1 概述
流量測(cè)量的主要任務(wù)有3類：一是檢測(cè)和控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的流量；二是為流體物質(zhì)貿(mào)易核算儲(chǔ)運(yùn)管理和廢水、廢氣排放控制的總量計(jì)量；三是為流程工業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本以及水利工程和環(huán)境保護(hù)等作必要的檢測(cè)和控制。本文主要討論液壓系統(tǒng)的流量測(cè)量問題。對(duì)于高壓液壓系統(tǒng)的流量測(cè)量問題，國(guó)內(nèi)目前還沒有成型的產(chǎn)品，只是在部分研究機(jī)構(gòu)、院校的實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過間接測(cè)量流量的方法，可準(zhǔn)確測(cè)量流量，但實(shí)驗(yàn)條件變了，如流體的黏度、溫度、流速、脈動(dòng)、壓力、流態(tài)等條件變了，就很難準(zhǔn)確地測(cè)量出該高壓液壓系統(tǒng)的流量了。
流量?jī)x表是一種儀表性能強(qiáng)烈依賴使用條件的儀表。正如一位國(guó)際流量專家所說：“流量計(jì)是使用比制造要艱難得多的少數(shù)儀表之一，在實(shí)驗(yàn)室它可得到的精確度，但是在使用現(xiàn)場(chǎng)，一旦條件變化，一切全都白廢。” 該項(xiàng)研究是利用國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目――平衡式復(fù)合齒輪泵的工作原理，設(shè)計(jì)了一種能可靠測(cè)量高壓液壓系統(tǒng)流量的高壓流量計(jì)，該流量計(jì)具有不受環(huán)境條件影響，準(zhǔn)確測(cè)量液壓系統(tǒng)高壓流量的特點(diǎn)，對(duì)煤礦液壓系統(tǒng)的故障診斷和自動(dòng)控制將起重要作用，本文主要討論該流量計(jì)的流量特性。
2 工作原理
2.1 流量變送器的工作原理
其結(jié)構(gòu)原理和徑向多齒輪馬達(dá)類似（圖1），相當(dāng)于無負(fù)載徑向多齒輪馬達(dá)，當(dāng)流體進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，推動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，將系統(tǒng)的流量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹行凝X輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)，完成流量變送器的任務(wù)。
2.2 齒輪流量計(jì)的組成
如圖2所示，齒輪流量計(jì)由流量變送器和測(cè)速2部分組成。
圖2中，測(cè)速發(fā)電機(jī)一般有直流和交流2種。在液壓實(shí)驗(yàn)中，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)用的比較多。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的原理與普通直流發(fā)電機(jī)一樣，定子可用磁鐵，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的電壓經(jīng)整流子、電刷引向外部，其輸出的電壓和軸的轉(zhuǎn)速成正比。除測(cè)速發(fā)電機(jī)外，還可用磁電感式轉(zhuǎn)速傳感器、光電反射式轉(zhuǎn)速傳感器等測(cè)速，甚至還可用閃光測(cè)速儀測(cè)速。
圖2中，壓力傳感器又稱電器式壓力計(jì)，它是一種將壓力信號(hào)變成電量的儀表，壓力變成電信號(hào)后，有利于放大、控制，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)控制。在液壓系統(tǒng)中，一般選用壓電式壓力傳感器。
圖2中，溫度的監(jiān)測(cè)對(duì)保證設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的作用。常用的監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)溫度的儀器設(shè)備有液柱溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、熱敏電阻式溫度計(jì)及熱電偶溫度計(jì)等，為便于計(jì)算機(jī)控制，一般可選用熱敏電阻式溫度傳感器。通過計(jì)算機(jī)控制，可自動(dòng)啟閉冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的冷卻。
