一种新型容积式流量计的设计.docx

一种新型容积式流量计的设计摘 要：流量计是工业生产以及商业贸易和其它许多领域中十分重要的计量仪表。本项目旨在为工业生产中的流体流量计量、民用水计量以及其它领域的流体流量计量提供一种新型容积式流量计异型腔旋转滑板流量计。它具有结构简单、精度高、可靠性好、便于数字化和自动化应用的优点。关键词：容积式流量计；异型腔；旋转滑板；防倒转；防卡死；磁脉冲信号0. 引言本设计是我参加的第十期校级SRTP的项目，指导老师为航空航天学院的鲁阳老师，同组同学为蒋宗延和吴思雨。目前已经加工出一试制品，处于实验调试阶段。1. 流量计使用现状及相关技术1.1使用现状流量计是工业生产以及商业贸易和其它许多领域中十分重要的计量仪表，按照构造和工作原理的不同，目前实际使用的流量计大致可以分为容积式流量计、压差式流量计、浮子流量计、质量流量计、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等类型。分别使用时差法，多普勒法，电磁感应定律，科里奥利力原理，变面积原理等设计原理。1.2本设计方案使用的原型及其分析本设计使用容积式流量计为设计原型，一般被认为其是计量精度最高的流量计。除计量精度高以外，容积式流量计还具有适合于高粘度液体计量、流量范围度宽、管道安装条件不影响计量精度等优点，但这类流量计同时又有构造复杂、体积大、可测介质限制性较强、容易产生噪声、可能出现脉动、可能发生反转、安全性差（容易卡死）等缺点，使其实际应用具有很大的局限性。2. 本方案设计结构分析2.1结构示意：异型腔旋转滑板流量计，由腔体1、转子2、T型滑板组3、U型滑板组4、永磁铁5、下盖板13、上盖板14、弹簧组15以及螺钉、销钉等紧固件构成，如图1和图2所示。图1异型腔旋转滑板流量计的构造示意图 图2 装配体爆炸视图2.2结构分析腔体1为带有一个异型柱面内腔及进口6和出口7的空心柱体，腔体的异型柱面内腔由一个半圆柱面8、一个1/4圆柱面9、一个1/4椭圆柱面10及一个平面形状的过渡面11组合而成。腔体的两个端面可以分为下端面和上端面，二者相互平行，并且垂直于异型柱面内腔各柱面的轴线。异型柱面内腔的半圆柱面8、1/4圆柱面9和1/4椭圆柱10面彼此同轴，半圆柱面8的半径R1=1/4椭圆柱面10的长半轴R，1/4圆柱面9的半径R2=1/4椭圆柱面的短半轴r；1/4椭圆柱面10的长轴端点与半圆柱面相切，形成光滑过渡；1/4椭圆柱面10的短轴端点与1/4圆柱面9相切，形成光滑过渡；半圆柱面8与1/4圆柱面9由过渡面连接，形成阶梯过渡；如图3所示。腔体的进口6开设在半圆柱面8上靠近1/4圆柱面9的半区内，出口开设在1/4椭圆柱面10的区域内，进口6与出口7一般设在共轴位置上。转子2（如图3所示）的本体为圆柱形，其上加工有导向槽、永磁铁容孔和销钉定位孔；导向槽有两个，二者相互垂直，构成十字交叉导向槽，导向槽的导向面平行于转子的轴线；永磁铁容孔位于转子的一个端面上，用于固定永磁铁；转子的两个端面均有销钉定位孔，用于固定定心轴；转子的半径R3= 1/4圆柱面的半径R2=1/4椭圆柱面的短轴r，转子的高度与腔体的高度相等。