：制造加工工艺与装配工艺在线检测技术；
创新维度：结构维、功能维和时序维；
法则：局部优化、替代与动态化。
（1）法则选择分析
该方法需要以机械密封方式替代传统的盘根密封方式，同时利用端面密封装置对机械密封动环的安装过程进行局部优化，以达到通过弹簧动态化调节动环与静环之间的密封间隙的目的。
（2）现状与技术背景分析
机械端面密封（也称为机械密封或端面密封）是使用最多的旋转轴动密封形式，如图5-51所示。
图5-51 机械密封
端面密封一般有一对或数对密封环，其中一个固定在机壳上保持静止，另一个则固定在轴上并随之回转，两者共同形成密封端面。由此可见，端面密封由相对垂直于旋转轴的密封端面组成密封副或摩擦副。在液体压力和补偿元件弹力的作用以及辅助密封配合下，密封端面方可保持贴合并可相对滑动。两个端面的间隙很小，润滑液膜厚度通常为0.5～2.0μm，从而保证泄漏量保持在允许范围内。因此，端面密封在装配和使用时必须保证端面与旋转轴垂直。
相较于软填料密封形式，端面密封具有密封性好、可靠性高、稳定性好、耐振动、寿命长、适应性广等优点。同时，各种设计尺寸和材料的端面密封较好地满足了不同工业领域的使用要求。但端面密封同时也存在零部件较多、制造复杂、安装更换不便等缺点，使得在复杂的多级密封和拥有支持系统的特殊应用上对端面密封的精确装配与使用提出要求较高。所以，端面密封的精确装配是保证端面密封高可靠性的必要条件，同时也可保证流体旋转机械的计划维修间隔平均时间（MTBPM）最大化和运行成本最小化。
（3）具体解决方案
一种保证密封端面垂直度安装方法的具体创新方案示意图，如图5-52所示。
首先，检查端面密封的静环组件，清除静环辅助O形密封圈经过的和密封部位的污染物，以保证这些部分无划痕。若存在较深的划痕，需更换静环或采用机械加工方式消除划痕。
其次，在静环的O形密封圈密封位置及静环辅助O形密封圈表面均匀涂抹一定量的润滑油，将O形密封圈从静环尾部套入，使静环辅助O形密封圈不发生扭曲和剪切变形。
再次，在将安装有静环辅助O形密封圈的静环均匀压入静环座过程中，将一个两端面均为平面凹槽的环形圆盘放置于静环另一侧端面上，并将静环的环形端面嵌套于环形圆盘端面的平面凹槽中，用双手均匀连续按压环形圆盘，以保证静环均匀、柔和、连续地被压入静环座内。
图5-52 一种保证密封端面垂直度的安装方法示意图
最后，将安装有静环组件的静环座套入矿用多级离心泵主轴，采用端面垂直度检测装置对静环的摩擦端面进行垂直度检测，直至达到设计要求。
（4）效果分析
首先，在矿用多级离心泵安装端面密封过程中，需要在静环辅助O形密封圈表面均匀涂抹润滑油以避免O形密封圈在安装过程中产生扭曲变形或划伤，以提高密封圈的机械密封性能。
其次，在静环安装过程中可采用两端面均为平面的环形圆盘，以保证静环的整个端面均匀受力，避免某些外力对静环造成的冲击，并可避免静环在安装过程中被损伤。
再次，采用两端面均为平面的环形圆盘均匀、连续地将静环压入静环座内，以有效避免在静环压入静环座的过程中由静环端面受力不均匀导致的静环端面翘曲现象，达到将静环在安装过程中由机械摩擦造成的损伤降至最低的目的。
4）一种矿用多级离心泵端面密封的安装方法
类别：制造加工工艺与装配工艺在线检测技术；
创新维度：结构维、功能维和时序维；
法则：局部优化、替代与动态化。
（1）法则选择分析
该方法需要以机械密封方式替代传统的盘根密封方式，同时利用端面密封装置对机械密封动环的安装过程进行局部优化，动环与静环之间的密封间隙通过弹簧实现动态化调节。
（2）具体解决方案
一种矿用多级离心泵端面密封安装方法的具体创新方案示意图，如图5-53所示。
图5-53 一种矿用多级离心泵端面密封的安装方法结构示意图
