（机械制造及其自动化专业论文）基于amesim齿轮流量计仿真研究.pdf

摘要 捅要 设计了一种新型结构的流量计三型行星齿轮流量计。其流量脉动只有普 通齿轮流量计的1 9 ，约为1 4 ，该流量计可应用于液压系统高压侧流量测量。 其测量原理是：被测液体由进油口通过进油腔，推动齿轮旋转，将油液从进油口 带到出油口，将油液排出，齿轮齿数选定后，流量计的几何排量已知，测出其转 速，就能得到流量计的平均流量。基于上述测量原理，应用光电编码器测量流量 计中心轴的转速，编码器将转速信号变为电信号，传给单片机或计算机，经过运 算处理后，系统的平均流量可以通过l c d 显示或通过计算机进一步处理。 本文首先介绍了三型行星齿轮流量计的结构及其特点，并对流量计的瞬态流 量进行了分析。 其次建立了流量计的数学模型，得出了流量计的传递函数。选用不同材料的 齿轮，计算出对应的流量计总的等效转动惯量，分析不同转动惯量时的b o d e 图， 研究转动惯量对流量计动态特性的影响。同时也分析了泄漏系数和阻尼系数对流 量计动态特性的影响。 然后对其流量测量系统进行了设计，硬件部分以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，配 合光电编码器和其相关的外围电路，软件设计上采用测周期法和测频率法分段测 量，减小了测量误差，提高了测量精度。 介绍了建模仿真软件a m e s i m ，举例说明a m e s i m 在液压系统仿真中的应用 以及相关参数的设置问题，利用其中的插件a m e s e t 对所需要的流量计子模型进 行开发，将齿轮流量计等效为三对外啮合和三对内啮合齿轮泵进行仿真，根据已 有的液压库和液压元件设计库元件搭建了模型，设置参数后进行仿真。仿真结果 证明：流量计进流量脉动不大，进出口压力降很小约为0 1m p a 。 最后用已有的流量计样机进行了一系列实验，将测得的进出口压力、流量、 转速信号等进行处理和研究，得到了流量计的仪表系数k ，以及流量恒定某一压 力时的压力脉动曲线、卸一q 曲线、8 - p 曲线。 研究表明：该三型行星齿轮流量计具有较高的频率响应，流量脉动低，进出 口压力差小的特点，可以应用于液压系统高压侧的流量测量。 图 6 6 表 1 1 参 1 3 4 关键词：齿轮流量计；瞬态流量；a t 8 9 s 5 2 单片机：a m e s i m ；压力脉动 分类号：t h s l 4 ：t p 3 9 安徽理t 人学硕十学位论文 a b s t r a c t an e wt y p e g e a rf l o w m e t e r - t h et h i r dt y p e p l a n e t a r y f l o w m e t e rw a s d e s i g n e d t h ef l o wp u l s a t i o ni s 1 9o f t h ec o m m o no n e ，a b o u t1 4 ，i tc a nb eu s e di n l l i g hp r e s s u r eh y d r a u l i cs y s t e mt om e a s u r es y s t e mf l o w t h eb a s i cm e a s u r i n gi d e ai st o t r a n s f o r mf l o ws i g n a lt oar o t a t i o n a ls p e e d ，a n di tw o u l db ea c c e p t e da n dc h a n g e di n t o p u l s es i g n a lb yap h o t o e l e c t r i ce n e o d e r p u l s es i g n a li ss e n ti n t om c ua t 8 9 s 5 2o r c o m p u t e r s y s t e mf l o wi st ob es h o w n o nl c da f t e rp r o c e e d f i r s t ，t h es t r u c t u r eo ft h i r dt y p eo fp l a n e t a r yg e a rf o l w m e t e r , i t sw o r kp r i n c i p l e ， w e r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m et h et r a n s i e n tf l o wo ff l o w m e t e rw a sa n a l y z e d t h eg e a rf l o w m e t e rm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d , t h e ni t st r a n s f e r f u n c t i o nh a sb e e no b t a i n e d a f t e rs e l e c t i n gd i f f e r e n tm a t e