（机械制造及其自动化专业论文）车用涡轮流量计的机电一体化设计.pdf

纛： a棚一 | i 童霹。 - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：王崴日期：1 2 - 月z | 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 王威 导师签名 日期：! 三星! 19 _ ：冀 一 ，引jp 摘要 摘要 随着世界经济的发展、人口的增加及人类生活水平的提高，国际社会对能源 的需求量不断增加，对石油的依赖也在不断增加。我国经济发展迅速，对石油的 需求急剧增长，目前已经成为石油净进口国，但同时面临世界石油枯竭的现状， 石油短缺会成为困扰我国的难题，影响我国的社会经济发展。科学管理石油及其 相应产品的使用，对节约能源、降低生产成本、缓解能源应用紧张状况将是十分 重要的。各种流量计的不断出现及测量精度的不断提高，适应了这一要求，对科 学管理石油产品的使用起到了关键的作用。采取安装燃油计量装置的方案实现对 公共汽车的实时监测，便于对汽车的经济指标考核和杜绝燃油的浪费现象。本课 题针对燃油流量测量系统的实际情况，比较研究了当前主要流量计，决定采用在 石油产品计量领域应用广泛的涡轮流量计进行流量测量。 本文主要针对流量计涡轮叶片、涡轮轴与轴承的结构造型对流量计精确度与 灵敏性的影响，对流量计进行了机械结构的优化设计与样品制造，该研究过程对 提高涡轮流量计的测量精度具有重要的意义；对涡轮叶片的机械造型进行优化的 过程中，使用了a n s y s 软件，采取流体力学的有限元分析方法，将多组叶片角 度下的流量计灵敏性进行了对比，确立了最为合适的叶片角度。 除了通过对机械结构的优化来提高流量计的灵敏性，文章还针对车用流量计 的具体应用情况进行了智能流量显示仪的低功耗及智能化设计；显示仪的硬件电 路部分采用了成本低廉，体积小，功耗低且性能突出的s t c 8 9 c 5 4 r d + 单片机作 为核心处理器，将单片机模块、时钟芯片模块、电源模块、霍尔检出器、液晶显 示模块和键盘模块进行了合理的布局与一体化的编程。该智能流量显示仪的设计 拓展了涡轮流量计的应用领域。 关键词涡轮流量计；有限元分析；流量显示仪 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew o r l de c o n o m i c sd e v e l o p m e n t ，t h ep o p u l a t i o ni n c r e a s i n ga n d t h e b e t t e rs t a n d a r do fl i v i n g ，t h ei n t e r n a t i o n a ls o c i e t yr e q u i r e sm o r ea n dm o r ee n e r g y , a s w e l la st h ep e t r o l e u m o u rc o u n t r y se c o n o m i c sd e v e l o p sv e r yf a s t ，i nt h em e a n t i m e r e q u i r e m e n t s f o rp e t r o l e u mg r o w sr a p i d l y , n o ww ea r eb e c o m i n gac o m p l e t e l y i m p o r t sa n de x p o r t sc o u n t r y o fp e t r o l e u m b u tn o wf a c i n gt h el a c k i n go fp e t r o l e u mi n t h ew o r l ds c a l e ，t h i sp r o b l e mw i l lb e c o m eaq u e s t i o nt h a te m b a r r a s s i n gu s ，w h i c hw i l l i n f l u e n c eo u rc o u n t r y sd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m i c s t h ew i s em a n a g e m e n t o ft h eu s a g eo fp e t r o l e u ma n dc o r r e s p o n d i n gp r o d u c t s ，w h i c hw i l lr e t r e n c ht h e e n e r g y ，r e d u c ep r o d u c i n gc o s t ，e a s et h ea p p l i a n c eo fe n e r g y , s ow i l lb ep l a y i n ga l l i m p o r t a n tr o l e s om a n y k i n d so ff l o w m e t e r sa p p e a r sn o w , w h o s em e a s u n