顯然，當(dāng)流量、壓力、溫度等信號(hào)最終轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后，通過計(jì)算機(jī)很容易就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制。
3 齒輪流量變送器的流量特性研究
齒輪流量傳感器或稱齒輪流量變送器，由文獻(xiàn)[3]可知，當(dāng)流體通過普通外嚙合齒輪流量變送器的瞬時(shí)流量為
（1）
式中 Q ――流量；
B ――齒輪的寬度；
ω ――齒輪的角速度；
Rc――齒輪齒頂圓半徑；
R ――齒輪節(jié)圓半徑；
R j――齒輪基圓半徑；
φ ――齒輪轉(zhuǎn)角。
由式（1）得瞬時(shí)、最小排量，分別為
（2）
（3）
tj為齒輪的基圓基節(jié)，tj＝Rcos α；α為壓力角。
根據(jù)文獻(xiàn)[3]，瞬時(shí)流量脈動(dòng)為
（4）
σ為單片結(jié)構(gòu)的齒輪流量變送器的流量脈動(dòng)；Qm為平均流量。
由式（4）可看出，液體通過齒輪流量變送器后，其系統(tǒng)將發(fā)生流量脈動(dòng)。由文獻(xiàn)[3]可知，齒輪變送器的流量脈動(dòng)一般為10%～15%，如將該轉(zhuǎn)換器直接應(yīng)用到高壓液壓系統(tǒng)，將使系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲，系統(tǒng)將被破壞。
式（1）可寫成在0～2π內(nèi)的周期流量公式：
（kβ≤φ≤（k+1）β，k＝0，1，…，z-1）（5）
式中，β＝2π/z。
普通齒輪流量變送器，當(dāng)模數(shù)m＝4mm，齒數(shù)z＝19，齒寬B＝20mm，壓力角α＝20°時(shí)，轉(zhuǎn)速n＝1450r/min，其流量公式為
Q＝58.3－232.3（φ-Kβ）2
式中，Kβ≤φ≤（k+1）β，k＝0，1，…，z-1，β＝2π/z，用MATLAB仿真。
流量脈動(dòng)的仿真結(jié)果如圖3所示。
當(dāng)采用徑向多齒輪結(jié)構(gòu)的流量變送器時(shí)，中心輪齒數(shù)為4n+1，行星輪如圖1所示安裝，則流量變送器的流量公式為
（6）
由式（6）結(jié)合圖4可以看出，徑向多齒輪結(jié)構(gòu)的齒輪流量變送器，流量的、最小值之差只有普通齒輪變送器流量、最小值之差的1/4，再加上徑向多齒輪流量變送器的流量是普通的4倍，故徑向多齒輪結(jié)構(gòu)的齒輪變送器的流量脈動(dòng)率只是普通齒輪變送器流量脈動(dòng)率的1/16，即
（7）
中心輪、行星輪的齒數(shù)均為19，模數(shù)為4mm，齒寬20mm，壓力角為20°時(shí)，轉(zhuǎn)速n＝1450r/min，用MATLAB仿真。
圖4是在中心輪轉(zhuǎn)過7個(gè)齒時(shí)，該流量變送器的流量脈動(dòng)仿真結(jié)果。
4 結(jié)論
該流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：
（1）徑向多齒輪結(jié)構(gòu)流量變送器的流量脈動(dòng)只有普通齒輪流量計(jì)的1/16，解決了目前我國(guó)容積式流量計(jì)不能用于測(cè)量高壓液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)流量的問題，。
（2）它和間接測(cè)量方法相比，測(cè)量精度高，測(cè)得結(jié)果可靠，對(duì)測(cè)試環(huán)境和條件沒有特殊要求，適應(yīng)性強(qiáng)，可批量生產(chǎn)。
（3）由于該流量計(jì)存在轉(zhuǎn)動(dòng)部件，流量測(cè)試應(yīng)在流量計(jì)啟動(dòng)階段結(jié)束后進(jìn)行，流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件應(yīng)采用輕質(zhì)材料制造。
（4）由于流量計(jì)的進(jìn)出油壓差很小，高低壓腔間有一密封即可，故流量計(jì)的中心輪的齒數(shù)除應(yīng)滿足z＝4k±1條件外，還應(yīng)滿足z≥19的條件。
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