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文档简介
1、流速仪低速性能与内摩阻的关系南京水利水文自动化研究所杨汉塘内容提要本文讨论LS25-1型旋桨流速仪低速性能与仪器内摩阻的关系.提出用力矩仪测定摩阻力矩,进而确定仪器低速性能,并进行了可行性论证。此法与传统的流速仪检定法比较,具甫简便,精确,可靠,经济和省时等特点,适应于无检定查n的测站,就地检修仪器时确定低速性能参数.这是对流速仪低速检定的一个重大改革,在现实中具有重要的技术,经济效益.、前言LS25-1型旋桨式流速我运动方程包括:慢性力,轴承、传动付摩阻力,信号接点工作压力,以及转子与水流相互作用引起的水动力.仪器在工作过程中,这些力相互制约,关系至为复杂.单凭流体力学和摩廉学理论求解运动方
2、程是困难的通常是借助检定水槽用实验确定.这种方法已沿袭了二百多年.在这漫长的时间内,随着科技和仪表工业的发展,流速仪的结构设计、制造工艺和检测手段等已发生了巨大的变化.对LS25-1型仪器结构性能分析表明,决定运动方程参数的旋桨和轴承等零部件,均已具有相当的凡何精度和运动精度.从宏观来看,可认为都已达到了标准化和通用化的程度.在低速度区,水流能量很小,作用在转子上的水流动力矩与流速关系是稳定的,仪器在正常使用情况下,其内摩阻也是稳定的.通过实验可建立内摩阻与低速性能的关系.低速性能包括:起转速Vo低速V=fn)关系临芥速*和摩阻系数C.*与仪器其它低速性能参数关系密切.实际上可看作是低速性能的
3、特征值.只要用力矩仪测得的*值达标,其它低速性能参数就可采用标准值.这种方法与通常流速仪检定比较,在检测系统精度,设备投资,操作规程,以及人力、物力、电力的投入等都具有明显效益.为提高低速测验粘度,为方便测站能就地检修仪器,确定低速性能参数.本文分析了仪器内摩阻与低速性能的关系,提出了研究方案,并用理论和实验对可行性进行了初步的论证.二、研究方案L测试步骤选择一定数量具有特征值的轴承,装配成三组仪器,按一定转速n系列.用力矩仪测出仪篇整机内摩阻力翅Z与电机转速R的关系z=/(时,绘制三条曲线.(2)用水情检定设备,按精密检定程序检定出流速V和转子速度刀的关系V-f(nA绘制三条曲城.(3J按一
4、定的流系列,用扭力天秤浏定作用在韩子上的水沆动力M.并建立IM=f(r)关系.(4)检修仅君如何确定低速性能.其方法如下:1)按三个特征速度级:0.05.0,09.0J3m/5对应的林建:10.20.30R/min.测定仅春内摩阻力矩:%、ZrZ2U;2)求相应的水流动力矩:Mj.3)表相应的速度右,匕、匕;少用S、匕人(妨匕人(吗.9三个测衣绘制低珪丁。曲线,其中第一点为起林速右.第三点为临界速%2理论分析(力水流动力矩作用在菽菜上的水流动力矩为2cxM-CypARWCOSaVtga(1一孝)某,A.J?”尺寸均相同,水力螺距K值变梧小于1.5%9即oc值近似常数;袂桨几何形状具有很好的相似
5、性,因而C,CY可视为常数.由此可见,M-/间的函数关系是稳定的.即在相同的水沆速度下,作用在各我:桨上的水流动力矩M是相同的。fRq(l+#tg%)(1)式中Cx、C丫一-流体阻力系效;p'水密度;A一我桨受水面积;RAB一我某平均将动半径;W作用到液菜上总的速度矢量;0C叶荆而迎角;V水沆速度;CJ一我桨角也度。对于用精密模具注射成型的塑料转(2)摩阻力矩LS25-J型配用的轴承为D6025m仪表检轴永,这种轴承是用于精密陀螺仪,属军品类.具有很击的粘度.s代表轴承摩擦力矩指标:I.0g,cm(通常为040.8gcm).用力矩仪对流建仪整机内摩阻进有浏试表明,戒速传动力矩非常小,仅
6、为轴永的。67倍.发信工作负载力矩校大,约为轴水的5.7倍,但它在一个工作搦环周期中,所占的时间很短(J5%A从宏观角度来看,仪春斐转部分的支水系貌.其摩阻力矩可认为小而稳定.以至在实用中可取之为常数.这是指仪器内犀阻力特性处于正常的工作挟态而言.应捐出.评价仪2S内摩阻稳定性,如观点不同,姑论将截然相反.例如:水丈测站在使用仪器过程中,因枯水雄护不当,常彼沾污,甚至生墙,摩阻剧增针对广大水文测站在轴水清洗工艺难以满足要求而言,仪君内摩阻的稳定性枝差.从精密仪表的研究角度来看,轴永力矩值要表精磷封顷g,cm,轴米粉卷一周要成测出150力矩位.则认为轴未力矩分散性大.典定性差.上述评价摩阻力矩的