①对矿用多级离心泵的密封腔、主轴、轴套及端面密封各个组件进行检查，清除外来污染物和毛刺，以保证无尖锐边缘。
②根据矿用多级离心泵设计图纸，采用卡尺和深度尺，在主轴上根据定位端面的位置精确确定动环组件的安装位置，并在主轴上画出一条基准线，将动环组件套入主轴并缓慢移动至基准线附近，适当预紧动环组件端面的3个定位螺钉，以保证动环组件相对于主轴无法轴向移动且定位螺钉处于未压紧状态。
③采用深度尺测量定位端面与动环摩擦面之间的距离，若所测量的距离与设计尺寸之间存在偏差，依次通过调节动环组件端面的3个定位螺钉的压紧程度对动环组件的位置进行微调。
④在轴套端面上选取通过轴芯且相互垂直的两条直线，分别与轴套端面外圆相交形成4个点，采用游标卡尺依次测量轴套端面4个点与动环定位圈之间的垂直距离；根据每次测量的垂直距离通过对3个定位螺钉微调，确保轴套端面4个点与动环定位圈之间的垂直距离相等后，压紧3个定位螺钉，目的是保证动环定位圈端面与轴套处于垂直状态。
⑤将防转销插入静环座孔内，再将一定量的润滑油均匀涂抹在静环辅助O形密封圈上，静环辅助O形密封圈从静环尾部套入，防止静环辅助O形密封圈在套入静环尾部时发生扭曲和剪切变形。
⑥将安装有静环辅助O形密封圈的静环均匀压入静环座中，且使静环背面的防转销槽与装入静环座内的防转销对准。
⑦将安装有静环及静环辅助O形密封圈的静环座套在主轴上，静环摩擦面与动环摩擦面之间形成摩擦端面。
（3）效果分析
矿用多级离心泵的端面密封具有零部件多、制造复杂、安装更换不便等缺点，同时端面密封在主轴上的定位与整个转子系统的位置关系密切。因此，在安装矿用多级离心泵端面密封过程中，通过该发明可对动环组件和动环定位圈的相对位置以及端面垂直度进行调节，保证端面密封的装配精度，提高端面密封的可靠性与稳定性，降低矿用多级离心泵的运行成本。
5）一种多功能集成式叶轮静平衡检测装置
类别：制造加工工艺与装配工艺在线检测技术；
创新维度：结构维、功能维、材料维和时序维；
法则：组合与集成、替代、友好化。
（1）法则选择分析
该装置以新型静平衡检测技术替代传统手工式检测方法，无任何实践经验者均可使用。
（2）现状与技术背景分析
目前叶轮静平衡检测装置以导轨式静平衡装置为主，如图5-54所示。
图5-54 导轨式静平衡装置
遵循任何物体在地球引力作用下重心（即质心）总是处于最低位置的规律，叶轮进行静平衡试验时，将叶轮的轴颈支承在两个导轨上，若其处于不平衡状态，则会在偏心重力作用下在刀口上滚动。当滚动停止后，叶轮的质心理论上应位于转轴的铅垂下方。在判定了叶轮质心相对转轴的偏离方向后，可以在相反方向的适当位置取适量胶泥或磁性砝码代替平衡质量粘贴在叶轮上，同时重复上述过程。多次调整胶泥的大小或反复做径向位置试验，直到叶轮在任意位置保持静止不动，此时所粘贴胶泥或磁性砝码的质径积即为应加平衡质量的质径积。
导轨式静平衡装置结构简单、可靠，平衡精度高，但必须保证两个固定的刀口处于同一水平面。当叶轮两端轴颈的直径不相等时，调整校正周期明显加长，调整精度也会影响平衡精度。
此外，一般情况下，导轨式静平衡装置两个平行导轨之间的间距以及导轨的高度均为固定值。当叶轮的直径和厚度均超出轨道式静平衡装置的使用范围时，其静平衡试验将无法进行，必须使用更大型号的轨道式静平衡装置。
（3）具体解决方案
一种多功能集成式叶轮静平衡检测装置的具体创新方案示意图，如图5-55所示。
一种多功能集成式叶轮静平衡检测装置包括位置调节底座、固定刀口轨道、固定立柱、移动刀口轨道、移动立柱、移动底座和水平调节螺钉。其中：固定立柱固定于位置调节底座一端，固定刀口轨道通过螺栓与螺母连接方式安装于固定立柱上，移动刀口轨道通过螺栓与螺母连接方式安装于移动立柱上，而移动立柱固定于移动底座两端，移动底座通过4个螺栓与螺母安装于位置调节底座上，水平调节螺钉安装于位置调节底座底部的4个顶点处。