n gp r e c a s m n g e t sb e t t e rc o n s t a n t l y , t h e ys a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t s ，a n dp e r f o r ma ni m p o r t a n t f u n c t i o nf o rt h ew i s em a n a g e m e n to ft h eu s a g eo fp e t r o l e u m i ti sag o o dp h e n o m e n o n f o rt h er e a lt i m ei n s p e c t i o no fa u t ot oi n s t a l lt h ef l o w m e t e r i ti sa l s ov e r yg o o dt o i n s p e c tt h ew a s t eo i l t h i st a s ka i m sa tf l o w i n gm e a s u r e m e n to fg a s o l i n e ，c o m p a r i n g w i t ht h em a i n l yu s i n gf l o w m e t e r s ，a tl a s tw ec h o o s et h et u r b i n ef l o w m e t e r , w h i c hi s u s i n gw i d e l yi nt h ef i e l do fp e t r o l e u mm e a s u r e m e n t t h i sa r t i c l em a i n l ya i m sa tt h ei n f l u e n c ef o rf l o w m e t e r sp r e c i s i o na n ds e n s i t i v i t y w h i c hc o m e sf r o mt h et u r b i n el a m i n a s ，t u r b i n ea x i sa n da x l e t r e e s ，s oa st og e ta b e t t e r d e s i g no fm e c h a n i s mc o n f i g u r a t i o na n dp r o d u c t i o n t h i sr e s e a r c hw i l lp e r f o r m a n i m p o r t a n tf u n c t i o nf o rt h eb e t t e rp r e c i s i o no f t u r b i n ef l o w m e t e r s a tt h es a m et i m e ，b y u s i n g o fa n s y ss o f t w a r e ，w i t ht h et h e o r yo f f i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i si n h y d r o d y n a m i c s ，i tc o m p a r e st h es e n s i t i v i t yo ff l o w m e t e r s i nd i f f e r e n tf a na n g l e s ， c o n f i r m st h em o s ta p p r o p r i a t eo n e e x c e p tf o f m eo p t i m i z i n go fm e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o n ，i ta l s o a i m sa t i d i o g r a p h i cu s a g eo ff l o w m e t e r si nb u s e s ，w o r k so u ta ni n t e l l e c t i v ef l o w i n g d i s p l a y i n g i n s t r u m e n t w h i c hc o n s u m e sl o w l ya n dw o r k si n t e l l e c t i v e l y t h ep r o d u c t sc i r c u i t d i a g r a mu s e ss t c 8 9 c 5 4 r d + f o rt h ec p u o fc i r c u i t p e r f o r mag o o dl a y o u ta n d i n t e g r a t i v ep r o g r a m m i n go ft h em c um o d u l e ，t i m em o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，h a l l d e t e c t o rm o d u