鐘 林，雷潔珩，雷澤勇，鄧 健

(1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

密閉容器常用來貯存具有易燃、易爆、易揮發(fā)、放射性等特性的物料。物料料位是指存儲(chǔ)容器里的液體、固體、氣體之間的分界面位置。由于密閉容器中的物料性質(zhì)各異導(dǎo)致密閉容器內(nèi)多相物料料位監(jiān)測(cè)存在困難。國內(nèi)外密閉容器物料料位測(cè)量方法大致可分為接觸式和非接觸式兩大類。目前非接觸測(cè)量方法主要有超聲波測(cè)量技術(shù)[1-2]、放射性測(cè)量技術(shù)[3]，雷達(dá)測(cè)量技術(shù)[4]等。接觸測(cè)量方法主要有磁致伸縮液位計(jì)測(cè)量[5]，電容式物位計(jì)及射頻導(dǎo)納物位計(jì)測(cè)量[6]靜壓式物位測(cè)量等在單相物料料位測(cè)量中應(yīng)用較為廣泛，但對(duì)多相物料料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)都存在不足。因此本文提出了一種新型密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案，來解決多相物料料位監(jiān)測(cè)的問題。

1 監(jiān)測(cè)裝置基本結(jié)構(gòu)

帶清洗輪的密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)裝置主要由容器筒體、法蘭盤、攝像頭、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連接軸、彈簧卡圈、軸承、照射光源、清洗輪、橡膠墊圈、噴液清洗管、雷達(dá)測(cè)距裝置及LED發(fā)光標(biāo)尺組成。帶清洗輪的密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)裝置如圖1所示。

圖1帶清洗輪的密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)裝置1.法蘭盤 2.攝像頭 3.連接軸 4.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5.彈簧卡圈 6.軸承 7.照射光源 8.清洗輪上 9.橡膠墊圈 10.噴液清洗管 11.雷達(dá)測(cè)距裝置 12.LED發(fā)光標(biāo)尺 13.密閉容器筒體14.固相物料

法蘭盤上設(shè)有軸承安裝孔、雷達(dá)測(cè)距裝置安裝孔、透明的攝像窗、透明的光源照射窗、LED發(fā)光標(biāo)尺安裝孔及法蘭盤安裝孔，法蘭盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 法蘭盤結(jié)構(gòu)示意圖 1-1.軸承安裝孔 1-2.透明的攝像窗 1-3.光源照射窗 1-4.雷達(dá)測(cè)距裝置安裝孔 1-5.LED發(fā)光標(biāo)尺安裝孔 1-6.法蘭盤安裝孔

攝像窗的中軸線及光源照射窗的中軸線與軸承安裝孔中軸線之間的距離一致，雷達(dá)測(cè)距裝置安裝孔的中軸線及LED發(fā)光標(biāo)尺安裝孔的中軸線與軸承安裝孔中軸線之間的距離一致，并大于攝像窗中軸線與軸承安裝孔中軸線之間的距離，攝像窗的兩個(gè)端平面及光源照射窗的兩個(gè)端平面與法蘭盤上的兩個(gè)端平面處在同一平面上。

清洗輪包括輪盤、外圈、支撐條及橡膠清洗條，六塊支撐條均勻分布在輪盤外圓與外圈的內(nèi)圓之間，通過支撐條將輪盤和外圈連為一體，在輪盤上設(shè)有軸孔，在軸孔的內(nèi)壁設(shè)有鍵槽，橡膠清洗條固定粘貼在支撐條的端面上，清洗輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 清洗輪結(jié)構(gòu)示意圖 8-1.輪盤 8-2.外圈 8-3.支撐條 8-4.橡膠清洗條 8-1-1.軸孔 8-1-2.鍵槽

連接軸上設(shè)有軸孔、軸承安裝軸、軸承內(nèi)圈擋肩及清洗輪安裝軸，軸承安裝軸上設(shè)有彈簧卡圈安裝槽，軸孔上設(shè)有第一鍵槽，清洗輪安裝軸上設(shè)有第二鍵槽，連接軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