图3转子零件示意图组合滑板有两组（如图4所示），其中一组组合滑板由两块形状和尺寸相同的T形滑板3和一个弹性元件组合而成，T形滑板的顶部为圆弧面，如图5所示，两块T形滑板的底部相互正对，弹性元件位于二者之间，使两块T形滑板产生相互推力，如图8所示；另一组组合滑板由两块形状和尺寸相同的U槽形滑板4和两个弹性元件组合而成，槽形滑板的顶部为圆弧面，如图6所示，两块槽形滑板的槽腿相互正对，弹性元件位于槽腿之间，使两块槽形滑板产生相互推力，如图9所示；构成组合滑板的T形滑板和槽形滑板，其厚度与导向槽的宽度相同；两组组合滑板的高度均等于转子和腔体的高度；两组组合滑板的长度相等，在自然状态下，组合滑板的长度略大于半圆柱面的半径R1与1/4圆柱面的半径之和R1+ R2，在受压状态下，组合滑板的长度可以等于或略小于半圆柱面的半径R1与1/4圆柱面的半径之和R1+ R2。两组组合滑板以滑动配合方式安装在转子的十字交叉导向槽内，每一组组合滑板都可以在自己的导向槽内沿垂直于转子轴线的方向滑动。图4组合滑板零件示意图盖板共有两块，为圆形平板，可分为下盖板13和上盖板14，两块盖板各有一面为光滑平面，在光滑平面的中心位置加工有沉孔，作为轴承孔。2.3安装及配合关系异型腔旋转滑板流量计的安装及配合关系是：两个定心轴16，17分别位于转子2的下端面和上端面上，并与转子同轴，永磁铁5固定在转子的一个端面上，两组组合滑板分别处在各自的导向槽内，安装好两组组合滑板以及定心轴16，17和永磁铁5的转子2构成转子组件，如图1和图2所示；下盖板3和上盖板4分别固定在腔体的下端面和上端面上，腔体与下盖板和上盖板构成密封腔，如图2所示；转子组件安装在密封腔内，固定在转子上的两个定心轴16，17分别与下盖板3和上盖板4上的轴承孔配合，转子2的下端面与下盖板3的光滑平面配合，转子的上端面与上盖板4的光滑平面配合，转子的圆柱面与异型柱面内腔的1/4圆柱面9配合；组合滑板的下端面与下盖板3的光滑平面配合，组合滑板的上端面与上盖板4的光滑平面配合，组合滑板的两端（即T形滑板的圆弧面顶部和槽形滑板的圆弧面顶部）在弹性元件产生的推力作用下与异型柱面内腔配合或接触，这几个配合关系使转子组件可以连续地绕轴承的轴线逆时针转动，而组合滑板在随转子2转动的同时还会在转子的导向槽内滑动，如图1和图2所示；在密封腔内，认为所有的滑动配合结构都是零间隙配合，因此都看作是无泄漏滑动摩擦副。3. 本方案设计原理分析图5 异型腔旋转滑板流量计的标准容积示意图3.1对流体内泄的控制在理想状态下，密封腔中的转子组件与密封腔内壁以及转子组件自身的所有滑动配合都是无泄漏滑动摩擦副，因此流体不能以间隙渗漏的方式由进口流到出口。对于实际产品，除组合滑板与半圆柱面和1/4圆柱面的弹性配合外，各滑动摩擦副的配合间隙不会是零，但只要能够保证不泄漏或泄漏量不超过允许范围内，同时转子组件能够平滑运转，就可以认为达到了理想设计。3.2转子组件的驱动原理由图1可以看出，不论转子组件处在哪一位置上，总会有一组组合滑板的大半段处在异型柱面内腔半圆柱面的上半区内，而且该段的前部伸出转子并与内腔的半圆柱面接触，只要进口处的流体压力大于出口处的流体压力，该组合滑板伸出部分的两侧就会有压力差，此压力差对转子组件产生转动力矩，推动转子组件逆时针旋转。3.3流量计量的原理因为两组组合滑板总是垂直交叉的，当其中一组组合滑板处在水平位置时，另一组组合滑板则刚好处于竖直位置，如图5所示，此时，密封腔内由两组组合滑板与异型柱面内腔半圆柱面上半区所围成的部分空间构成一个标准容积，转子组件每转过一周，有4个标准容积的流体由出口排除。构成标准容积的部分空间是流量计的计量空间，也称为计量区。3.4组合滑板的运动控制考查一组组合滑板的运动，设其初始位置为水平。