l e ，l c dm o d u l ea n dk e y b o a r dm o d u l e t h i se x p a n d st h ea p p l y i n gf i e l d o ft h et u r b i n ef l o w m e t e r sa n dh a v eag u i d i n gm e a n i n go fc o r r e l a t i v er e s e a r c h k e yw o r d s ：t u r b i n ef l o w m e t e r ；f i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ；f l o wm e a s u r e m e n td i s p l a y m e t e r i i fi 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论一1 1 1 课题来源及其研究意义l 1 2 课题的研究背景1 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 流量计的发展与分类2 1 3 2 涡轮流量计的国内外研究现状3 1 4 课题的研究内容5 第2 章涡轮流量计的理论及总体设计7 2 1 涡轮流量计的基本原理7 2 2 涡轮叶片有限元分析的提出9 2 3 使用a n s y s 进行结构优化设计的基本过程10 2 4 涡轮流量计的组成结构1 1 2 4 1 涡轮流量传感器的总体结构1 1 2 4 2 流量显示仪表的结构1 3 2 5 本章小结1 3 第3 章流量计的有限元分析及优化设计1 5 3 1 流量计模型的建立及有限元分析的内容1 5 3 1 1 流量计的建模1 6 3 1 2 叶轮有限元分析的内容1 6 3 2 使用a n s y s 软件对叶轮进行结构优化设计1 7 3 2 1 流体力学有限元分析法概述17 3 2 2 流量计叶轮及管道的有限元仿真1 8 3 3 本章小结2 6 第4 章涡轮流量计流量显示仪的研究设计2 7 4 1 流量显示仪的功能要求2 7 4 2 系统硬件的总体设计2 7 4 2 1 硬件电路设计原则2 7 4 2 2 硬件系统结构2 8 4 3 系统软件的总体设计2 9 4 3 1m c s 5 1 汇编语言及开发环境2 9 4 3 2 流量显示仪工作原理3 0 4 3 3 流量显示仪软件设计3l 4 4 各模块硬件及软件设计详细说明3 3 4 4 1 单片机控制模块3 3 4 4 2 万年历时钟显示模块4 1 4 4 3 液晶显示模块4 4 4 4 4 按键模块4 7 4 4 5 汽车电源供电模块及其它外围电路4 8 4 5 烧写二进制程序固化到单片机5 0 i i i 日录 4 6 涡轮流量传感器仪表系数的标定5 0 4 7 本章小结一5 2 结论5 3 参考文献5 5 附录5 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文。6 7 致j 射6 9 i v 专 j 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题来源及其研究意义 本课题来源于北京北科威尔仪器设备有限公司。 在煤炭、天然气和石油三大能源中，中国最短缺的就是石油资源。煤炭和天 然气资源基本上可以满足未来二三十年工业化建设需求，但目前中国每年进口石 油七八千力吨，预计到2 0 2 0 年将达到两亿吨左右，之后还将继续增加【l , 2 1 。中国 在汽车开始进入大规模高速发展的初期，要大力支持研究开发和引进先进的节油 技术，同时跟踪和及时引进世界先进的节油汽车技术。因此节油的评估方法就显 得尤为重要，而对汽车用油效率的最直接有效的监测办法就是使用流量计量装置 【3 】 o 根据公安部发布，2 0 0 8 年6 月底全国公交客车保有量达3 8 万辆，比2 0 0 6 年 底全国公交客车保有量3 1 2 8 万辆，增加2 1 5 。为了实施国家能源安全战略，贯 彻国家节能减排政策，在国务院关于进一步加强节油节电工作的通知中指出， 我国能源资源不足，人均占有量大大低于世界平均水平。据统计，我国汽车燃油 经济性水平比欧洲平均水平低1 5 - - - 2 0 ，随着工业化、城镇化加速发展，能源 消费总量不断增加，能源供应紧张已成为制约经济社会发展的一个重要因素。因 此采取安装燃油计量装置的方案实现对公共汽车的实时监测，便于对汽车的经济 指标考核和杜绝燃油的浪费现象。节约燃油不仅有直接的经济效益，对减少汽车 尾气污染、保护环境也起到积极的作用。 安装流量计的目的是建立节约的理念，督促和提示使用燃油时注意保护环 境，提高运输效率，降低生产成本，也利于对汽车上的关键设备发动机的运 行状态进行间接检测，合理利用设备，延长汽车大修期，减少和避免设备故障解 决时因经验不足难以判断准确的缺欠，减少维修量，节约修理费。要实行燃油使 用量的监督计量，流量计的精度就显得尤其重要，这就体现在流量传感器的机械 结构和电路特性上【4 6 】；目前国内生产涡轮流量计的厂家较少，而涉足高精度涡 轮流量计生产的更少。主要是关键件的设计理论与加工经验不足。 