法蘭盤及橡膠墊圈通過螺桿、螺母及墊圈安裝在筒形密閉容器的開口端，軸承安裝在法蘭盤上的軸承安裝孔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過螺桿及墊圈固定安裝在法蘭盤上，連接軸上的軸承安裝軸穿過軸承的內(nèi)圈孔后，連接軸上的軸承內(nèi)圈擋肩抵在軸承的內(nèi)圈上，連接軸上的軸孔與驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)軸采用鍵連接，彈簧卡圈安裝在連接軸上的彈簧卡圈安裝槽內(nèi)，彈簧卡圈的一個(gè)端面抵在軸承的內(nèi)圈上，防止連接軸從驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上脫落，清洗輪通過螺母及墊圈安裝在連接軸上的清洗輪安裝軸上，清洗輪上的軸孔與連接軸上的清洗輪安裝軸采用鍵連接，清洗輪安裝在連接軸上后，清洗輪上的橡膠清洗條貼在法蘭盤的端平面上，攝像頭及照射光源分別安裝在法蘭盤上，攝像頭對(duì)準(zhǔn)法蘭盤上的攝像窗，照射光源對(duì)準(zhǔn)法蘭盤上的光源照射窗，LED發(fā)光標(biāo)尺，穿過法蘭盤上的LED發(fā)光標(biāo)尺安裝孔安裝在法蘭盤上，雷達(dá)測(cè)距裝置穿過法蘭盤上的雷達(dá)測(cè)距裝置安裝孔安裝在法蘭盤上，兩個(gè)噴液清洗管分別對(duì)稱安裝在筒形密閉容器的筒壁上，其噴液口分別對(duì)準(zhǔn)法蘭盤上的攝像窗及光源照射窗。

圖4 清洗輪結(jié)構(gòu)示意圖3-1.軸孔 3-2.軸承安裝軸 3-3.軸承內(nèi)圈擋肩 3-4.清洗輪安裝軸 3-1-1.第一鍵槽 3-2-1.彈簧卡圈安裝槽 3-4-1.第二鍵槽

2 監(jiān)測(cè)裝置工作原理

對(duì)筒形密閉容器的多相物料的料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，打開監(jiān)測(cè)裝置中攝像頭2、LED發(fā)光標(biāo)尺12、雷達(dá)測(cè)距裝置11及照射光源7的電源，攝像頭對(duì)筒形密閉容器13內(nèi)多相物料14的料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)LED發(fā)光標(biāo)尺12上的刻度對(duì)多相物料14的料位分別進(jìn)行度量，并將采集到的圖像通過信號(hào)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)顯示多相物料14的料位并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。雷達(dá)測(cè)距裝置11用來測(cè)量多相物料14的液面高度，并將采集到的液面高度數(shù)據(jù)通過信號(hào)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)顯示多相物料14的液面高度并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

當(dāng)法蘭盤1上的攝像窗1-2及光源照射窗1-3受筒形密閉容器13內(nèi)多相物料14沾染模糊不清時(shí)，打開噴液清洗管10的閥門，對(duì)攝像窗1-2及光源照射窗1-3進(jìn)行噴液清洗，噴液清洗結(jié)束后，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)4，驅(qū)動(dòng)電機(jī)4帶動(dòng)清洗輪8旋轉(zhuǎn)，通過清洗輪8上的橡膠清洗條8-4對(duì)法蘭盤1上的攝像窗1-2及光源照射窗1-3進(jìn)行清刷。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

該監(jiān)測(cè)裝置對(duì)密閉容器內(nèi)的物料料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，攝像頭是隔著透明法蘭盤對(duì)密閉容器內(nèi)的多相物料料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，透明法蘭盤內(nèi)表面易受物料沾染，造成成像模糊，影響監(jiān)測(cè)效果。設(shè)計(jì)一套帶清洗輪的密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)成像模糊時(shí)，打開噴液清洗管的閥門，對(duì)攝像窗及光源照射窗進(jìn)行噴液清洗。噴液后，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)清洗輪，利用清洗輪上的橡膠清洗條對(duì)法蘭盤上的攝像窗及光源照射窗進(jìn)行清洗，保證攝像窗及光源照射窗的清晰度。

