楊進(jìn)意

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.寧波水表股份有限公司，寧波 315032)

0 引言

新實(shí)施的水表國家標(biāo)準(zhǔn)，流量特性由自定的Q3和量程比R=Q3/Q1兩個(gè)數(shù)值來表示，同時(shí)縮小了低區(qū)流量測量范圍。它的實(shí)施充分體現(xiàn)了水表技術(shù)進(jìn)步、水計(jì)量管理、市場競爭的發(fā)展趨勢，有利于提升水表的性能水平，擴(kuò)大產(chǎn)品適用性，但也對水表設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。對水表生產(chǎn)廠家來說，既是商機(jī)也是危機(jī)，促使他們加快技術(shù)改革的步伐。

對于特定的一款表，在常用流量Q3確定的情況下，要想提升水表的性能即獲得大量程比，就要使最小流量Q1盡量小，而始動(dòng)流量在某種程度上決定了它的最小流量測量特性。基于低設(shè)計(jì)成本、低開模費(fèi)用的設(shè)計(jì)理念，本研究將在原有農(nóng)用灌溉水表的基礎(chǔ)上，利用靜平衡原理對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而獲得較低的始動(dòng)流量提升水表的性能，達(dá)到新國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 原農(nóng)用表的葉輪及流量特性

1.1 葉輪結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

不銹鋼葉輪軸作為嵌件與葉片一次注塑成型成為一體，將葉輪放入水中后會(huì)下沉到底，說明它的綜合密度大于1，是沉體。沉體的受力情況如圖1a，重力W大于浮力Fb，重心G位于浮心C下方。

圖1 原葉輪受力圖

當(dāng)把綜合密度大于1的葉輪裝入水表后，因?yàn)槭艿捷S承的約束，使葉輪軸處于水平狀態(tài)，見圖1b。此時(shí)，葉輪受到的重力W和浮力Fb構(gòu)成一傾倒力偶，使葉輪傾斜，增大了葉輪軸與軸承的摩擦副之間的摩擦系數(shù)。這個(gè)摩擦系數(shù)越大，使葉輪開始慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)靈敏指針平穩(wěn)、均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最小流量值越大，這個(gè)最小流量值就是始動(dòng)流量。

1.2 流量特性

水表的流量特性可以體現(xiàn)在它的流量誤差特性曲線上，該曲線是以流量為橫坐標(biāo)，以示值誤差為縱坐標(biāo)繪制而成。原農(nóng)用表的流量誤差特性曲線見圖2，其中qmin、qt、qp、qs分別為老標(biāo)準(zhǔn)的最小流量、分界流量、常用流量和最大流量，q1、q2、q3、q4分別為新標(biāo)準(zhǔn)的最小流量、分界流量、常用流量和最大流量。英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 14268-2005《灌溉技術(shù)-灌溉用水表》中規(guī)定，當(dāng)量程比達(dá)到R25及以上時(shí)，可以在水表的度盤上顯示B級標(biāo)識，所以本研究的預(yù)期目標(biāo)量程比達(dá)到R25(現(xiàn)有的農(nóng)用灌溉水表的量程比為R12.5)。

圖2 原農(nóng)用表的流量誤差特性曲線

該流量誤差特性曲線的特征是：在小流量時(shí)誤差急劇偏負(fù)；隨著流量增至分界流量附近，誤差曲線快速向正向移動(dòng)，并達(dá)到一個(gè)峰值；當(dāng)流量繼續(xù)增大時(shí)，誤差曲線又向負(fù)方向偏移。根據(jù)現(xiàn)行水表的誤差標(biāo)準(zhǔn)：包括分界流量點(diǎn)在內(nèi)到最大流量的誤差范圍為-2%～+2%，小于分界流量點(diǎn)誤差范圍為-5%～+5%，從圖2中可知，符合老標(biāo)準(zhǔn)要求的農(nóng)用表，做新標(biāo)準(zhǔn)流量測試時(shí)，因?yàn)榱砍瘫鹊臄U(kuò)大，最小流量點(diǎn)從qmin左移到q1點(diǎn)，此時(shí)曲線在q1點(diǎn)的誤差就超過-5%～+5%范圍，達(dá)不到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 新葉輪設(shè)計(jì)及流量特性