1 2 课题的研究背景 人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。无论是在工农业生 产、科学研究、国防建设领域中，还是在日常生活中都与检测有着密切的关系。 具体地说，为了及时了解一个生产过程或实验进展，就必须经常测试能够表征它 北京t 业人学_ i = 学硕j j 学位论文 们特性、状态的各物理参数量，如电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分 等。对这些参数的大小、变化方向等进行监督和控制，就能使生产过程或实验的 工况处于最佳状态，做到安全、经济，最终达到预期的结果。检测技术则是指人 们为了定性了解或定量掌握自然现象或状态所从事的一系列技术措施。 仪器仪表是研究实现信息的获取、转换、传输、处理以及根据处理结果对生 产系统进行控制的重要工具。过程变量的自动化检测仪表是工业自动化实现的关 键。任何控制系统都是从生产过程运行的信息测量开始，因为只有在知道生产过 程的状态和工艺参数的条件下才能进行自动控制。随着科学技术的发展，特别是 在新材料、新结构的传感器结合高性能微型计算机之后，检测技术有了变革性的 进步。这些新技术在检测系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰等方面发挥了 明显的作用，大大丰富了检测技术所包含的内容，扩大了检测技术的应用范围， 使检测技术发展成为一门内容广泛，并建立在多种学科发展基础上的自动化技术 先行学科。 流量是工农业生产过程控制中的重要的测量参数之一，与温度、压力、物位 同为热工量。流量测量的意义在于既可以指导生产，同时又是规范工艺操作的需 要和进行经济核算的依据。由于流量这个参数受流体的工作条件影响，对其检 测有相当的难度。为了满足现代工业中各种不同的场合和各种不同的测量目的， 各种流量计量仪表就应运而生。 流量计量是计量科学的重要组成部分之一，它与工农业生产、国防建设、科 学研究以及人民生活有密切关系。做好流量计的研究和开发工作，对于保证产品 质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的意义。特别是在能源危 机、工业生产自动化程度越来越高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作 用更加明显。 本车用流量计用于公共汽车燃油的计量，它对流量计要求为精度高、功耗低、 重量轻、抗干扰性能好、成本制造便宜，适宜在公称通径较小的范围内工作，并 且具有较长的使用寿命。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 流量计的发展与分类 2 0 世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增 长，促使仪表行业迅速发展，微电子技术和计算机动手术的飞跃发展极大地推动 仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量 第1 章绪论 计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。 我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进 口，直到2 0 世纪3 0 年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，5 0 年 代有了新成仪表厂所开发的文丘罩管流量计，6 0 年代开始涡轮、电磁流量计的 生产。至今我国已形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的 产业，从事流量仪表研究和生产的单位超过2 3 0 家。从8 0 年代以来，各种智能 流量显示仪就不断出现，功能也不断拓展、完善。智能流量显示仪正朝着低功耗、 智能化、网络化、多功能方向发展。具体来说，智能流量显示仪可以实现流量及 其它信号的采集、流量计算累加及补偿计算、数据显示、数据远程传输及打印等 功能【7 j 。根据用户的不同需要，开发人员可以设计出具有不同功能的智能流量显 示仪，软件编程非常灵活。我国9 0 年代初流量仪表产量估计超过2 5 0 万台。流 量显示仪表的发展经过了机械运算记录图表式，模拟运算机械计数式，简单逻辑 运算数显示和微处理器运算及多功能数字显示四个过程。 流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的 流量仪表种类达6 0 种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任 何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。这6 0 多种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。按测量原理分 有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。 