4 監(jiān)測(cè)裝置關(guān)鍵零部件的仿真分析

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)監(jiān)測(cè)裝置關(guān)鍵零部件清洗盤進(jìn)行靜力學(xué)分析[7-8]，驗(yàn)證清洗輪骨架設(shè)計(jì)尺寸是否滿足使用要求。

清洗輪骨架由鋁合金材料構(gòu)成，輪盤直徑Φ150，輪盤厚度10 mm，外圈內(nèi)徑Φ690 mm，外圈截面尺寸10 mm×10 mm，支撐條截面尺寸10 mm×10 mm，旋轉(zhuǎn)速度1 rad/s。

清洗用橡膠條尺寸為5 mm×5 mm×200 m，清洗時(shí)橡膠條壓縮量為0.5 mm。由于清洗用橡膠條成分暫未確定，暫定合成橡膠及鋁合金的初始參數(shù)如表1所示。

從整體上來說，清洗盤上的橡膠清洗條的應(yīng)力應(yīng)變曲線是非線性的，不符合胡克定律，但當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)橡膠的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可近似為線性的。當(dāng)應(yīng)變幅度小于10%時(shí)常把應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率作為其彈性模量[9]。計(jì)算可得，單根橡膠條的自重G橡膠=5.88×10-2N ，F(xiàn)彈= 2.28 N，F(xiàn)靜摩擦=1.78 N。仿真初始參數(shù)如表1所示。

表1 仿真初始參數(shù)

4.1 有限元模型的建立

在SolidWorks軟件中以實(shí)際尺寸1:1建立清洗輪骨架的三維模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行分析計(jì)算

4.2 網(wǎng)格劃分

利用靜力學(xué)模塊的網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型尺寸設(shè)定Element Size為5 mm，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，如圖5所示，形成11 665個(gè)網(wǎng)格、45 681個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.3 施加載荷與約束

施加載荷與約束，如圖6所示，并對(duì)清洗輪進(jìn)行分析求解。

圖5 網(wǎng)格劃分效果圖圖6 施加載荷與約束效果圖

4.4 仿真結(jié)果分析

清洗輪骨架在重力、摩擦力及彈力作用下，發(fā)生彈性變形，最大變形量為0.16 mm，如圖7。清洗輪整體變形量極小，因此在最大摩擦力作用下，剛度滿足使用要求，不會(huì)出現(xiàn)斷裂或塑性變形等失效情況。

圖7 清洗輪骨架總變形量圖

清洗輪骨架等效應(yīng)力圖和等效彈性應(yīng)變圖如圖8，9所示。最大應(yīng)力為σmax為4.285 MPa，材料的許用應(yīng)力為：[σ]=110 MPa，故此結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)S=[σ]/σmax=25.67。由此可知在最大摩擦力情況下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度是滿足要求的。由于安全系數(shù)較大，后續(xù)可考慮對(duì)清洗輪骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

圖8 清洗輪骨架等效應(yīng)力圖圖9 等效彈性應(yīng)變圖

5 結(jié) 論

本文為解決密閉容器內(nèi)多相物料料位監(jiān)測(cè)的問題，參考中國專利文獻(xiàn)(公開號(hào)：CN104101401A)公開的一種“密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)方法及裝置”[10]設(shè)計(jì)了帶清洗輪的密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)裝置。利用攝像頭、雷達(dá)料位計(jì)、LED發(fā)光標(biāo)尺等接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)多相物料料位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。帶清洗輪的密閉容器多相物料料位監(jiān)測(cè)裝置的使用在保證容器密封的同時(shí)提高了多相物料料位監(jiān)測(cè)質(zhì)量。根據(jù)仿真軟件ANSYS Workbench軟件仿真結(jié)果，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵零部件清洗輪骨架的設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。