r i a l sf o rg e a r s ，t o t a le q u i v a l e n t r o t a r yi n e r t i aw a sc a l c u l a t e d t os t u d yt h ei n f l u e n c eo fr o t a r yi n e r t i ao nt h es y s t e m d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h eb o d ed i a g r a m sw e r ea n a l y s e d t h ee f f e c to fl e a k a g e c o e f f i c i e n ta n dd a m p i n gc o e f f i c i e n to nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff l o w m e t e rw e r e a l s oa n a l y z e d t h e nf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e d t h eh a r d w a r ea r ec o m p o s e do f m c u ，p h o t o e l e c t r i ce n c o d e ra n de x t e r n a lc i r c u i t s ，诵mt h ec o r ea t 8 9 s 5 2 f r e q u e n c y o rp e r i o dt e s t i n gw a ss e l e c t e dd u r i n gt od i f f e r e n tf r e q u e n c yr a n g ei nt h es o f t w a r e d e s i g n r e d u c e sm e a s u r e m e n te r r o ra n di m p r o v et h ea c c u r a c y t oi l l u s t r a t et h e a m e s i ma n di t su s ei nh y d r a u l i cs y s t e m ，a sw e l la sp a r a m e t e r s s e t ，as i m p l ee x a m p l ew a sg i v e n a m e s e tp l u gi na d v a n c e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n s o f t w a r ea m e s i mi s r e q u i r e d f o rt h e d e v e l o p m e n t o ft h e g e a r f l o w m e t e r s u b m o d e l t h eg e a rf l o w m e t e ri sr e p l a c e db yt h r e ee x t e r n a la n di n t e r n a lm e s h i n gg e a r p u m p am o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt h ec o m p o n e n t sw h i c hh a v eb e e ne x i s ti nt h e h y d r a u l i cs i g n a la n dm e c h a n i c a ll i b r a r i e s r u nt h es i m u l a t i o nm o d e la f t e rp a r a m e t e r s s e t t i n gc o r r e c t l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：f l o wp u l s ea n di t sp r e s s u r ed r o po f t h e f l o w m e t e rv e r yl i t t l e ，t h es y s t e mp r e s s u r ed r o pa b o u t0 1m p a f i n a l l y ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u t 谢t l lt h eg e a rf l o w m e t e r p r o t o t y p e p r e s s u r e 、f l o wa n ds p e e ds i g n a l sh a v e b e e nm e a s u r e d i n s t r u m e n t c o e f f i e n c ek ，t h ep r e s s u r ep u l s e ，卸一qa n d 艿一pc