旋转活塞流量计计量室的密封设计

传感器技术 2019-03-22 18:00

文 | 传感器技术(WW_CGQJS)


旋转活塞流量计是一种容积式流量计,其计量室的进出口腔的隔绝密封问题是关系到能否保证计量的准确、稳定的重要环节。该密封是由旋转活塞与内外圆筒及隔板的接触形成,而与隔板接触的、供活塞摆移的顶面缺口廓形设计尤为关键,工作时,该廓形既要保证活塞按正确轨迹运动不受干涉, 又要保证缺口轮廓与隔板保持接触, 使进出腔隔绝, 形成可靠的密封。



旋转活塞流量计计量室的结构及其工作原理


如图 1 所示,顶面开有运动时能容纳隔板位置缺口的活塞 7 位于外圆筒 1 的内壁及内圆筒 6 的外壁构成的环形区域内, 活塞的内外壁分别与内外圆筒的外、内壁接触, 使活塞中心o‘对于内外圆筒中心 o 有一偏距 e, 不难看出, 旋转活塞的外内半径 r 1, r 2, 与外内圆筒的内外半径 R , r 3 有下列关系:


活塞壁厚        δ= r 1- r 2
偏距               e= R - r 1
活塞外半径     r 1= ( R + r 3+ δ) / 2
内外圆筒间有沿径向隔板将环形区隔断。


环形区的径向尺寸 I= R - r 3
隔板在 R 以内长度 l 1 略大于 l
隔板厚度为 b
隔板到 o 点距离 l 2= R - l 1


这样, 环形区被活塞壁和隔板划成两个月牙形内外腔计量室, 在入口液体压力作用下, 活塞中心 o’绕 o 沿箭头做逆时针旋转, 活塞其余部分在环形区内摆移, 其内外圆柱面依次和内外圆筒接触, 计量腔不断作圆周移动, 输送流体。活塞中心 o‘绕 o 旋转一周, 内外计量腔同时旋转一周, 各输送排出一次液体。月牙形内外计量腔的容积和即为活塞中心旋转一周输送排出的液体体积流量, 它是一个可计量的常量为:

其中, h—计量室的高度

根据活塞的转数 n 就能测出 n 转数下所流过的液体量:


流量计计量室的密封问题分析


1、密封原理


由上述对流量计结构及工作原理分析可知, 活塞工作时, 活塞外圆面、外圆筒内圆面及其相互接触, 隔板和圆筒上下面构成外计量室; 而活塞内圆面、内圆筒外圆面及其相互接触, 隔板和圆筒上下面组成内计量室。活塞运动时要求其顶面与隔板接触处开有缺口, 以保证运动不受干涉, 更重要的是该缺口廓形还要保证始终与隔板的近中心的 k 处接触, 以保证内计量室的密封; 否则, 以压力从入口输入的液体将不通过计量腔的输送, 而直接经缺口窜入出口流出, 轻则导致计量不准, 重则导致流量计不能工作。


2、活塞顶面缺口廓形方程的分析和设计计算

1) 如图 2 所示旋转活塞工作时其中心 o’绕o 逆时针转动, 设 oo‘连线与初始位置夹角为 α, 以α 为参数,推导顶面缺口廓形的极坐标参数方程。为设计、加工方便,将极坐标系固结在活塞顶面上。设坐标系原点为 o’,极轴的初始位置为缺口廓形的对称线o‘B,顺时针方向为相位角正向φ。


当 0° ≤ α ≤ 180°时缺口的右半廓形方程经过推导为:

其中 e、b、l 2、r 1 如前所述, 均为已知。


2)当 180°≤α≤ 360°时
因对称关系, 将- α, - φ代替( 1)式中的α , φ即可得到 180°≤α≤ 360°时的极坐标方程:


3、实例计算

原始数据: R = 27 mm, r 1= 23 m m, r 2= 21 mm, r 3= 17 mm, l 1= 11 mm, b= 2 mm


经计算 e = R - r 1= 4 mm, l 3= 16 mm
参数 α从小到大顺序取值到r 和 φ的对应值见表 1。


廓形的加工


将( 1) 、( 2) 式转换为直角坐标方程, 如图 3 转换式如下:


( 3)式仍然是 α的参数方程, 直接获得 y 和x 的函数关系y = f ( x )比较困难, 可根据给出的 α值获得x, y 的相应值(见上表) , 将其对应的坐标点作为节点, 利用牛顿等差插值或样条插值建立分段的 y = f ( x )的方程; 以该方程为基础, 可编制程序, 方便地在 NCN 线切割机上完成加工。


提高密封可靠性的其他措施


1)液体在活塞顶面缺口处的泄漏主要发生在内计量室, 尽量缩短内计量腔与入口的相通时间, 以便减少压力作用的时间过程, 设计入口形状和位置时, 尽可能使入口接近外圆筒的内圆柱面。


2) 同理, 液体出口的形状位置的布置应尽早与计量腔相通。


结语


1、旋转活塞流量计计量室的动密封除了要认真考虑圆筒半径, 活塞半径偏心距的尺寸关系, 使活塞的内外柱面分别与内、外圆筒圆柱面接触相切外, 还应认真考虑活塞顶面缺口与隔板的接触密封即缺口的廓形设计。


2、活塞顶面缺口廓形设计既要满足自己的正常运动不受干涉, 更要考虑该处的动密封问题, 因此, 缺口形状不是随意的, 而是精心设计的见图 3。


3、活塞顶面缺口廓形可按( 1) 、( 2) 公式设计计算。


4、廓形可通过( 1)、( 2)、( 3)参数方程获得节点拟合插值方程, 在数控线切割机上完成加工。


5、本流量计为上海康汇生产的, 供司驾人员用于燃油流量检测验证的便携装置。



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