按照目前最流行、最广泛的分类法分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流 量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计 和插入式流量计。综合各流量计的优缺点，涡轮流量计的精度能满足本测量系统 的要求，结构也相对简单，其工作的公称通径范围通常也十分宽广，适用于各种 大小口径液体的管径的测量【8 1 0 】。由此可知，涡轮流量计的各个方面基本满足了 本系统的要求。所以，在本流量测量系统中流量计的机械结构选用涡轮流量计。 1 3 2 涡轮流量计的国内外研究现状 徐超等人进行了微功耗插入式切向涡轮流量计的设计，该设备由插入式涡轮 传感器、热敏电阻和微功耗流量计组成，可测量不同管径中液体介质瞬时及累积 流量，介质温度和瞬时及累积热量。 冯振伟等人研究了适用于各种复杂环境下的单片机流量计的设计，用到了 a t 8 9 c 2 0 5 1 型号的单片机，采用现成的涡轮流量传感器，适用于一般的工作环 境 1 l 】。 付勋如等人进行了w l a 0 0 型涡轮流量计双参数补偿器的研制，提高了单片 机系统的集成度，完成了流量计的温度压力补偿，确定了涡轮流量计送双参数补 北京t 业人学t 学颀l ：学位论文 偿器f h 4 0 0 的补偿参数【l2 | 。 何运奇等人提出了涡轮流量计使用中对被测介质、口径选择、安装、维修校 验的具体要求，主要提高了涡轮流量计的耐用性，测量精度，还进行了仪表系数 的校验【13 1 。 刘正先等人对d n l 0 0 涡轮流量计的关键部件之一的前导流器引起的流量计 压力损失进行了实验测量和数值计算。对比分析了两种不同结构前导流器对压力 损失的影响，发现前导流器的结构变化不仅影响该部位的流体速度分布，使当地 压力损失发生变化，更重要的是对后面各部件内的流体流动速度梯度和压力恢复 也有明显影响，使总压损失进一步放大或减小。其数值计算通过分析流动参数的 变化从流动机理上解释了结构与压损间的关系【l4 1 。 中国石油天然气第一建设公司的王家君等人针对f c 5 0 系列涡轮流量计可能 出现的故障问题进行了分析处理，其故障检查、分析、判断、处理过程和程序正 确、简捷，对该流量计的故障处理具有很好的借鉴作用【l5 1 。 钟文斌等人对涡轮流量计的二次仪表进行了研究开发，描述了一种基于单片 机的可适用于工业和实验室的高精度涡轮流量计二次仪表的设计过程。其产品具 有准确度高、抗干扰能力强、集成度高、接口齐全、使用方便等优点【l6 1 。 美国的w a d l o w , d 等人研发了新式的轴向涡轮流量计，适用于气体和液体的 流量计量，具体阐述了流量计的操作理论，标定，安装以及维护的过程【1 7 】。 美国的y e h ，m p 研究了应用在运动测试领域的新式涡轮流量计的特性，其主 要针对的产品是基于i b mp c a t 的呼吸测试机，其测量介质包括氧气和二氧化 碳【1 8 1 。 英国学者w h e l a n ，r e 对微型的、低流速并且工作在高压状态下的涡轮流量 计进行了分析研究，该流量计用于最高3 5 m p a 压力的低流速液体。其研究的出 发点在于动力传输效率的最大化，以及轴承摩擦的最小化，以增加低流速下的涡 轮流量计的灵敏度。该产品成功的应用于高压无水液态氨的低流速流量测量【l9 1 。 巴西的f e r r e i r a ，v c s 1 等人对某流量计的阻力矩进行了理论分析和实验证 明，该研究利用了涡轮流量计的一个经验平衡方程，适用于大流量下的流量计量。 为了测量流量计的阻力矩，该系统安装了一个测量量表，它完成了对涡轮流量计 的阻力矩曲线以及初始特性曲线的绘制1 2 0 1 。 来自日本的m i n e m u r a ，k 提出了一种适用于气液混合流体的体积流量计的 同步测量理论。该系统用于气液双相流的流量测量，研究了气体与液体混合状态 下的压力损失的问题，同时通过迭代法计算出了两种已知密度流体的的流动比 率。系统被证实具有较高的精确度，能够应用在油田的油量计量领域【2 1 】。 第1 章绪论 1 4 课题的研究内容 本文是根据北京北科威尔仪器设备有限公司以往开发流量计的实际经验，并 根据汽车发动机的实际情况进行设计丌发的，它要能够智能检测公共汽车汽油的 流量信号，并具有较高的精确度与灵敏度。本文的主要研究内容如下： 在机械结构上，由于公汽油耗测量的特殊要求，需要提高涡轮流量计机械部 分的灵敏性与精确度，因此要在传统的涡轮流量计机械结构的基础上，对流量计 的主要工作部位进行优化设计，以满足使用要求。流量计机械结构的优化设计主 要从叶轮本体以及叶轮轴和轴承的尺寸造型方面入手，通过模拟分析软件，对比 多组机械造型，总结其机械性能的优劣，从中筛选出最优化的尺寸造型方案，并 兼顾其材料的使用，使得流量计的机械性能得到实质性的提升，最终能够准确的 检测到公共汽车使用环境中的汽油流量信号。 在机械结构的灵敏性与精确度获得提升的同时，还需要进行硬件电路的设计 与程序的编制。本系统的硬件电路需排除各种电气干扰，对电路的各个模块进行 合理布局，在保证电路低功耗、高稳定性的同时，还需具备时间、流量值等数据 的长年存储功能，以及掉电保护的功能。本系统需根据公司产品开发的具体要求， 具备仪表系数的调节、时钟的调节、瞬时流速显示、分段流量显示、累计流量显 示这些功能。 