要讓最小流量q1的誤差達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須讓水表有較高的測量靈敏閥(即有很小的始動(dòng)流量值)，因?yàn)槭紕?dòng)流量在某種程度上決定了它的最小流量測量特性。降低水表始動(dòng)流量值的方法有很多，主要有盡量減少機(jī)械阻力和水力阻抗、增加水對葉輪的沖擊力。本研究主要利用靜平衡原理對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減小摩擦副之間的摩擦系數(shù)來實(shí)現(xiàn)減少機(jī)械阻力的目的(軸孔間的摩擦力)。

2.1 靜平衡原理

浸入靜止水中的葉輪，當(dāng)重力等于浮力時(shí)，它將懸浮在水中，成為潛體；如果要求葉輪在水中不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，還必須滿足重力和浮力對任何一點(diǎn)的力矩的代數(shù)和為零，即重心和浮心在同一條鉛直線上。設(shè)計(jì)水表時(shí)，為了使轉(zhuǎn)動(dòng)的不平衡量減小到最小，葉輪的形狀是呈中心對稱，因此葉輪軸水平放置后，葉輪的重心和浮心是在同一條水平線上。所以，要想達(dá)到靜平衡，新設(shè)計(jì)的農(nóng)用表葉輪必須滿足：1)重力等于浮力，2)重心和浮心重合，如圖3。

圖3 靜平衡原理圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于低設(shè)計(jì)成本、低開模費(fèi)用的設(shè)計(jì)理念，在保留原有農(nóng)用灌溉水表的大部分零部件的前提下，只對葉輪作結(jié)構(gòu)改進(jìn)，這在一定程度上限制了葉輪的形狀和大小。

重力等于浮力，就是要求新設(shè)計(jì)的葉輪綜合密度幾乎等于1。因?yàn)椴讳P鋼軸密度過大，這時(shí)我們可以采用無軸葉輪，即把帶軸葉輪改成帶孔葉輪，把兩端的葉輪軸固定在下支架上，如圖4。去除葉輪軸后，接下來再考慮葉輪材料，可采用與水密度接近的工程塑料，如尼龍。

圖4 新葉輪結(jié)構(gòu)圖

圖5

重心是重力作用集中的一點(diǎn)。浮心是浮力的作用點(diǎn)，就是物體浸沒部分的幾何形心。重心和浮心重合,就是必須滿足各零件的重力對浮心的力矩的代數(shù)和為零，即W1×L1=W2×L2，如圖5所示。C點(diǎn)為整個(gè)葉輪的浮心，G1點(diǎn)為葉輪的重心，G2點(diǎn)為葉輪襯套的重心，W1為葉輪的重力，W2為葉輪襯套的重力，L1為葉輪重心到浮心的距離，L2為襯套重心到浮心的距離。

曲線1：新葉輪結(jié)構(gòu)的流量誤差特性曲線曲線2：老葉輪結(jié)構(gòu)的流量誤差特性曲線圖6

葉輪式水表的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是建立在實(shí)驗(yàn)科學(xué)基礎(chǔ)之上，在研發(fā)人員工作經(jīng)驗(yàn)積累和現(xiàn)有設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，通過對樣機(jī)的大量反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)整，經(jīng)歷長時(shí)間的修正和改進(jìn)，來實(shí)現(xiàn)相對較好的水表性能。但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在研制周期過長的問題，因此新葉輪的設(shè)計(jì)，我們采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks構(gòu)建農(nóng)用灌溉水表的葉輪三維模型，在屬性欄中添加各零件的密度，即可方便找到各零件的重心位置，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。具體操作過程，這里不作詳細(xì)闡述。

2.3 流量特性和試驗(yàn)結(jié)果分析

針對老葉輪結(jié)構(gòu)的農(nóng)用表和新葉輪結(jié)構(gòu)的農(nóng)用表，各取樣機(jī)20只進(jìn)行下列流量點(diǎn)誤差測試，取3次測試結(jié)果的平均值作為檢測結(jié)果繪制流量誤差特性曲線，如圖6所示。

對曲線進(jìn)行分析可知，根據(jù)靜平衡原理對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，q1點(diǎn)的誤差已經(jīng)符合-5%～+5%范圍的要求，而其他各流量點(diǎn)誤差基本保持不變。

3 結(jié)語

通過對農(nóng)用灌溉水表葉輪的改進(jìn)和分析，獲得較低的始動(dòng)流量，不僅提升水表的性能即獲得大量程比R，而且為進(jìn)一步研究葉輪平衡技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] GB/T 778.1—2007封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表

[2] 詹志杰.水表技術(shù)手冊.北京：中國計(jì)量出版社，2004