u r v eh a v eb e e nd e r i v e d s t u d ys h o w st h a t ：t h e 1 i r dt y p ep l a n e t a r yg e a rf l o w m e t e rh a sah i g hf r e q u e n c y i i 摘 要 r e s p o n s e ，l o wf l o wp u l s a t i o n , s m a l lp r e s s u r ed r o p ，i tc a nb ea p p l i e di nh i g h - p r e s s u r e s i d eo f h y d r a u l i cs y s t e mf o rf l o wm e a s u r e m e n t f i g u r e 【6 6 】t a b l e 11 】r e f e r e n c e 1 3 4 】 k e y w o r d s ：g e a rf l o w m e t e r , i n s t a n e o u sf l o wr a t e ，a t 8 9 s 5 2 ，a m e s i m ，p r e s s u r ep u l s e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 814 ；t p 3 9 - i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 至盔竺日期：丝d 上年j 月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属于塞邀堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：公如三红 签字日期：加。7 年z 月7 日 导师签名： 饰咩 签字日期：沙t ，7 年石月7 日 - 引言 引言 在液压元件及系统的试验研究和故障诊断中，流量信号往往是需要测量和控 制的重要参数之一，流量测量通常包括系统的稳态平均流量和动态流量测量。其 中，利用安装在回油管上的低压流量计可实现对系统的稳态平均流量测量，检测 出系统的总的泄漏量。而系统动态流量的测量，对评价伺服阀、比例阀等控制元 件，以及控制液压系统的动态特性都有非常重要的意义。动态流量的测试是液压 测试中的重点和难点之一，成为制约测试系统的完善和发展的瓶颈。所以，在总 结前人的经验的基础上不断创新，提出和发现动态流量测量中的新理论和新方法， 具有重要的现实意义。并且流量也是状态信息的丰富载体，根据流量信号能够实 现液压系统的状态监测与故障诊断。 目前，由于我国齿轮流量计不能准确测量液压系统高压侧动态流量，基于课 题组多年对齿轮泵及齿轮流量计的研究，设计了一种能应用于高压侧流量测量的 新型齿轮流量计。 本文课题的目标就是通过仿真分析研究说明设计的流量计可以作为液压系统 高压侧测量仪器，其脉动不到普通流量计的1 9 。基于此目标，对该流量计进行 了测量系统的电路设计与分析。利用线性分析方法研究了其系统的稳定性与相应 精度，通过a m e s i m 仿真软件对流量计模型进行了搭建，并对整个液压回路进 行了研究。实验与仿真结果同时表明该流量计进出口压差很小，流量脉动低。对 典型液压系统的流量参数进行测量和仿真，研究流量控制的优化设计方法；利用 在线检测、远程监控，探讨实现液压系统的自动控制和故障的自动诊断方法。通 过本课题的研究，可以提高液压系统的自动控制和智能化水平，实现故障的自动 诊断，减少人为因数的不利影响，增强系统运行的可靠性，具有明显的经济和社 会效益。 第1 章绪论 1绪论 在液压元件及系统的实验研究和故障诊断中，流量信号往往是需要测量和控 制的重要参数之一。测量流体流量的仪表称为流量计或流量表，流量计是工业测 量中重要的仪表之一。 1 1 课题的研究意义 在检测和控制液压传动系统的实验中，经常需要测量出高压侧的流量，由于 测量受流体的黏度、温度、湿度、流速、脉动、压力以及外部的环境条件变化带 来的扰动等的影响，所以测量往往具有较大的误差，结果不令人满意引。 通过多年对复合齿轮泵的理论和实验研究p 儿，基于平衡式复合齿轮泵的工作 原理p 1 ，设计了一系列能可靠测量液压系统高压侧流量的流量计，该流量计具有 受环境条件影响小，能可靠测量液压系统高压流量的特点，对化工、煤矿、冶金 等行业的液压系统的故障诊断和总的控制将起重要作用，该研究填补了国内无容 积式高压流量计的空白一1 。 通过应用液压系统建模与仿真软件a m e s i m 中的a m e s e t ，基于内嵌式的c 语言编程对所需要的齿轮流量计子模块进行开发，得到一种数字化的流量计模型， 然后搭建整个系统仿真平台，采用a m e s i m 仿真软件对其工作的液压系统进行模 拟，研究流量计的动态特性，并利用已有的样机进行验证，将仿真结果和实验数 据进行对比。结果表明该建模仿真分析方法非常有意义，不仅为如何减少噪声和 损坏提供了实验平台，而且可以方便的揭示流量计的性能。在仿真环境下进行研 究降低了研究成本，缩短了实验和设计样机过程中改进的时问，提高了效率儿。 