7、三种概念.在分析时不应混淆.本文的研究是从水文洌验仪器的实用耕度出发.在检定中仅就仪器性能,时摩阻提出间接性的要表:检定的测点相对误丈平均5%;样速参数。是轴永我:砖80转(检定车运行2项的测量均值,与的密仪表研究相比便可认为摩阻力矩是小而稳定的.3讨论松测Z=,(jO的设备,就目前轴承行业研究戒果来看,技术是非借成鼎的.并有很多先进的力矩仪可供借素.,=,(时可用一莪耕渡沆速仪检定槽检测.但检定中的静水条件必须严格接ISO3455标准执行.测定"=,(。的扭力天拜可参照格摸实验设备研制.总之,在检测设备方面,目前技术上完全可满足研究要求.从仪器结构性能分析,人Z=f(")
8、以及M=/(匕)等都是稳定的.从而从理论上证明:用力矩仪测定仪器内摩阻,进而碘定仪器低速性能,这种研究方案是可行的.三、起转速V.当水流速度为VA时,动力矩AG正好克服仪器内摩阻力矩Z,核子开始转动,匕称为启动速度.转子旅转过程中,当遇到摩擦峰值,如轴承摩擦大点.发信最大负栽.转子不平衡力矩等,或这些阻力的组合.则转子将停转.直至水流速度增至动力矩大于最大摩阻力矩与时,转子才正常运转.显然,水沆速度VA.匕决定于仪器内摩阻力矩ZqZ&.故只要测得Z).值,立到就可求得VA.4值.我所根据流速仪使用的特点,参考了有关力矩仪,研制出AM05型轴承启动力矩仪和JBM-2型旋桨流速仪整机废大摩
9、掠力矩仪.通过多年的使用表明,在生产和检修过程中,对仪器的灵敏度,即起转速的检测带来极大的方便.只要经力矩仪检测合格的产品(或修理仪器入送水情检定就能保证仪器低速性能,从而杜饨了返工率.为进一步从数学上建立(或Z。)之间的关系,以便能借助力矩仪来间接碘定。值,我们做了如下的实验:在一大批量生产中,对1000承进行测试并按特征力矩值要求选出36套,分三组装配成18架仪器,进行水情检定,其结果如表1所示.仪器起转速匕和轴承力矩Z。之间具有一定的规律性.符合上述的分析,然而,其中有一些测次略有偏差.究其原因有:1)信号接舷区阻力较大,如测试起点正处于该区.旋桨易被阻滞而停转,如在其后,就有可能依靠其
10、自身埴归或外界酎加动能而滑过去;2)通常流速仪低速检定的静水条件均不能严格按标准执行.因此,水情中水体残留有波和流,它是一个附加能量,将促使(或阻碍)仪器转子转动.对同一架仪器进行多次重复检定,其中曾出现匕值特别小0.023m/s)的现象,曲线近似直线,并几乎贴近高速直线方程,这是转子受强流的干扰,转速系统偏大的结果.实际上,LS25-1型仪器起转速设计能力只能达到Q.040.05m/s;3)检定车振动,甚至工作者在车台上走玷,其振动产生的能量将传递给仪器,影响七值;4)轴承力矩与其洁净度有很大的关系.通常轴承清洗质量都很雎达到清洗工艺要求.前者为枚器结构上的奔病,属于检刑系统中的仪器误差;后
11、三者为枚器检测中的工作环境条件,属环境误差.这些误差郡很雎完全避免.但从统计实验的均值来看,*Z。之间具有一定.的规律性(图I).图1V.Z,关系曲线从上图可见,只要测得轴承力矩Z。值,就可立即确定*值,仪器可不用水情检定.在生产.使用上均十分方便.对试验仪器配套轴承的力矩测试表时(表2人赦佳力矩值只能达到0.40gcm,即*=0.033m/s.然而,有许多检定槽检定的修理仪器,虬值却低于Q.03m/s,显族,这是仪器在检定中摄取了外界能量的结果.故此测量值含有虚假的因索.从这一,&来看,围1具有校高的测量精度.本试验仪器由有经验的装配工负责清洗、装配、调试,仪器在下水检定前,都用JB
12、M-1型力矩仪检测.因此,试验成果具有一定的代表性.玲是仪器低速的主要性能指标,无检定槽的测站,在维修仪器过程中,只要用力矩仪检测整机力矩,就可确定*值及其他低速性能.在低速测验前,用力矩仪监测,则可保证仪器测验精度.为论证本法的可行性,这里对力矩仪的工作原理作一简介,并和水槽检定设备作一比校.根据对被测轴承要求的精度、使用条件、力矩特性不同,力矩仪种类繁多,姑构悬殊很大,然而,其工作原理都基本粕同.仪器组成大致分:驱动力源、敏感元件、转感器、显示等部分.这里仅讨论前两部分.驱动力淬有:气流、电流和机电驱动等类型.美国Benlix型、苏联型和国产QM693型均属气流驱动类.后者是国内轴承行业广