图5-55 一种多功能集成式叶轮静平衡检测装置的整体结构示意图
（4）效果分析
首先，该装置的固定刀口轨道和移动刀口轨道可分别通过固定立柱和移动立柱上的高度位置调节孔进行绝对高度和相对高度调整，以满足不同直径叶轮的静平衡试验要求。
其次，该装置的移动刀口轨道、移动立柱以及移动底座可通过调节底座的水平位置调节孔实现水平移动，使固定刀口轨道与移动刀口轨道之间的水平距离增大，以满足不同厚度叶轮的静平衡试验要求。
最后，该装置的位置调节底座4个顶点处安装有4个水平调节螺钉，通过对水平调节螺钉旋进深度的调整，可以调节固定刀口轨道与移动刀口轨道的水平度。这种结构设计使得该叶轮静平衡检测装置的使用不受使用及安装场地的限制。
6）一种具有冷却与报警功能的机械密封式渣浆泵
类别：制造加工工艺与装配工艺在线检测技术；
创新维度：结构维、功能维和时序维；
法则：组合与集成、局部优化和智慧化。
（1）法则选择分析
该装置将冷却与报警装置固定安装于传统机械密封上，可对机械密封式渣浆泵进行局部优化，同时集中控制系统实时对冷却与报警装置进行检测，实现了智能化与智慧化。
（2）现状与技术背景分析
填料密封又称为压紧密封，当填料填入料腔后，经压盖螺丝对其作轴向压缩。当轴与填料有相对运动时，由填料的塑性使其产生径向力并与轴紧密接触，同时填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成油膜。当接触不均匀时，接触部位会出现“边界润滑”状态，称为“轴承效应”；而未接触的凹部形成小油槽阻止液流泄漏，称为“迷宫效应”。“轴承效应”与“迷宫效应”共同维持填料处于良好密封状态。
然而，单级悬臂式渣浆泵输送的流体介质含有悬浮固体物，若在工况环境中采用填料密封方式，一旦固体颗粒物进入填料腔内，不仅会破坏填料密封的“轴承效应”和“迷宫效应”，而且会加快轴、压盖和填料等零部件的磨损速度，填料密封将逐渐失去致密性能而导致渗漏和密封失效。
相较于填料密封，机械密封是一种依靠一对或几对垂直于轴作相对润滑的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持接合并配以辅助密封的轴封装置，能够满足输送介质和固体颗粒工况条件的密封要求，而机械密封的动环与静环之间的密封端面间需要维持一层极薄的液体膜才能起到密封的作用。因此，单级悬臂式渣浆泵输送的介质是含有固体悬浮物的流体，若采用机械密封方式，应保证机械密封腔内始终存在起润滑冷却作用的冷却水。
（3）具体解决方案
一种具有冷却与报警功能的机械密封式渣浆泵的具体创新方案示意图，如图5-56所示。
一种具有冷却与报警功能的机械密封式渣浆泵包括渣浆泵主轴、机械密封组件、冷却水管、冷却水箱、报警控制器和液位监测器，其中：机械密封组件安装于渣浆泵主轴上，两根冷却水管分别从冷却水箱底部引出，另一端分别与机械密封组件两侧的冷却水进水孔相连，报警控制器和液位监测器共同构成液位监测报警系统，液位监测报警系统安装于冷却水箱中。
图5-56 一种具有冷却与报警功能的机械密封式渣浆泵
（4）效果分析
首先，冷却水箱中的冷却水通过冷却水管流向机械密封组件，在机械密封腔中形成一层液体膜，能够满足含固体颗粒介质等工况条件苛刻的密封要求。
其次，液位监测报警系统通过对液位的变化监测可以实现机械密封组件的自润滑、自冷却、自动报警等功能，从而延长渣浆泵机械密封的使用寿命。
总之，元易创新方法在流体输送装备技术领域的应用不仅大大提升了企业的核心竞争力，而且取得了良好的社会效益和经济效益。