1 2 国内外常见流量计的研究现状及发展动态 流量是液压系统基本的基本参数之一，但是由于流量测量时的困难，往往依 靠压力测试进行液压系统各种故障的诊断和技术状况检查。在机械的实际使用中， 由于长时间的使用，必然会导致元件磨损，发生内泄漏，但这并不马上表现为压 力的降低，而是流量的变化。因此，单纯依靠压力无法准确判别其技术状况，方 便、快速的流量测试成为今天人们的向往p 1 。目前国外投入使用的流量计有1 0 0 多种，国内定型投产的有近2 0 种。尽管如此，由于流量测量技术的复杂化，以及 科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满 足生产的需要，还有大量的技术问题待进一步研究解决。并且在流量计发展日趋 3 安徽理： 大学硕士学位论文 成熟的今天，虽然种类极其繁多，但尚不能找到一种对任何场合都适用的流量计 【l o j o 随着社会的发展和科学技术的进步，流量计量的应用越来越广泛，计量的准 确度越来越高，相关的理论和实验研究也不断在加强。流量计量的研究主要集中 在以下几个方面：研究流量计在不同的流体密度、粘度、温度、压力等物性参数 下的计量特性，以分析使用条件与校准条件不同造成的差异，研究上下游管路条 件对各种流量计量性能的影响，以确定流量计的使用条件；研究雷诺数、流速分 布等流体参数的定量影响，以及提高超声流量计等的计量性能等方面u 。 1 2 1国外流量计的研究现状及动态 英国牛津大学工程科学系的d w c l a r k e 和沃尔夫森学院的j h e m p 为了研究 在交流励磁情况下电磁流量计金属部件的涡流效应，提出了一种新的两维解析模 型，该模型考虑了内部不锈钢管以及外部铁芯的影响，将它们看作薄片，并给薄片 合适的边界条件。该模型预测：对于给定的频率_ ，来说，线圈阻抗z 和磁场强度曰 ( 幅值和相位) 为复数。经过大量实验证实该模型有效，实验选用的商用流量计 参数为：激发频率范围l o h z 至1 k l i z ，大小2 英寸。对一些未知物理参数的数据( 如 每个金属部件的有效渗透率和电导率仃) ，经过第一次设置后，z 和召的相位与 幅值精度优于1 “。 德克萨斯a & m 大学工程技术系的j o r g ea l v a r a d o 和g u i l l e r m os o r i a n o 以及墨 西哥华雷斯自治大学工程技术系的j o s 6m i r e l e sj r 对微流量计进行了研究，目前微 流量计可以在层流条件下雷诺数 5 0 情况下使用，但是由于，研制了一种基于电容 的微流量计，可以准确测量低雷诺数流体实验结果显示，该微型流量可完全应用 与雷诺数低至5 ，信噪比 4 0 的情况下实验结果还显示，该流量计传感单元的电容 正比于流速和雷诺数，可用于测试流体的物理特性而无须调整【l3 1 。 日本电气通信大学机械与智能系的h k o i z u m i 和m s e r i z a w a 对局部加速热流 速度测量的微传感器进行了研究，提出了一种简单、精度高、成本低的且可用于 工业领域体积流量测量的方法。在狭窄的入口处，尤其是雷诺数很小的流体，形 成泊肃叶流。局部加速热流由一个放置于向上指向泊肃叶流的中央位置的小电热 器产生，结果发现，加热器与传感器之间的局部加速流的平均速度圪，j 下比于管 内低雷诺数流体体积流量q ，平均速度加快了基础泊肃叶流的局部最大速度。q l ， 可以通过姨与圪之间的线性关系得到，流速低于1m l m i n 测量的有效性已被水与 空气流动实验和数据证实。数值模拟应用非定常二维博欣内斯克方程，以验证这 4 第1 章绪论 一新微型流量计的测量原理，并对其进行优化设计，如最合适的传感器位置和数 量以及焦耳加热量【1 4 】。 加拿大渥太华大学化学工程系的s l a s h k a r i 以及b k r u c z e k 开发一个完全自动 化的可以进行微型流量测量的肥皂流量计。解决了长期以来肥皂流量计测量微流 量时管径与管长度的技术问题，此外还开发了一个可以提高测量精度的数据采集 系统，将产品进行了一系列测试，气体流量测量范围从5 至1 0 0 m i n 。修正后的 肥皂流量计也可以用于垂直无泡沫薄膜管中1 1 5 1 。 瑞士a b b 公司a b h i s e ku k i l 和a n d r e aa n d e n n a 对涡流流量计进行了研究，涡 流流量计是基于流体频率测量基础上测量流量的仪表，由于流量测量对频率的依 赖性，无流量脉动造成了假象，即表明有一定的流量时，实际上却没有。导致此 类情况发生的常有，例如，流体管回路中的阀门关闭造成无流量。基于谐波分析 方法对其诊断并对无流量脉动问题进行了研究f 1 6 1 。 德国基尔大学自动控制工程系k o l a h i k o u r o s h 、s c h r o d c r t h o r s t c n 、以及 r o c k h e l m u t 对科里奥利流量计进行了相关研究。目前科里奥利质量流量计进行密 度测量存在的缺陷是缺乏一个成熟的考虑在共振频率下温度、流量、压力、粘度 等影响在内的补偿方案。尽管如此，还是可以采用近似法等校正密度读数，但是 由于这些方法非常复杂，且需要价格不菲的特定设备。