摘要:介紹在氣體渦輪流量計(jì)過(guò)程中渦輪渦桿傳動(dòng)非常規(guī)方法。通過(guò)多次改進(jìn),證明這種有效、實(shí)用,能夠保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性、可靠性,降低傳動(dòng)中的阻力,提高傳動(dòng)的靈活性,達(dá)到預(yù)期的效果。
1.前言
氣體渦輪流量計(jì)是用于管道天然氣計(jì)量的儀表,在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,用氣體渦輪流量計(jì)計(jì)量管道天然氣已有30~40年的歷史了。隨著我國(guó)對(duì)天然氣資源大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和利用,西氣東輸、海氣登路、陜氣進(jìn)京、渝氣輸漢、川氣進(jìn)湘等多條天然氣管道工程相繼建成,多年來(lái)一直使用的污染大、熱值低的人工煤氣等氣體將逐漸被環(huán)保性、熱值高的天然氣所取代。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),用于計(jì)量管道天然氣的氣體渦輪流量計(jì)在中國(guó)將形成一個(gè)大的需求市場(chǎng)。鑒于此,國(guó)內(nèi)有實(shí)力的燃?xì)獗碇圃焐虨樽プ?guó)內(nèi)對(duì)氣體渦輪流量計(jì)需求日益增長(zhǎng)這一商機(jī),高精度氣體渦輪流量計(jì)產(chǎn)品。
2.氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量原理
圖1所示,管道內(nèi)的氣體通過(guò)渦輪流量計(jì)前端的收縮截面,加速?zèng)_擊葉輪,葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)在一定流量范圍內(nèi)與通過(guò)流量計(jì)內(nèi)的氣體流量成正比,葉輪轉(zhuǎn)數(shù)通過(guò)表內(nèi)多級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)傳送到顯示儀器上,從而完成對(duì)管道內(nèi)氣體體積的計(jì)量。
3.問(wèn)題
圖2所示,在進(jìn)行DN100型氣體渦輪流量計(jì)的樣機(jī)試制過(guò)程中,經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),流量計(jì)的大流、中流段的示值誤差趨于線型,而最小流量點(diǎn)(Qmin)示值誤差卻超出標(biāo)準(zhǔn)要求。
理想曲線指流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)示值誤差曲線,即:
Qmin≤Q<0.2Qmax±2%;
0.2Qmax≤Q≤Qmax±1%。
實(shí)際曲線指樣機(jī)測(cè)試時(shí)的示值誤差曲線。
4.分析、試驗(yàn)
針對(duì)樣機(jī)測(cè)試時(shí)的示值誤差曲線分析,小流量段示值誤差超差有多方面原因,但總體上可歸納為兩種可能性:一是流量計(jì)密封性不好,氣體外溢而未被計(jì)量;二是流量計(jì)內(nèi)部阻力大,傳動(dòng)不靈活。第1種可能性是各接口聯(lián)接的密封問(wèn)題,問(wèn)題比較直觀,很容易解決;第2種可能性涉及到樣機(jī)裝配時(shí)的各道工序,需要對(duì)裝配過(guò)程中各工序的阻力問(wèn)題逐一-分析、排查。經(jīng)多次試驗(yàn),最終確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)渦輪、渦桿傳動(dòng)部分阻力較大,影響了氣體渦輪流量計(jì)的傳動(dòng)靈活性,導(dǎo)致小流量段示值誤差超差。
5改進(jìn)設(shè)計(jì).
標(biāo)準(zhǔn)的渦輪、渦桿配合,一般都將渦輪的圓柱表面的直母線制成弧形,部分地包住渦桿,并用與渦桿形狀相似的滾刀來(lái)切制渦輪的齒廓,這樣就使得相嚙合的輪齒成為線接觸,從而提高傳動(dòng)的承載能力。但對(duì)于氣體渦輪流量計(jì)來(lái)說(shuō),傳動(dòng)系統(tǒng)主要是傳遞運(yùn)動(dòng),而不是傳遞動(dòng)力和扭矩。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的渦輪、渦桿線接觸,系統(tǒng)阻力大,導(dǎo)致傳動(dòng)不靈活,從而影響流量計(jì)的計(jì)量精度,如圖3(a),圖4示值誤差曲線②。
曲線①為標(biāo)準(zhǔn)示值誤差曲線。
5.1改進(jìn)方案1
針對(duì)流量計(jì)傳動(dòng)的特點(diǎn),將渦輪厚度變薄,減少渦桿、渦輪配合時(shí)的接觸長(zhǎng)度,如圖3(b),經(jīng)過(guò)試驗(yàn),小流量段示值誤差明顯改善,如圖4示值誤差曲線③。但流量計(jì)穩(wěn)定性差,重復(fù)性難以保證。
5.2改進(jìn)方案2
根據(jù)渦桿、渦輪成形原理,渦桿、渦輪傳動(dòng)實(shí)際是由螺旋齒輪傳動(dòng)演化而來(lái)的。螺旋齒輪傳動(dòng)相嚙合的輪齒是點(diǎn)接觸,為了改善嚙合狀況,才將渦桿渦輪的嚙合變?yōu)榫接觸。線接觸的阻力要大于點(diǎn)接觸,于是將弧形面的渦輪用螺旋齒輪替代,如圖3(c)。結(jié)果表明這種改進(jìn)非常有效,流量計(jì)傳動(dòng)阻力減小、靈活性提高;傳動(dòng)平穩(wěn)、重復(fù)性良好,小流量段的示值誤差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,如圖4示值誤差曲線④。
5.3改進(jìn)方案3
采用螺旋齒輪傳動(dòng)代替原渦桿、渦輪結(jié)構(gòu),達(dá)到了預(yù)期效果,但針對(duì)氣體渦輪流量計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),在狹小的機(jī)心空間對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的螺旋齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑是很困難的,解決不當(dāng),勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),將螺旋齒輪材料改成自潤(rùn)滑性能好的工程塑料,就能很好的解決潤(rùn)滑問(wèn)題。
5.4改進(jìn)方案4.
塑料螺旋齒輪采用注塑工藝加工,模具成本很高,且產(chǎn)品的裝配、調(diào)整非常困難。為解決這個(gè)問(wèn)題,準(zhǔn)備用斜齒輪代替螺旋齒輪,即用直齒面代替難以成型和調(diào)整的螺旋齒面,同時(shí)渦桿與斜齒輪間仍然是點(diǎn)接觸。實(shí)踐證明,原渦桿、渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變成非標(biāo)的渦桿、斜齒輪結(jié)構(gòu)后,對(duì)氣體渦輪流量計(jì)產(chǎn)品效果顯著。
6.結(jié)束語(yǔ)
運(yùn)用設(shè)計(jì),有效地降低了氣體渦輪流量計(jì)的傳動(dòng)阻力。經(jīng)DN100型氣體渦輪表各項(xiàng)性能測(cè)試表明,該方法有效、實(shí)用、安全可靠,并在DN80型氣體渦輪表的得以推廣和應(yīng)用。這兩種口徑的氣體渦輪流量計(jì)在2003年同時(shí)通過(guò)遼寧省科技廳的成果鑒定。產(chǎn)品投放市場(chǎng)后,性能穩(wěn)定,用戶反饋信息良好。
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