在系统的软件设计方面，需结合信号检出器的信号类型以及单片机的编程方 法，保证系统的运算速度达到公共汽车使用环境的要求，与此同时要优化编程语 句，避免计算过程中占用过多c p u 以致发生显示错误甚至死机的情况，确保系 统在长时间的运转与计算之下，始终保持高度稳定性和良好的可重复性。 ：i 匕京t 业人学t 学硕i ：学位论文 第2 帝涡轮流量计的理论及总体设计 第2 章涡轮流量计的理论及总体设计 2 1 涡轮流量计的基本原理 涡轮流量计是一种速度式流量计，它是由涡轮流量传感器和流量显示仪表组 成。当流量计工作时，被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的 变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为 相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入流量显示仪表进行计数和显示，根 据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。 q = 丢( 2 - 1 ) 式中q 流经传感器的流量( m 3 s ) ； 厂电脉冲频率( h z ) ； 后仪表系数( 1 m 3 ) 涡轮传感器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶 片时，便有管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时， 叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理， 在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正 比，k 是涡轮传感器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者 每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的k ，并随仪表长期使用的磨损情况而 变化。尽管涡轮流量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会 完全一样，因而每台涡轮传感器的仪表常数k 也不完全一样，它通常是制造厂在 常温下用洁净的水标定出来的。涡轮传感器输出的脉冲信号，经前置放大器放大 后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。仪表系数k 的测量对于本车用流量 计而言非常重要，在本文下面的研究之中，将会提到如何运用实验的方法测得本 流量计的仪表系数k 。 涡轮流量传感器的流量方程有两种，即实用流量方程和理论流量方程，下面 分别加以详细地说明【2 2 2 3 1 。 ( 1 ) 实用流量方程 q 。= f k( 2 2 ) 式中绒，体积流量，i t l 3 s ； 厂流量计输出信号的频率，h z ； 北京t 业人学t 学硕f ：学位论文 尼流量计的仪表系数，1 m 3 图2 1 涡轮流量计特性曲线 f i g 2 - 1t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft u r b i n ef l o w m e t e r 流量计的仪表系数与流量的关系曲线如图2 一l 所示。由图可见，仪表系数可 分为二段，即线性段和非线性段。线性段约为其工作段的三分之二，其特性与传 感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力 影响较大。当流量低于传感器流量下限时，仪表系数随着流量迅速变化。压力损 失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。 ( 2 ) 理论流量方程根据动量矩定理可以列出叶轮的运动方程 j d _ ，3 缈。：m l 一 幺一 毛一m 4 ( 2 3 ) d t l2。 、。 式中叶轮的惯性矩； 掣叶轮的旋转角加速度； d t m 流体驱动力矩； m ，粘性阻力矩； m 3 轴承摩擦阻力矩； m 4 磁阻力矩 第2 章涡轮流量汁的理论及总体设汁 当叶轮以恒速旋转时，- ，譬= 0 ，则m 。：m ：+ m ，+ m 。经理论分析与实 “ 验验证可得 r n = a q y + b 一二( 2 4 ) g y 式中n 叶轮转速； 乳体积流量； 彳与流体物性( 密度、粘度等) ，叶轮结构参数( 叶片倾角、叶轮直径、 流道截面积等) 有关的系数； 曰与叶片顶隙，流体流速分布有关的系数； c 与摩擦力矩有关的系数 国内外学者提出许多理论流量方程，它们适用于各种传感器结构及流体工作 条件。至今涡轮流量计仪表特性仍旧不是很清楚，它与流体物性及流动特性有复 杂的关系但是理论流量方程有巨大的意义，它可用于指导传感器结构设计及现 场使用条件时仪表系数变化规律的预测和估算。 2 2 涡轮叶片有限元分析的提出 在本系统中，涡轮叶片的结构参数是对流量计进行结构优化的重中之重。 结合流量计的使用要求，需研究流量计使用环境之中，叶轮的叶片倾角、叶片数 目等参数对流量计的机械性能带来的影响，但如果采用常规试验的手段研究其性 能将会遇到很大的困难。