基于质量流量计动态模型 提出了一种方法，该方法允许测量管在操作过程中参数辨识，从而克服了上述缺 点。为了更具体，振荡管的有效弹性常数在线检测。据此结果，在考虑到共振频 率情况下，质量变化以及后来的流体密度都可以被计算出1 1 7 。 巴西圣保罗大学的r j r o d r i g u e s 教授和r f u r l a n 研究设计了一种基于微机械 电子系统( m e m s ) 可以测量气体、液体流量的微传感器，动态性能好”。 爱尔兰科克大学电子电气学院的i j 0 s u l l i v a n 和w m d w r i g h t 对利用静电 传感器的超声波气体测量进行了研究”。 英国牛津大学的m z a m o r a 和布鲁内尔大学的c c l a r k 、r c h c c s c w r i g h t 等人 设计了一种超快速响应的质量科里奥流量计，对其开展了一系列研究m 2 。 新加坡南洋理工大学机械和制造学院的a i kc h o n gl 眦对目标射流流量计进 行了研究，取得了一些成果2 2 2 3 矧。 牛津大学的m i c h a e lt o m b s 、m a r i u sh e n r y 、f e i b i a oz h o u 等人对适用于小流量 验证的高精度科罩奥质量流量计进行了研究”。 5 安徽理1 = 大学硕士学位论文 1 2 2 国内流量计的研究现状及动态 1 电磁流量计 电磁流量计的工作原理为法拉第电磁感应定律。导电液体在磁场中流动切割 磁力线，产生感应电势。电磁流量计主要由变送器( 又称一次装置、检出器或传 感器) 和转换器( 又称二次装置或变换器) 及流量显示仪表三部分组成。变送器 把流过的被测液体的流量转换为相应的感应电势。转换器的作用是把电磁流量变 送器输出的和流量成比例的毫伏级电压信号放大并转换成为可被工业仪表接收的 标准直流电流、电压或脉冲信号输出，以便与仪表及调节器配合，实现流量的指 示、记录和运算。 为了提高其测试精度和动态响应，有关高校和科研院所对其结构和测试、测 量方法两个方面对其进行了研究。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室傅新、杨华勇教授等对电磁流量计 的干标定技术进行了研究，通过分析电磁流量计的测量原理，阐明电磁流量计干 标定的原理及困扰其实现工业化应用的关键技术，分析解决这一关键技术的有效 途径及基于这一思想的两种实现方法，并对其技术特点进行评述引。 浙江大学工业控制技术国家重点实验室张宏建教授等，对基于电磁感应原来 的多电极流量测量方法做了一定的研究。提出了一种8 电极的电磁流量计，可以 基本消除流速分布不对称对测量结果的影响，在低速时测量精度有明显的提高“。 天津大学徐立军教授( 现为北京航空航天大学教授) 利用国家自然科学基金 和教育部高等学校骨干教师计划的资助，对多电极电磁流量计进行了相关研究，经 过对电磁流量计电场的动态平衡过程研究分析，且已证明多电极电磁流量计弦端 压差测量方法的有效性2 8 h 3 4 1 。 北京化工大学，信息科学与技术学院莫德举教授等，基于多年对电磁式涡街 流量计的研究设计出一种光纤传感器和电磁涡流传感器相结合的新型质量流量 计，与其它质量流量计相比，结构简单，抗干扰能力强3 5 h 4 3 1 。 上海大学李斌教授对非满管电磁流量计进行了研究，且已完成了完全基于自 己专利技术的非满管电磁流量计产品化样机研制，并完成了样机实验性能测试 1 4 4 1 1 4 5 1 西安理工大学梁鸿生基于电磁声换能器的原理，研制了一种新型的电磁超声 流量计，解决了高温流体流量的测量问题m 1 。 电磁流量计在生物医学应用领域的研究主要有： 6 第1 章绪论 中国医学科学院基础医学研究王强所以及中国协和医科大学基础医学院生物 医学工程学系的张正国、罗致诚将电磁血流量计应用于脑组织血管动态调节的无 损伤测量研究中，通过设计一些可用已知生理学理论解析的方法诱发组织血管的 调节作用，对比观察电磁血流量计和n i r s 测量结果，并进行了人体实测研究 。 复旦大学药学院为了观察尼莫地平( n m ) 鼻腔给药对犬脑血流动力学的影响， 采用电磁流量计检测犬静注、鼻腔和口服给药后脑血流量( c b f ) 的改变，并应用 m f l a b 功能学科实验软件进行监测和数据处理m 1 。 另外中山医科大学( 现中山大学医学院) 卫生部辅助循环重点实验室为了研究 体外反搏增加冠状动脉、颈动脉及肾动脉血流量的效应，利用电磁流量计分别测定 体外反搏前、中实验犬冠状动脉、颈动脉及肾动脉血流量h 引。 2 超声流量计 超声流量计是通过检测流体流动时对超声束( 或超声脉冲) 的作用，以测量 体积流量的仪表。 从事超声流量计方面研究的国内高校主要有以下几个： 中国科技大学电子工程与信息科学系的周康源教授，研究了一种针对管径和 流量变化范围大的气体的超声流量测量系统的设计。利用传统流量计的原理，结合 微弱信号处理技术和目前先进的c p l d 高频电路设计技术，针对高精度、宽量程的 要求，设计出具有数字a g c 自动增益控制和纠错系统、高频计数系统在内的新型 气体超声波流量计，具有测量准确度较高，量程宽，稳定性较好等特点p 。 