新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計的研究

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

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

      1 耐高壓雙向橢圓齒輪流量計的原理與結(jié)構(gòu)

      1.1 工作原理

      壓雙向橢圓齒輪流量計是基于齒輪馬達的工作原理，由流體驅(qū)動兩個嚙合的橢圓齒輪轉(zhuǎn)動，再根據(jù)橢圓齒輪的轉(zhuǎn)速進行流量計量（圖1）^[1]。

      1.2 橢圓齒輪的脈動嚙合特性分析

      由于橢圓齒輪嚙合點即節(jié)點在兩個橢圓齒輪軸心的連線上來回移動，所以其傳動比不是一個恒定值，在恒定流量下其轉(zhuǎn)動角速度不恒定^[3]。根據(jù)橢圓齒輪嚙合運動的對稱性，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 —— 通過流量計的流量，m³/s；
               α —— 橢圓齒輪的長軸長，m；
               H —— 橢圓齒輪的厚度，m；

      應(yīng)用MATLAB進行仿真分析，并設(shè)2Q/α²H=1，可得在恒定流量下，橢圓齒輪轉(zhuǎn)動的規(guī)律（圖2）。可知在恒定流量下，橢圓齒輪角速度的變化是有規(guī)律的，以180^o為一個周期進行重復(fù)。

      1.3 結(jié)構(gòu)

      新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計（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量室，推動以各自的齒輪軸為中心的橢圓齒輪副嚙合轉(zhuǎn)動后從另外一個油口流出，利用磁敏檢測原理（如霍爾效應(yīng)），將橢圓齒輪轉(zhuǎn)角的周期信號（即被測介質(zhì)的流量等效信號）檢測出來，并用方波信號輸出。

      1.4 磁敏檢測

      在其中一只橢圓齒輪的徑向端面上對稱的封裝兩枚磁鋼（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關(guān)集成器件^[4]），并成90^o布置，橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)時，磁鋼相應(yīng)地掃過磁敏傳感器的敏感區(qū)域，磁敏傳感器感應(yīng)永磁磁場的變化，改變輸出信號電平。由計量室工作和磁感應(yīng)檢測原理可知，雖然恒定流量下橢圓齒輪的角速度是變化的（圖2），但對裝在橢圓齒輪上的兩只磁鋼而言，轉(zhuǎn)180^o一個周期才能對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的周期是恒定的，并且輸出方波的頻率與通過流量計的流體流量成正比（即通過單位時間的方波數(shù)或方波周期可獲得流體的流量信息）；并通過對比兩枚磁敏傳感器分別輸出的方波信號相位的超前與滯后，檢測并判斷流體的流動方向。

      磁敏傳感器所處的隔艙與計量室之間有耐高壓、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），可增強磁敏傳感器所處位置的磁感應(yīng)強度（圖5是裝有導(dǎo)磁柱狀態(tài)下磁敏傳感器附近的磁場分量1/2的分布云圖）。利用霍爾效應(yīng)原理，對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)進行了有限元仿真分析，隔離片厚度5mm，不加導(dǎo)磁柱時，不同磁鋼半徑r和磁敏傳感器下的間隙L 對磁感應(yīng)強度的影響（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對磁感應(yīng)強度的影響（圖7）。可知，磁敏傳感器所處位置的磁感應(yīng)強度與磁鋼半徑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 實驗及結(jié)果分析

      對耐高壓雙向橢圓齒輪流量計樣機進行了實驗測試，液壓測試系統(tǒng)如圖8所示，樣機6的背壓由溢流閥8調(diào)定，壓差由壓力表5、7測量；通過對磁敏傳感器輸出的電平信號進行計量與分析，獲得樣機6的流量大小與方向；標(biāo)準(zhǔn)流量計9對通過樣機6的流量進行標(biāo)準(zhǔn)測量，從而可獲得樣機的流量、耐壓、壓力損失以及方向測量特性。

      試驗表明（圖9），工作壓力小于21MPa時，樣機的檢測流量誤差為±0.5%；工作壓力大于21MPa至31.5MPa時，誤差為±0.5~3%。這是因為：樣機處于高壓工作狀態(tài)時，泄漏量增加，測試誤差增大；該誤差可通過進一步提高加工精度或進行壓力信號補償?shù)确椒p小。

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

      樣機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采用耐高壓計量室結(jié)構(gòu)、容積式流量檢測和通過磁敏傳感器信號輸出的方式；具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、油溫影響小、性能穩(wěn)定等特點，實驗結(jié)果還表明該流量計具有檢測精度高，能夠雙向檢測流量，壓力損失小，能工作在高壓環(huán)境下等優(yōu)點。