首先，该尺寸的叶轮叶片不易进行机械加工，无论是叶 片较薄的厚度还是叶片较小的外径都极大的提升了叶轮的加工成本，根据实际的 加工经验，一只叶轮的加工成本超过了一千元人民币，而待研究的叶轮造型超过 三十种，成本过高，因此要通过机械加工的方式判断各种机械结构的优劣并不可 取。其次，如果使用模具进行叶轮的加工，则造价更为昂贵，要调节叶片参数做 试验对比更是难上加难。最后，常规的试验不能得出叶片在工作环境下的应力和 应变的情况，然而这些参数对于微小叶轮的机械性能的改进是具有很重要的参考 意义的，因此使用有限元模拟的方法，无疑是对叶片结构参数进行改进的一种方 便、快捷以及可靠的手段。 有限元方法( f i m t ee l e i i l e n tm e t h o d ，f e m ) 是目前广泛应用于工程设计以及 优化的数学工具。它通过对现实世界的模拟，利用有限元分析软件将工程设计中 的实物工件转化为数值模型，在计算机上重新构建一个虚拟的工件，然后对其性 能结构进行分析，从而对其进行优化设计，即有限元分析及优化。在工程设计中 北京t 业人学t 学硕f ：学位论义 使用有限元方法的好处在于：允许多个设计构想在计算上进行快速有效的测试， 从而大大减少实物的工件测试数量；可以对不适合进行实时测试的设计进行模拟 测试，为设计者提供更多更详尽的性能参数；能够显著的节约设计成本，节省产 品丌发时间，大大缩短产品推向市场的周期；通过先进的优化技术，可直接提供 更可靠，更高质量的优化设计。随着有限元方法在近年得到长足的发展，特别是 成熟的商业运用软件不断地出现，目前有限元方法已经成为了机械结构的优化设 计不可或缺的工具。 2 3 使用a n s y s 进行结构优化设计的基本过程 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，以有限元分析 为基础的大型通用c a e 软件，己广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航 空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电等一般工业及科学 研究。软件主要包括3 个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元 模型：分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合 分析。它含有参数化设计语言一a p d l ，该语言用建立智能分析的手段为用户提供 了自动完成有限元分析过程的功能。a p d l 允许复杂的数据输入，使用户实际上对 任何设计或分析属性有控制权，例如尺寸、材料、载荷、约束位置和网格密度等。 a p d l 扩展了传统有限元分析范围之外的能力，并扩充了更高级运算，包括灵敏度 研究、零件参数化建模、设计修改及优化设计。 a n s y s 进行结构优化设计的过程是通过大量计算，来完成一系列的分析、评 估、修正的循环过程，即对于初始设计变量值进行有限元分析计算，再对分析结 果就设计要求进行评估，然后根据优化准则修正设计变量。这一循环过程重复进 行至所有的约束条件即设计要求都满足为止。 在a n s y s 中进行结构优化设计的程序文件包括指定分析文件，声明优化变 量，选择优化方法( 可采用零阶方法或一阶方法) ，指定优化循环控制方式等几 步。分析文件包括前处理、求解、后处理3 个阶段。前处理阶段主要用来构建有 限元模型，应完成参数化设计变量、指定单元类型、设置单元实常数、设置材料 属性、生成实体模型并进行单元划分。此步骤与普通有限元分析的区别是必须采 用根据问题性质来参数化有限元模型。在求解阶段完成施a n # t - 力荷载、位移约束、 定义分析类型及分析选项、指定荷载步并调用s o l v e 函数求解有限元模型等工作。 后处理阶段提取计算结果并赋值给相应的参数，提取数据通过* g e t 命令来进行实 第2 章涡轮流量计的理论及总休设计 现。优化设计每循环一次，a n s y s 就要需要调用一次分析文件。 2 4 涡轮流量计的组成结构 涡轮流量计工作示意图的大致流程如图2 2 所示，它由负责流量检测部分的 流量传感器和采集数据及显示数据的流量显示仪表两部分组成。 图2 - 2 涡轮流量计示意图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo f t h et u r b i n ef l o w m e t e r 2 4 1 涡轮流量传感器的总体结构 下面介绍涡轮流量计的机械结构：传统的涡轮流量传感器主要由壳体、导向 体、叶轮、轴、轴承及压紧圈组成，同时还应配有与之相配合的前连接管和后连 接管。具体各个部件的配合如图2 3 所示。 