上海同济大学声学研究所对超声波气体流量的标定提出了标准，并在超声波 流量计方面取得了一定的成果5 1 h 5 3 1 。 西安交通大学对超声波多普勒流量计进行研究，基于扩展超声波多普勒测量 方法的功能及提高流量计的测试精度目的，提出了流通区域内流体速度分布测量 的分区流速测量方法m 1 。 华中科技大学控制科学与工程系的测控研究所李昌禧教授对多声道超声气体 流量计进行了研究，并建立了其数学模型对其仿真。该研究所承担的液固两相( 纸 浆) 流量计曾获得1 9 9 0 年机械部科技三等奖惭5 6 1 。 3 涡街流量计 浙江大学控制科学与工程学系自动化仪表研究所的张宏建教授同时对差压式 涡街质量流量计进行研究，提出了利用差压检测技术，通过单路差压传感器同时 感受由涡街发生体引起的流体双重变化特性，测量流体质量流量的新方法，为了 提高测试精度，从信号处理方面开展了相关研究工作5 7 5 引。同时张宏建教授对涡街 7 安徽理t 大学硕士学位论文 流量计测量单相流不确定度研究的基础上，对测量模型和算法进行了改进，将其应 用于气液混相流不确定度的评定，分析了气液混相流流量及其体积含气率对涡街 流量计不确定度的影响，讨论了各不确定度分量的影响因素，研究了由气液混相流 引起的涡街流量计附加不确定度5 9 6 0 1 。 天津大学电气与自动化学院张涛教授等对涡街流量计进行了一系列研究工作， 并对其结构进行了些改进和优化设计旧u 1 川。 合肥工业大学自动化研究所徐科军教授等人对科氏流量计以及涡街流量计从 信号采集和信号处理方法上进行了一系列研究，取得了一些成果6 5 h 7 6 1 。 在涡街流量应用领域开展研究的有： 大连理工大学内燃机研究所高希彦教授等用涡街流量计测量柴油机脉动迸气 时动态数据采集及处理方法，研究了脉动进气对流量系统误差以及修正系数的影 响吲。 4 容积式流量计 容积式流量传感器是属于直接测量法，是测量液压系统流量的一种最直观、 最有效方法，但由于目前普通容积式流量变送器本身的流量脉动大，一般不能用 于液压系统高压侧的动态流量测量。例如，目前常用的椭圆容积式流量传感器， 虽然结构简单，造价便宜，但因其流量脉动大，不能用于测量高压液压系统的动 态流量，限制了该类流量传感器的应用。对于普通齿轮流量传感器来说，虽然流 量脉动较椭圆流量传感器小，但仍有较大的流量脉动大川( 1 0 1 5 左右) ，故也只 能用在中、低压液压系统的测量；而其它以椭圆流量传感器、齿轮流量传感器原 理为原型的一些变体，主要是考虑扩大流量传感器的测量范围，其流量传感器本 身的脉动仍很大，一般也无法用在液压系统高压侧的动态流量测量。 浙江大学傅周东、路甬祥提出的一种二通插装式动态流量计，这种流量计利 用阀芯受压与阀口流量的平方成正比的关系，对阀口进行特殊设计，使得带有弹 簧的阀芯的位移的平方与所受压力成正比，这样得到了流量与位移的线形关系， 通过在阀芯上安装位移传感器，测量阀芯位移，进而方便地得到流量信号引。 华中科技大学研制出一种数字式动态流量测量系统，该系统由流量脉冲传感 器、数据转换器和计算机三部分组成。流量脉冲传感器由一对空套在轴上的计量 齿轮马达和涡流传感器构成，当液压流体推动互相啮合的齿轮转动，充满流体的 齿问经过涡流传感器时，产生一个电脉冲信号。数据转换器对涡流传感器输出的 每一个电脉冲信号进行放大、整形、滤波，由计数器计数，并由计算机对信号进 行数据处理，计算出被测液压系统某瞬时的动态流量岬1 。 8 第1 章绪论 北京理工大学自动化控制系，设计的双圆柱齿轮流量计，是基于齿轮马达容 积变化原理工作的定排量流量计，测量的准确度比较高，耐高压力可达4 0m p a ， 但是有较高的压力脉动引玎。 中南大学能源与动力工程学院院长周孑民设计的圆形挡块差压流量计，节流 元件构造简单，与标准孔板相比，流出系数大，比较适合高粘度流体的测量，对 含有杂质的流体不易堵塞暇1 。 燕山大学王益群教授和姜万录教授利用国家自然科学基金对动态流量计做了 相关研究，提出了一种基于动态流量软测量技术的液压伺服系统故障诊断方法，通 过测量特定管路内液体的压力、压差、粘度和温度等易得信号间接得到流量信号， 进而通过故障专家系统实现液压伺服系统的故障诊断。试制了动态流量计样机进 行了实验研究，并取得了一系列进展8 3 1 1 9 1 1 。 本课题组基于多年对齿轮泵、马达以及复合齿轮泵的理论和实验研究，以平 衡式复合齿轮泵工作原理开展了平衡式复合齿轮流量计的研究，并取得了一系列 进展，经过理论推导和实验论证，设计了一系列不同结构样式的齿轮流量计，经过 动态仿真分析和相关研究证明，设计的三型行星齿轮流量计流量脉动小，且转动惯 量与压力脉动无直接关系，现已进行样机实验3 删5 m 6 1 嗍1 1 0 2 u 2 1 。 1 3课题的来源 齿轮流量计仿真研究来源于：安徽省教育厅自然科学基金资助项目：容积式 齿轮流量计的研究( 项目编号：2 0 0 s k j l 4 3 ) ，国家实用新型专利：平衡式多齿轮高 压动态流量计( 专利申请号：2 0 0 6 2 0 0 0 6 0 2 6 8 ) 以及安徽省教育厅重点项目：行星齿 轮动态流量计机理研究( 项目编号：k j 2 0 0 9 a 0 2 8 ) 。 