新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)的研究

【資料簡(jiǎn)介】

江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明  

在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、能源計(jì)量及社會(huì)生活等領(lǐng)域中，流量是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一，橢圓齒輪流量計(jì)采用容積式計(jì)量，具有計(jì)量精度高、油溫影響和壓力損失小、安裝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、量程范圍大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用^[1] 。但傳統(tǒng)的橢圓流量計(jì)僅能應(yīng)用在低壓環(huán)境，高壓環(huán)境下的齒輪容積式流zui計(jì)大多從國(guó)外進(jìn)口^[2]。本文提出了一種新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

      1 耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)的原理與結(jié)構(gòu)

      1.1 工作原理

      壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)是基于齒輪馬達(dá)的工作原理，由流體驅(qū)動(dòng)兩個(gè)嚙合的橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再根據(jù)橢圓齒輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行流量計(jì)量（圖1）^[1]。

      1.2 橢圓齒輪的脈動(dòng)嚙合特性分析

      由于橢圓齒輪嚙合點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)橢圓齒輪軸心的連線上來(lái)回移動(dòng)，所以其傳動(dòng)比不是一個(gè)恒定值，在恒定流量下其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度不恒定^[3]。根據(jù)橢圓齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性，得到恒定流量下的角速度方程（式1）。

      （1）

      式中：ω₁—— 橢圓齒輪1的角速度，rad/s；
               θ₁—— 橢圓齒輪l的轉(zhuǎn)角，^o；
               e —— 橢圓齒輪的偏心率；
               Q —— 通過(guò)流量計(jì)的流量，m³/s；
               α —— 橢圓齒輪的長(zhǎng)軸長(zhǎng)，m；
               H —— 橢圓齒輪的厚度，m；

      應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真分析，并設(shè)2Q/α²H=1，可得在恒定流量下，橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律（圖2）?？芍诤愣髁肯拢瑱E圓齒輪角速度的變化是有規(guī)律的，以180^o為一個(gè)周期進(jìn)行重復(fù)。

      1.3 結(jié)構(gòu)

      新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)（圖3）主要由下端蓋、殼體、上端蓋、橢圓齒輪副、齒輪軸、磁鋼、磁敏傳感器等組成。油液從下端蓋的油口（A或B）流入由下端蓋、殼體、上端蓋三部分密封形成的耐高壓計(jì)量室，推動(dòng)以各自的齒輪軸為中心的橢圓齒輪副嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)后從另外一個(gè)油口流出，利用磁敏檢測(cè)原理（如霍爾效應(yīng)），將橢圓齒輪轉(zhuǎn)角的周期信號(hào)（即被測(cè)介質(zhì)的流量等效信號(hào)）檢測(cè)出來(lái)，并用方波信號(hào)輸出。

      1.4 磁敏檢測(cè)

      在其中一只橢圓齒輪的徑向端面上對(duì)稱的封裝兩枚磁鋼（圖3），兩枚磁鋼的N極和S極相反布置。在上端蓋中封裝兩枚磁敏傳感器（單輸出鎖定型霍爾開(kāi)關(guān)集成器件^[4]），并成90^o布置，橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼相應(yīng)地掃過(guò)磁敏傳感器的敏感區(qū)域，磁敏傳感器感應(yīng)永磁磁場(chǎng)的變化，改變輸出信號(hào)電平。由計(jì)量室工作和磁感應(yīng)檢測(cè)原理可知，雖然恒定流量下橢圓齒輪的角速度是變化的（圖2），但對(duì)裝在橢圓齒輪上的兩只磁鋼而言，轉(zhuǎn)180^o一個(gè)周期才能對(duì)其中的一只磁敏傳感器產(chǎn)生作用，因此在恒定流量下，磁敏傳感器輸出的方波信號(hào)的周期是恒定的，并且輸出方波的頻率與通過(guò)流量計(jì)的流體流量成正比（即通過(guò)單位時(shí)間的方波數(shù)或方波周期可獲得流體的流量信息）；并通過(guò)對(duì)比兩枚磁敏傳感器分別輸出的方波信號(hào)相位的超前與滯后，檢測(cè)并判斷流體的流動(dòng)方向。

      磁敏傳感器所處的隔艙與計(jì)量室之間有耐高壓、非導(dǎo)磁的隔離片5（圖4）。并與上端蓋2焊接，形成耐高壓容腔。導(dǎo)磁柱4采用純鐵（圖4），可增強(qiáng)磁敏傳感器所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度（圖5是裝有導(dǎo)磁柱狀態(tài)下磁敏傳感器附近的磁場(chǎng)分量1/2的分布云圖）。利用霍爾效應(yīng)原理，對(duì)影響磁敏傳感器感應(yīng)效果的磁鋼半徑r、隔離片厚度L和磁敏傳感器下的間隙L（圖4）參數(shù)進(jìn)行了有限元仿真分析，隔離片厚度5mm，不加導(dǎo)磁柱時(shí)，不同磁鋼半徑r和磁敏傳感器下的間隙L 對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響（圖6）。磁鋼半徑2.5mm，在隔離片中加入導(dǎo)磁柱后，不同隔離片厚度L和磁敏傳感器下的間隙L對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響（圖7）?？芍?，磁敏傳感器所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁鋼半徑r成正比、與隔離片厚度L和磁敏傳感器下的間隙L 成反比。

      2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

      對(duì)耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，液壓測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示，樣機(jī)6的背壓由溢流閥8調(diào)定，壓差由壓力表5、7測(cè)量；通過(guò)對(duì)磁敏傳感器輸出的電平信號(hào)進(jìn)行計(jì)量與分析，獲得樣機(jī)6的流量大小與方向；標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)9對(duì)通過(guò)樣機(jī)6的流量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，從而可獲得樣機(jī)的流量、耐壓、壓力損失以及方向測(cè)量特性。

      試驗(yàn)表明（圖9），工作壓力小于21MPa時(shí)，樣機(jī)的檢測(cè)流量誤差為±0.5%；工作壓力大于21MPa至31.5MPa時(shí)，誤差為±0.5~3%。這是因?yàn)椋簶訖C(jī)處于高壓工作狀態(tài)時(shí)，泄漏量增加，測(cè)試誤差增大；該誤差可通過(guò)進(jìn)一步提高加工精度或進(jìn)行壓力信號(hào)補(bǔ)償?shù)确椒p小。

      當(dāng)流體從不同油口流入樣機(jī)時(shí)，兩通道磁敏傳感器采集的電平信號(hào)的相位不同（圖10和圖11），通過(guò)對(duì)比兩方波信號(hào)的相位超前與滯后，判斷流體流動(dòng)方向。

      樣機(jī)在工作中存在壓力損失（圖12），從圖中可以看出，壓力損失較小，zui大為0.15MPa。

      3 結(jié)論

      新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計(jì)采用耐高壓計(jì)量室結(jié)構(gòu)、容積式流量檢測(cè)和通過(guò)磁敏傳感器信號(hào)輸出的方式；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、油溫影響小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明該流量計(jì)具有檢測(cè)精度高，能夠雙向檢測(cè)流量，壓力損失小，能工作在高壓環(huán)境下等優(yōu)點(diǎn)。