此时，它的左端位于内腔的1/4椭圆柱面与1/4圆柱面的交界处，它的右端位于半圆柱面的中点，如图5所示。此组合滑板在由水平位置按逆时针方向转到垂直位置的过程中，也就是在计量区运动时，两端分别保持与内腔的半圆柱面和1/4圆柱面接触，因此相对于转子保持不动。当此组合滑板转到垂直位置并从垂直位置继续逆时针转动而离开计量区时，它的上端进入内腔的1/4椭圆柱面区域，另一端进入内腔的半圆柱面区域，由于组合滑板与1/4椭圆柱面接触部位的半径是由R1逐渐减小到R2的，因此组合滑板的另一端是悬空的，随着上端接触部位的变化，组合滑板受1/4椭圆柱面产生的推力作用在导向槽内滑动，直至转到水平位置滑动停止，组合滑板在滑动过程中受到的阻力仅来自于滑板与导向槽的摩擦力，弹性元件不不引起阻力；以后，此组合滑板的运动周期性地重复以上过程，参看图1和图5。3.5防止转子组件倒转的原理假设出口的流体压力大于进口的流体压力，使转子组件倒转，由图1可以看出，当一组组合滑板的一端与椭圆柱面接触时，它的令一端必定处在半圆柱面区域内，并且是处于悬空状态的，当这悬空的一端接近1/4圆柱面时，由于弹性元件的作用使其长度大于半圆柱面的半径与1/4圆柱面的半径之和，因此组合滑板会受到过度面的卡阻，停止倒转。3.6使流体平稳输出的原理在转子组件的转动过程中，相邻的两个标准容积只受到一块滑板的短暂隔离，因此出流的接续性好，脉动不明显。3.7防止转子组件卡死的原理当流体中含有的固体颗粒进入组合滑板的端部圆弧面产生卡滞作用时，组合滑板中的弹性元件可以发生压缩变形，使组合滑板的长度减小，因而能够继续转动，不被卡死。3.8计量信号的生成原理转子组件每转过一周，随同转子转动的永磁铁向密封腔外部发出一个磁脉冲信号，表示有4个标准容积的流体通过流量计，连续记录磁脉冲信号，即可实现流量的计量。4. 本方案试制样品实物与测试改进过程4.1样品实物照片以下是鲁阳老师联系工厂试制的样品照片：图6 装配实物照片图图7 转子实物照片图4.2测试改进过程在样品实验过程中，我们遇到两个问题，都是由于流量计的内部存在密封腔而使液体无法被导流形成了较大的压力造成的。下面就针对这两个问题进行描述并介绍解决方案。在一开始的设计过程中，我们并没有考虑到活动滑板和转子间会形成密封腔，结果第一次的试制样品中转子和活动滑板由于这些密封腔的液体压力挤压而无法转动。如图8所示，当盖上上盖板时，T型滑板和转子就会形成密封腔，同样，在两块U型滑板和转子之间的空间也会形成密封腔。为解决这一问题，我们在转子上打了联通孔（如图7所示），保证在流量计转动过程中密封腔的液体能够相互流动，不至于因为密封腔中的液体无法流动又无法挤压而卡死流量计。图8 密封腔示意图同样，在一开始的设计中，没有考虑到当液体还没流出出口时，受1/4椭圆面的左右其体积会被缩小，同样将会产生压力卡死流量计。因此，我们在1/4椭圆面上开了导流槽，如图9所示，这样就可以保证液体流经1/4椭圆面时可以从导流槽流出，避免压力增加而卡死流量计。图9 导流槽示意图5. 设计小结本流量计的机械设计，需要用到的技术涉及了机械和材料，其中机械部分原理简单，思路清晰，用到的知识主要是异型腔的设计，样品完成后经过改进现在工作状态很好，现阶段正在进行泄漏量等实际数据的测试工作，鲁阳老师已经对这个流量计的设计申请了发明专利。我们在参与这项SRTP的设计过程中，主要担任的是一些相关资料的收集查找，电脑二维图纸的设计和三维实体的建造工作。虽然工作量