1 4 本论文的主要研究目标和研究内容 1 4 1 本论文的主要研究目标 1 基于等效仿真的思路和方法，利用a m e s i m 软件对所研究的三型行星齿轮流量 计进行仿真分析，研究该新型齿轮流量计的性能和压力以及流量脉动； 2 用已有的齿轮流量计样机进行实验，研究所测得实验数据，初步得到流量计的 仪表系数k ，进出口压力差、流量和压力脉动等，并以此来评价该数字化流量计 模型的性能，为进一步研究动态流量计提供基础。 一9 安徽理工大学硕士学位论文 1 4 2 本论文的研究内容 1 国内外流量计研究现状及发展动态 大量搜集了流量计的相关国内外文献资料，系统了解了流量计及液压系统测 量技术发展动态和现状，指出了存在的问题以及本课题的意义。 2 三型行星齿轮流量计瞬态流量及其动态特性分析 建立了流量计瞬态流量的数学模型，得出了流量计的传递函数。选用不同材 料的齿轮，计算出对应的流量计总的等效转动惯量，分析不同转动惯量时的b o d e 图，研究转动惯量对流量计动态特性的影响。同时也分析了泄漏系数和阻尼系数 对流量计动态特性的影响。 3 流量测量系统的设计研究 对流量测量系统的硬件、软件进行了设计，其测量原理：先将流量信号转化 为齿轮转速信号，以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，应用光电编码器器采集齿轮转速信 号，然后将信号送入单片机处理后显示即为流量。结合测周期法和测频率法实现 转速信号的测量。基于k e i l 软件应用v c 语言进行编程、编译生成可执行文件 ( 耻x ) ，然后将程序烧录到芯片后。 4 流量计子模型开发及整个测量系统的仿真研究 首先对高级建模、仿真软件a m e s i m 及其常用的元件库进行了介绍，并以一 个简单的液压系统为例，说明了a m e s i m 的建模仿真实施的基本过程和步骤。然 后应用软件自带的高级开发工具a m e s e t 对所需的齿轮流量计子模型进行了开发， 利用等效分析方法，将三型行星齿轮流量计等效为三对外啮合齿轮泵来进行仿真， 最后利用a m e s i m 对其流量测量系统进行建模分析，参数j 下确设置后，开始运行， 对所需分析元件的参数( 流量脉动、流量、压力等) 变化过程进行曲线绘制并分 析产生变化的原因。 5 流量计实验研究 对样机进行了试验，在不同试验条件下，采集数据，并对实验数据进行处理。 将试验结果与仿真结果进行对比分析。 6 结语和展望 总结了相关研究结论，对不足之处进行说明，同时对动态流量计的发展前景 作了展望。 1 0 2 三型行星齿轮流量计瞬态流量及其动态特性研究 2 三型行星齿轮流量计瞬态流量及其动态特性研究 2 1 流量计基础知识 2 1 1 流量测量的基础知识 1 流量 流量是单位时问内流过管道横截面或明渠横断面的流体量。若流体量以质量表 示时，称为质量流量，一般用g 。表示；流体量以体积表示时，称为体积流量，一 般用g ，表示。用数学表达式可以表示为： g 。：竺：，m , 4 ( 一1 z - i ) g 册2 2 ， lj g ，：坐：u a ( 2 2 ) g r2 百2 l z z ) 式中，g ，是质量流量( k g s ) ；q ，是体积流量( m 3 s ) ；v 是流体体积( m 3 ) ； m 是流体质量( 堙) ；tg 时间( s ) ；p 是流体密度( 堙m 3 ) ；u 是管内平均流速 ( m s ) ；彳是管道横截面积( m 2 ) 。 如果流动是不随时间显著变化的，我们称之为定常流，式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 中的时间f 可以取任意单位时间。如果流动是非定长流，流量随时间不断变化， 则式( 2 一1 ) 和式( 2 2 ) 中的时间f 应该足够短，以致可以认为在该段时间内流动是 稳定的，所以，流量的概念是瞬时的概念，流量是瞬时流量的简称。 2 总量 在一段时间内流过管道横截面或明渠横断面的流体总量称为“累积流量 ，也 常称为“总量”。在数值上它等于流量对时间的积分，数学表达式可以表示为： m = f 2 9 。d t ( 2 3 ) v = f 2 9 ，d t ( 2 4 ) 3 流量计 测量管流或明渠中流量或总量的仪器称为流量计。测量体积流量的称为体积流 量计，如涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计等；专门测量质量流量的称为质量 流量计，如科里奥利质量流量计、热式质量流量计等，其中，有的适用于测量高精 度流量，如涡轮流量计、电磁流量计、科里奥利质量流量计等；有的适用于测量高 精度总量，如容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计等。 4 流量单位 在s i 单位之中，体积流量的单位为米3 秒( m 3 s ) ；质量流量的单位为千克 秒( 堙s ) 。 在工程中常用的流量单位有体积流量：米3 时( m 3 h ) ，升时( i h ) ；质量 安徽理上火学硕士学位论文 流量：千克时( k g h ) ，吨时( t h ) 。 2 1 2 流量测量仪表的分类 流量测量仪表的种类很多，其测量原理、结构特性、适用范围以及使用方法等 各不相同。