13、泛使用的仪警,其姑构如图2所示.被浦纳承QM693型力矩仪其工作原理是:用一可调恒压原产生一恒穗气流匕射向力矩仪敏感元件,当作用力P.产生的转动力矩克服轴承摩擦力矩时,转子就被推动开始旋转.巳同时推动压力计水柱上升,其高度就是轴承启动力矩ZA的示值.ZA与Ma(或匕J的关系通过扭力天秤标定,用启动力矩仪对轴承逐点检测,也可得最大力矩AT。值.由此可见,浏得Z-Z。值就可取得匕值.QAf93型力矩仪的菇构酷似FS58T型风速表,其敏感元件的形状和尺寸与风杯十分相似.力矩仪测定轴承的启动力矩Z).和最大力矩,其原理与风速表在风洞中标定启动速度匕|和起转速(起始速度/玲完全相同.流速仪的工作原理与风
14、速表相同,故引用力矩仪这一先进技术,可用来精确川描述和测定仪警内摩阻特性,进而确定。值.这种原理不仅是可行的,而且可把流速仪检定技术提高到一个新水平,确保仪器低逢精度.如只是作为检测为这一单项性能指标而言,整个庞大的流速仪检定系院,其功能相当于一台力矩仪.驱动力源是一重达10吨重的检定丰,拖曳重70。克的仪器与静止水体作相对运动,从而获得速度七.实践证明,如此庞大的车体其速度要达到高精度和无级携调.在技术上比校困难.非常重要的一点是,仪表检测精度与其工作环境条件密切相关.力矩仪要求十分苛刻,如恒温、净化工作室,和严格的清洗工艺等.力矩仪的灵敏度极高,工作时,甚至参观者的体温以及行走亏】起的睛流
15、,对示值都有影响.相比之下,流速仪检定环境条件是枝差的.特别是水体的干扰,很难满足高精度测量的要求.实际上国标GB11826-89旋禁式流速仪规定的低速精度并不高,V0.05m/3.全线平均相对误差"V5%,产品叩可达林.对*无须准确的洪】量值,更无匕指标要求.图1为一定数量的藐计均值,故应具有菽高的捋度.据上述分析和多年来实践证明.力矩仅可准确地对仅器运转过程中摩阻特性进行全面地播遂和制定,从而可及时排涂摩阻异常.和水植检定中诸因素的干扰,因此,这种检测方法其精确性、科学性、可靠性、经济性以及方便性等均优于常规的检定法.四、库阻系数C如不考虑仪蓉内摩阻,根据流体动力学理论可推导出滴
16、速仪运动方程式Cr2(l+lg«)V=2“Rn(1)tfia(1_盗)JCx2(1+己互以a)令K=&R她一tga(1-艺*)表AV,C与的关系式序仪M轴永力gcm松定会犬*m/jKmCm/a130110.24770.00780.030228530.25100.00650.030329360.24770.00760.032430210.50.25000.00660.033530120.24270.00720.035630130.24680.00640.035727140.24980.00900.039830040.24970.00760.039平均0.00720.034930
17、070.25010.00660.03110300S0.25060.00640.0311130100.750.24830M640.0331230140.25000.00620.0451330190.24810.00640.0451430090.25210.00600.059平均0.00630.0411530060.24990.00800.041163020LO0.24910.00700.00471730050.24780.000740.0591830220.25210.00600.059平均0.00710.052则V=Kn(2)公式(1)是一通过坐标原点的线性方程式.迄今流体力学理论尚难求解,通
18、常求助于水情实验由于仗若存在内摩*实验诂果方程并非通过坐标原点,而与纵坐标有一很小截距C.于是理论公式(1)变为以下的经验检定公式,V=Kn+C(3)C祢为摩但系数从量纳分析,C为速度m/s,其动力矩用以克服仪器内摩职M,使系统正常、稳定地运转.从转子的运动机理来分析,内摩阻力对转子运动产生阻滞作用,故在同一速度下,转子实际转速n,较理论转itnL为小即产生滑移,其滑移值为nnS=x100%(4)nt滑移伎随速度的增加而或少.具有一定的规律,统计LS25-1型仪器检定资料表明:当Vo-0,05m/s时,S=-29.0%;-0J33m/$时,S=一5.3%;当V=5.0m/s时,S=-0.14%
19、,在低速检定时,观集旋架的运转,以及分析记录纸带上信号波统长度.很清楚地可看到旋架滑移的全过程,及其滑移位,此外.祗菜外形对水液也呈现阻力,产生滑移.其平均为一3.91%,但对此珏而可视为常致.LS25-1型仪器内摩阻是小而稳走的,按理相应的C位也应小而稳定.然而,实际检定诂果(表1)并非如此,究其原因乃检定误差所致.va系直接测量位,况且存在这样大的误差,而C位是由许多资料计算而得,接统计理论,间接测量的误差要大得多.如对76108仪器进行重复性检定表明,同一操作者.在同一时间.用同一设备,同一方法连续检定三次.C值变差长大可达300%.在如此短时间,仪器摩阻不可能剧变,经检查仪器灵敏度如初