北京t 业人学t 学硕i ：学位论文 234567 1 前连接管，2 压紧圈，3 导向体，4 壳体，5 叶轮6 轴和轴承，7 后连接管 1 - f r o n tc o n n e c t i n gp i p e ，2 一c o m p a c t i n gc i r c l e ，3 - g u i d i n gb o d y , 4 一s h e l l 5 - i m p e l l e r6 a x i e sa n db e a r i n g 7 一b a c kc o n n e c t i n gp i p e 图2 - 3 涡轮流量计传感器内部结构 f i g 2 3t h ei n n e rs t r u c t u r eo ft u r b i n ef l o w m e t e r s e n s o r ( 1 ) 壳体壳体是传感器的主体部分，它起到承受被测液体的压力，固定安装 检测部件，连接管道的作用，壳体采用不导磁不锈钢或硬质合金制造。对于大口 径传感器亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构，壳体外壁装信号检出器。 ( 2 ) 导向体在传感器进出口装有导向体，它对流体起导向整流以及支承叶轮 的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。 ( 3 ) 涡轮亦称叶轮，是传感器的检测部件，它由高导磁性材料制成。叶轮有 直板叶片、螺旋叶片、和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩 环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴， 其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根 据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表 的性能和使用寿命。 ( 4 ) 轴与轴承它支承叶轮旋转，需有足够的刚度，强度和硬度，耐磨性，耐 腐性等。它决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引 起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题。 ( 5 ) 压紧圈为了固定导向体，应配有合适的压紧圈。 ( 6 ) 前后连接管为了能更加准确地测量液体的流量，壳体前后应该连接相当 于管径1 0 倍以上的前连接管和相当于5 倍以上的后连接管。 ( 7 ) 信号检出器常用变磁阻式，由永久磁铁、导磁棒( 铁芯) 、线圈等组成。 永久磁铁对叶片有吸引力，产生磁阻力矩，小口径传感器在小流量时，磁阻力矩 第2 章涡轮流量汁的理论及总体设汁 在诸阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格 以降低磁阻力矩。输入信号有效值在1 0 m y 以上的可直接配用流量计算机，配上 放大器则输出伏级频率信号。 2 4 2 流量显示仪表的结构 流量显示仪表是以单片机为核心的能够反映流体流速和流量的显示仪表。它 主要是有和流量传感器配合工作的微控制器系统及能够显示当前状态的显示器 组成。本系统的流量显示仪表要求能够显示汽车的累计流量、分段流量和瞬时流 速。 2 5 本章小结 本章首先分析了涡轮流量计的基本原理和流量特性曲线，列出了流量计的 实用和理论流量方程：然后介绍了使用有限元分析进行叶轮优化设计的出发点， 以及利用a n s y s 软件进行结构优化设计的基本过程。最后给出了传统涡轮流量 传感器的机械结构的各个详细的组成部分。 北京t 业人学t 学硕f j 学位论义 1 4 第3 章流量汁的有限元分析及优化设计 第3 章流量计的有限元分析及优化设计 3 1 流量计模型的建立及有限元分析的内容 传统的涡轮流量计的机械结构已在第2 章中给出，该结构一般应用于较大 口径的场合，管道直径一般大于2 0 m m ，其材料通常为不锈钢，应用领域是流体 速度较大的液体流量测量以及气体流量测量。 对于汽车的油管来说，其内径为1 2 m m ，且汽油流速比较缓慢，沿用通常 的涡轮流量计的机械结构显然达不到应用要求，因此需对其结构进行一系列的分 析比较，优化该流量计的结构，由于管道结构是给定的，流量计的机械性能主要 由叶轮及轴承的结构来决定，因此结构优化的对象为叶轮与轴承的结构造型。 3 1 1 流量计的建模 流量计的有限元分析基于传统的涡轮流量计的机械结构，主要分析叶片的 倾角0 【给流量计性能带来的影响，在流体速度较低的情况下，倾角0 【的大小决定 着流量计灵敏性的优劣。 如图3 1 所示，为流量计的基本模型，该模型在a n s y sw o r k b e n c h 中 建立，叶片数目为6 片，前连接管长度为1 4 5 m m ，后连接管长度为7 5 m m ，叶 轮外径为1 1 5 m m ，管道内径为1 2 m m ，图中管道部分均为管道内部。该模型为 流体分析的理想化模型。 缪谬戮翳缪罗锣鳓缪黟 # tu一 戮 o 舒 端 一 一 冀： t 毓j “ ，| i j 瓣i + 。_ j 图3 1 流鼙计的建模 f i g 3 1t h em o d e lo ft h ef l o w m e t e r 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 如图3 2 所示，为叶片倾角0 【的定义，即叶片根部处，叶片的切面与轮毂端 面的夹角