摘要: 利用平衡式复合齿轮泵的工作原理,设计了一种能测量高压液压系统动态流量的容积式流量变送器,并做了可行性实验,对该流量变送器的流量特性进行了理论分析和仿真研究,研究结果表明,该变送器的流量脉动只有普通齿轮变送器脉动的1/16,流量脉动频率明显加快,流量品质得到明显改善,又因为该流量计属于容积式流量计,故不受测试环境条件影响,能准确测量液压系统高压流量,具有测量范围大、精度高、可靠性好等优点,可广泛使用在化工、煤矿、冶金等行业的高压液压系统的流量测量。
1 引 言
对于高压液压系统的流量测量问题,国内目前还没有成型的产品,只是在部分研究机构、院校的实验室内,通过间接测量流量的方法,可准确测量流量,但如果实验条件变了,如流体的粘度、温度、流速、脉动、压力、流态等条件变了,就很难准确地测量出该高压液压系统的流量了[1]。流量仪表是一种性能强烈依赖于使用条件的仪表。本项研究是利用国家自然科学基金资助项目———平衡式复合齿轮泵的工作原理,设计了一种测量高压液压系统流量的高压流量计,该流量计具有不受环境条件影响,准确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自动控制将起重要作用,该项研究填补了国内无容积式高压流量计的空白。本文主要讨论该流量计的流量特性。
2 工作原理及分类
2.1 四型多齿轮流量变送器的工作原理
其结构原理和径向多齿轮马达类似(如图1),相当于无负载的径向多齿轮马达,当流体进入流量计时,推动齿轮旋转,由于没有负荷,中心齿轮和径向齿轮将空转,将油液从齿轮的进油口带到齿轮的出油口,即:系统将流量信号转变为中心齿轮的转速信号,从而完成流量变送器的任务。
2.2 四型多齿轮流量变送器的特点
(1)流量变送器的进、出油口间的压力差非常小。
(2)中心齿轮所受的液压力是平衡的。
(3)由于中心齿轮是空负荷运转,故所受的啮合力非常小。
(4)其它径向齿轮,可以通过在进、出油口的对面开平衡槽的办法,使其所受的液压力基本平衡;同时,径向齿轮所受的啮合力也非常小。
由以上分析可知,该种流量变送器的力学特性非常好,因为流量计是串接在液压系统中的,故流量计本身的流量特性对被测系统有很大影响。众所周知,市面上的普通齿轮流量计(含椭圆齿轮流量计)的流量脉动非常大,一般都大于10%,有的甚至达到30% ~40%,如此大的流量脉动,使得它们往往只能被串接在系统的低压侧。而4型多齿轮流量变送器的流量脉动一般底于1%,完全可以串接在高压液压系统中用于测量流量。
2.3 齿轮流量变送器的分类
为了统一齿轮流量计的学术术语,我们称由一对椭圆齿轮构成的流量计为椭圆齿轮流量计,称由一对普通齿轮构成的流量计为普通齿轮流量计,称由四个径向齿轮和一个中心齿轮构成的流量计为四型多齿轮流量计,称由四个径向齿轮、一个中心齿轮和一个内齿轮构成的流量计为四型复合齿轮流量计(如图2所示),称由四对轴向齿轮并联构成的流量计为四联齿轮流量计。
2.4 多齿轮流量计的应用举例
图3是高压齿轮流量计在液压泵———马达系统中测量系统高压侧流量的一个实例。多齿轮流量计由流量变送器和测速两部分组成。
通过测速发电机测量中心齿轮的转速,再将转速换算成流量值,在液压实验中,用直流测速发电机作为速度传感器的较多。
压力传感器是一种将压力信号变成电量的仪表,压力变成电信号后,有利于放大、控制,通过A/D转换器将模拟信号转变为数字信号,便于计算机控制。在液压系统中,一般选用压电式压力传感器。
温度传感器用的是热敏电阻式温度传感器,通过计算机控制,可实现自动启闭冷却系统,方便地实现对液压系统的冷却。
显然,当流量、压力、温度等信号最终转变为数字信号后,就很容易实现通过计算机对液压系统的控制。
3 齿轮式流量传感变送器的流量特性研究
3.1 普通外啮合齿轮流量变送器的流量特性
齿轮式流量传感变送器简称为齿轮流量变送器,由文献[2]可知,当流体通过普通外啮合齿轮流量变送器的瞬时流量为:
由式(4)可看出:液体通过齿轮流量变送器后,其系统将发生流量脉动。由文献[2]可知,齿轮变送器的流量脉动一般为10% ~15%左右,如将该转换器直接应用到高压液压系统,将使系统发生强烈的振动,发出很大的噪声,系统将被破坏。由式(1)转化成在0~2π内的周期流量公式如下:
由此可以看出普通齿轮流量计的流量脉动很大,一般不能用于高压液压系统。
3.2 多齿轮结构的流量变送器的流量特性
当采用径向多齿轮结构的流量变送器时,中心轮齿数为4N +1(N为整数),行星轮如图1所示安装,则流量变送器的瞬时流量公式为:
实例,如中心轮、行星轮的齿数均为z =19,模数m =4mm,齿宽b=20mm,压力角α=20°,转速n=1 450 r/min时,用Matlab仿真,仿真结果如图5所示。
图中曲线1为四型多齿轮结构流量变送器的流量曲线,曲线2为普通齿轮流量计的流量曲线,由曲线1可以看出Qmax=225.75 l/min;Qmin=224.25l/min;Qm=225 l/min;所以该流量计的流量脉动为:
4 可行性实验及结论
4.1 可行性实验
利用本课题组发明的3型复合齿轮泵作为流量变送器来做实验,把它安装在液压系统的高压侧,我们发现,在该高压液压系统工作时,没有发现异常振动和噪声,工作相当平稳。此次可行性实验,完全验证了我们对四型多齿轮流量变送器的设想和分析。
4.2 结 论
通过以上的研究和仿真分析,得到如下结论:
(1)四型多齿轮流量变送器的流量脉动只有普通齿轮流量计的1/16,解决了目前我国容积式流量计不能用于测量高压液压系统动态流量的问题,填补了国内空白。
(2)它和间接测量方法相比,测量精度高,测得结果可靠,对测试环境和条件没有特殊要求,适应性强,可批量生产。
(3)由于该流量计存在转动部件,流量测试应在流量计启动阶段结束后进行,流量计的转动部件应采用轻质材料制造。
(4)由于流量计的进出油压差很小,故在结构上,高低压腔间有一齿密封即可,即流量计的中心轮的齿数除应满足z=4k±1条件外,还应满足z≥19的条件。
[参考文献]
[1] 蔡武昌,孙淮清,纪 纲,等.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社, 2001.
[2] 何存兴.液压元件[M].北京:机械工业出版社, 1982.