20、从理论上说,C值应反映仪君内摩阻但有很多检定成果(金进口仪器,C值变化很大.甚至为负位.其物理意义甚维理解.冬季检定,仪暑油粘度增大,内摩阻增加,C值斐大,这是正确的.但通常水情检定却很难如实反映.这些典型实例以及大量的试验均说明,这主要是检定条件所引起的,古典误差理论认为随机误差敏从正态分布.因此,统计,分析时应增大样本的容量.现将24架仪琴重复检定共825架次的资料.按轴承力矩2为序.列出相应的C均位(表2).C位爽梧为0.00660.0084m/l总平均乙=0.0074m/s.»AC/C=10.613.8%.总的来看,C值是稳定的,且有一定规律的.因此.在目前检定条件无法严格检
21、制,和水植检定设备精度欠佳的情况下,当仪若内摩阻检测合格,应采用标准值C=0.0070m/j此乃20多年来,几十万架次仪器检定资料的灼依,具有枝高的可信度.从宠观来看,其精度将枝传统的逐架检定法为尚.仅容y柚承力矩gcm号码Citm/j后釉承平均总平均起动/最大起动/最大i0.40/0.600.40/005I76104270.00790.0076276109270.007420.60/0.600.70/0.70375104440.00720.0072473109300.0070575204720.007330.60/0.600.83/0.85676102280.00740.0074776107
22、290.007340/0/0.5087510549J0.00720.00740.95/L0975110300.00781075205420.00715040/0.500.95/L0«1176105270.00680.00731276110270.007860.40/0.401.0/L01375102230.00720.00721475107310.00711575202420.0074705/0.850.55/L01675101330.00740.00751775106310.00731875201430.00788035/095l.Q/L01976103270.00660.0068
23、20761M270.006990.75/L01.2/1.22174033370.00840.0084100.85/11.2/1.22274007340.00800.0080H1.2/L2L2/1.22376101280.00690.00712476106270.0073表2平均C值与轴承力矩关系五、低速V=f()关系上述分析表明,。值取决于仪器内摩阻力矩,而与又是低速/舞曲经的起点.因此.只要健续按研究方案设计的步牌进行检测.便可建立V=f(时关系.然而,由于目肯检定环境条件差,桧测系统的误差较大.实验结果很难得到满意的结论.为玫变这种局面,常花很大代价.玻有大量的工作.此乃非本文研究的方向.
24、这里抽I就V=f(时函数式与仅器内摩阻的关系柞进一步的说明早在1901年施密特M2Z7M"功就提出双曲裁形式的二次方检定方程及其改冲.V-。(I一伽+J(痂】R:(5)式中乞A为仅器特征参数,V。起转速取决于仪器内摩阻.在198。年全国水文测验学术讨论会上,我国学者又提出新的玫进方程式.V-an+/(bn)2+(6)Vmo式中a、b为待定常数.匹为相对摩擦力rao矩.以上两个公式中的系数都令有仪器内摩阻的成份,因此,在某种程度上揭露了系数的物理意义.然而,由于检测成果本身精度不够,公式繁杂,计算困难.实际中都很难推广应用.六、旅界速Vk。是低速曲线过渡到直蝶方程的切点,严格说应是一个区域.七值决定于仪器内摩阻.根据热列激拿可夫(厂,方,)KEJIE3HSIKOB)推导的经验公式f-6.9V.一0.06+J(2,3V,-0,05s)1+0,00058(8)上式表明.匕与即但暮摩阻的关系.这里把乙S25-I型仪等检定的玲值:0.03.0。4、0.05m/s代入上式,求得。值:0.557.0.600、0.642m/s.这表明仪器内摩阻彼大,同时也反映了在五十年代初期流速仪制造工艺的水平.LS25-1型仪器伎一般为0.130d4m/s之
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