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活塞式液体流量标准装置动力系统设计校核


文章日期:2017-06-17|阅读数:


一、前言

我站于2012年建立了冷却液流量标准装置,该装置采用主动活塞式工作原理,工作介质为65号航空冷却液(水基、低黏度),装置流量范围为(0.1~50)m3/h。经合成,装置不确定度优于0.05%(k=2),能满足0.2级速度式流量计、容积式流量计及电磁流量计等的校准要求。动力系统是装置的重要组成部分,本文主要介绍装置的组成和工作原理,并重点介绍装置动力系统的设计验证。

二、装置的原理

装置主要由动力系统、活塞式体积管系统、测控系统等组成。动力系统匀速拖动活塞,使流体从活塞缸中排出并通过被校流量计。其工作原理如图1所示。如果在时间间隔t内活塞移动所排出的流体的体积为V,可计算出标准流量qV,通过标准流量与被校准流量的输出信号进行比较、计算,就可实现对各种流量计的校准,即 qV=V/t

光电1.jpg

三、流量动力系统的组成及性能

装置动力系统包括伺服电机机构、伺服电机控制机构与传动机构等。伺服电机、伺服电机控制机构、滚珠丝杠采用标准成品进行集成。本系统采用的滚珠丝杠副作为活塞装置的直线驱动执行单元,滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动的理想产品,滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动的理想产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。

装置采用滚珠丝杠副丝杠轴的公称直径为50mm,基本导程为10mm,钢球直径为5.95mm,丝杠底径为4209mm丝杠外径48.5mm额定动、 静载荷分别约为30000N和83000N.驱动电机是装置驱动的原动力,本装置选用SGMGH-1EACA61型安川伺服电机和配套SGDM-1EADA型伺服电机控制机构。电机额定功率为15KW,额定转速为1500r/min,额定电流为78A,电机配用编码器为17bit,编码准确度为32768P/R。伺服电机控制机构通过专用数据接口与工控机连接,实现工控机对电机运行的监测与控制。

四、动力系统验证

 

装置活塞机构的***大运行速度为

 

Vmax=4Qmax/π(D2-d2)

=4×50/3600π(0.38322-0.112)

 

≈0.13m/s

 

装置活塞机构在***大速度和***大压力下运行时,丝 杠 所 受 拉 力 为 :  装 置 设 计 *** 高 工 作 压 力 pmax(0.6MPa),鉴于系统***大流量和***高工作压力一般不同时出现,因此按照***大流量下典型流量计的***高工作压力估算。 经试验,在50m3/h流量下装置对DN50涡轮流量计的***高工作压力pW 为0.2MPa。 因此,在***高

工作压力和***大流量下,丝杠所受拉力分别为Fmax=pmax×π(D2-d2)/4=0.6×π(0.38322-0.112)×106≈63496N

FW=pW×π(D2-d2)/4

=0.2×π(0.38322-0.112)×106

 

≈21165N

 

装置活塞机构在***大速度(装置***大流量)运行时,丝杠和电机的***高转速为nmax=Vmax /LD

 

=0.13×60/0.01

 

=780r/min

 

装置活塞机构在***大速度(装置***大流量)运行时所需***大输入功率Pmax 为Pmax=FW×Vmax /μ=21165×0.12/(0.7×1000)≈4kW

 

式中:Qmax—装置***大流量指标;Fmax—***高工作压力下丝杠所受拉力;Vmax—装置活塞机构***大运行速度; pmax—装置设计***高工作压力; pW—DN50涡轮流量计在50m3/h流量下的***高工作压力 ;

 

FW —装置***大流量下丝杠所受拉力;D—装置活塞缸内径;d—装置活塞杆直径;nmax—***大速度运行时丝杠和电机的***高转速;LD—装置滚珠丝杠副导程;Pmax—装置***大流量运行时所需***大输入功率;μ—系统总效率。

 

经对比验证:装置活塞机构***大运行速度Vmax 约为0.13m/s,低于活塞密封件的运行速度(15m/s)和光栅系统的运行速度(2m/s),满足装置系统的要求。

 

***高工作压力下丝杠所受拉力Fmax 约为63496N,由于装置很少在***高工作压力下工作,因此,此项使用丝杠额定静载荷进行校核,该型丝杠的额定静载荷为83000N,Fmax 低于丝杠额定静载荷, 满足装置系统的要求。

 

装置***大流量下丝杠所受拉力FW 约为21165N,小于该型丝杠的额定动载荷(30000N),因此可以满足滚珠丝杠副在该负荷下正常运行 106 个小时, 约合125000个正常工作日,满足装置的使用需求。

 

装置***大速度运行时丝杠和电机的***高转速nmax约为780r/min,低于电机额定转速(1500r/min),满足电机转速要求。

 

装置***大流量运行时所需***大输入功率Pmax 约为4kW,低于电机额定功率 (15kW),因此 ,电机选型满足使用要求且有足够富裕度,不但能满足常规流量计的校准要求,还能满足特殊流量计(如高压损)的校准要求。

 

五、结束语

 

活塞式液体流量标准装置投入使用后,通过对大量的各类流量计的试验验证后表明,装置的动力系统各项性能满足要求,运转平稳可靠,足以证明装置的动力系统整体设计的可靠和配置的合理。

 

 



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