摘要:介紹在氣體渦輪流量計過程中渦輪渦桿傳動非常規(guī)方法。通過多次改進(jìn)，證明這種有效、實(shí)用，能夠保證傳動的平穩(wěn)性、可靠性，降低傳動中的阻力，提高傳動的靈活性，達(dá)到預(yù)期的效果。
1.前言
氣體渦輪流量計是用于管道天然氣計量的儀表,在歐美等發(fā)達(dá)國家，用氣體渦輪流量計計量管道天然氣已有30~40年的歷史了。隨著我國對天然氣資源大規(guī)模的開發(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)長的一段時間內(nèi),用于計量管道天然氣的氣體渦輪流量計在中國將形成一個大的需求市場。鑒于此,國內(nèi)有實(shí)力的燃?xì)獗碇圃焐虨樽プ鴥?nèi)對氣體渦輪流量計需求日益增長這一商機(jī)，高精度氣體渦輪流量計產(chǎn)品。
2.氣體渦輪流量計的計量原理
圖1所示，管道內(nèi)的氣體通過渦輪流量計前端的收縮截面,加速沖擊葉輪，葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)在一定流量范圍內(nèi)與通過流量計內(nèi)的氣體流量成正比，葉輪轉(zhuǎn)數(shù)通過表內(nèi)多級傳動系統(tǒng)傳送到顯示儀器上,從而完成對管道內(nèi)氣體體積的計量。
3.問題
圖2所示，在進(jìn)行DN100型氣體渦輪流量計的樣機(jī)試制過程中,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn),流量計的大流、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)測試時的示值誤差曲線。
4.分析、試驗(yàn)
針對樣機(jī)測試時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:一是流量計密封性不好,氣體外溢而未被計量;二是流量計內(nèi)部阻力大,傳動不靈活。第1種可能性是各接口聯(lián)接的密封問題，問題比較直觀，很容易解決;第2種可能性涉及到樣機(jī)裝配時的各道工序,需要對裝配過程中各工序的阻力問題逐一-分析、排查。經(jīng)多次試驗(yàn),最終確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)渦輪、渦桿傳動部分阻力較大，影響了氣體渦輪流量計的傳動靈活性，導(dǎo)致小流量段示值誤差超差。
5改進(jìn)設(shè)計.
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,從而提高傳動的承載能力。但對于氣體渦輪流量計來說，傳動系統(tǒng)主要是傳遞運(yùn)動，而不是傳遞動力和扭矩。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中的渦輪、渦桿線接觸，系統(tǒng)阻力大,導(dǎo)致傳動不靈活,從而影響流量計的計量精度,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
針對流量計傳動的特點(diǎn)，將渦輪厚度變薄，減少渦桿、渦輪配合時的接觸長度,如圖3(b)，經(jīng)過試驗(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、渦輪傳動實(shí)際是由螺旋齒輪傳動演化而來的。螺旋齒輪傳動相嚙合的輪齒是點(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，流量計傳動阻力減小、靈活性提高;傳動平穩(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
采用螺旋齒輪傳動代替原渦桿、渦輪結(jié)構(gòu)，達(dá)到了預(yù)期效果，但針對氣體渦輪流量計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),在狹小的機(jī)心空間對高速旋轉(zhuǎn)的螺旋齒輪進(jìn)行潤滑是很困難的，解決不當(dāng),勢必會影響產(chǎn)品的使用壽命。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn),將螺旋齒輪材料改成自潤滑性能好的工程塑料,就能很好的解決潤滑問題。
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。為解決這個問題，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)計變成非標(biāo)的渦桿、斜齒輪結(jié)構(gòu)后，對氣體渦輪流量計產(chǎn)品效果顯著。
6.結(jié)束語
運(yùn)用設(shè)計，有效地降低了氣體渦輪流量計的傳動阻力。經(jīng)DN100型氣體渦輪表各項(xiàng)性能測試表明，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在2003年同時通過遼寧省科技廳的成果鑒定。產(chǎn)品投放市場后，性能穩(wěn)定,用戶反饋信息良好。
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