所以其分类可以按不同原则划分，至今并没有统一的分类方法。大致有 以下几种分类方法。 1 按测量对象分类 按测量对象，流量测量仪表可分为封闭管道流量计和明渠流量计两类。 2 按测量目的分类 流量测量按测量目的可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称为总量表和流 量计。总量表用于测量一段时间内流过管道的流体总量，在数值上它等于流量对时 间的积分。流量计用于测量流过管道的流量，它以短暂时间内流过管道的流体总量 除以该时间的商来表示。实际上流量计通常也具有测量累积流量的功能，可作为总 量表使用；而总量表也具有流量的发讯装置。因此，严格区分流量计和总量表已无 实际意义。 3 按输出信号分类 按输出信号，流量计可分为脉冲频率信号输出和模拟电流( 电压) 信号输出两 类。 脉冲频率信号输出的流量计称其为脉冲频率流量计，如涡轮流量计、涡街流量 计或带发信装置的容积式流量计等。它们都有一个仪表系数k ，它是脉冲频率型流 量计的主要参数。由流量测量检验装置标定得到。 模拟电信号输出的流量计称其为模拟输出型流量计，如差压式流量计、临界流 量计等。它们一般都有一个流量系数口或流出系数c ，它是模拟输出型流量计的主 要参数，一般由流量校验装置标定得到。 4 按测量原理分类 按不同的测量原理，流量仪表可分为容积式、速度式和差压式三类。 容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积并进行 雷加尔计量出流体总量的仪表。如腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、活 塞流量计等。 速度式流量计，是从直接测量管道内流体流速v 作为流量测量依据的。若测得 的是管道截面上的平均流速1 ，则流体的体积流量q ，= a v ( 么为测量管道横截面 积) ，若测得的是管道横截面上某一点流速1 ，则流体的体积流量q 。= k , 4 v ( x 为 截面上的平均流速与被测点流速的比值，它与臂道内流速分布有关) 。 在典型的层流或紊流分布的情况下，圆管横截面上流速的分布是有规律的，k 1 2 2 三型行星齿轮流量计瞬态流鼋及其动态特性研究 为确定值。但在阀门、弯头等局部阻力件后，流速分布变得非常不规律，k 值很难 确定，而且通常是不稳定的。因此，速度式流量计的一个共同特点是，测量结果的 准确度不但取决于仪表本身的准确度，而且与管道横截而上的流速分布有关。工业 生产中使用的速度式流量计种类很多，比较常见的有涡轮流量计和水表以及超产波 流量计。 差压式流量计是利用伯努利方程原理来测量流量的流量仪表。它以输出差压信 号来反映流量的大小。如节流式流量计、均速管流量计、楔形流量计、弯管流量计 等。浮子流量计作为一种特例也可归于差压式流量计一类。 5 按测量方法和结构分类 这是一种比较流行的分类方法。将流量计分成差压式流量计、容积式流量计、 浮子流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、流体振荡流量计、超声流量计、质量流 量计、插入式流量计、明渠流量计和其他流量计( 激光流量计、靶式流量计、冲量 流量计和标记法流量计等) 1 1 类。 2 1 3 流量测量中常用的物理参数 在流量测量中，当要进行流量计酸、节流装置设计、或进行体积流量和质量流 量的换算、或进行流量一般的选型等，都要用到一系列反映流体属性的物理参数， 常用的有流体的密度p 、粘度r 、绝热指数( 等熵指数) 、气体的压缩系数、湿度 等。这些物性参数都与温度、压力有关，它们对流量的精确测量起着极为重要的作 用。 1 流体的体积质量( 密度) 流体的体积质量( 密度) 是流体的主要参数之一，它表示单位体积内流体的质 量，一般用符号p 表示。在一般的工业生产中，流体通常可以认为是均匀的介质， 所以密度p 可以由式( 2 - 5 ) 定义： p=矿m(2-5) 式中，p 是流体密度( 堙m 3 ) ；m 是流体的质量( 堙) ；v 是流体的体积( m 3 ) 。 这里我们只讨论液体的密度。 当压力不变时，液体的密度计算公式为： p = , 0 2 0 1 一a ( t 一2 0 ) 】 ( 2 6 ) 式中，p 是温度t 时液体的密度( 堙m 3 ) ；, 0 2 。是2 0 。c 时液体的密度( 姆m 3 ) ； 口是液体的体膨胀系数( 1 o c ) 。 当温度不变时，液体的密度计算公式为： p = 氏 1 一, o ( p o - p ) 】 ( 2 7 ) 式中，p 是压力p 时的液体的密度( 培m 3 ) ；耽是压力为p 。时液体的密度 1 3 安徽理j i ：人学硕+ 学位论文 ( k e , m 3 ) ；是液体的体积压缩系数( 1 m p a ) 。 2 流体的粘度 流体的粘度是表示流体内摩擦力大小的一个参数。所有实际流体在流动时都有 阻止其流体质点发生相对滑移的性质，这就是流体的粘性，粘度就是用来度量流体 粘性大小的参数。显然，各种流体在流动时所受的阻力是不同的，所以各种流体在 同状态下也有不同的粘度。 同时，粘度还是流体温度、压力的函数。通常温度上升，流体的粘度就下降， 而气体的粘度则上升。 表征流体的粘度常用的有三种：动力粘度(