石矗磊

赤峰市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心 內(nèi)蒙古赤峰 024005

在人們?nèi)粘Ｉ钪兴硪呀?jīng)成為必備設(shè)施，但存在的水表壓力損失會(huì)對(duì)流量計(jì)量產(chǎn)生一定影響。因此應(yīng)該分析并掌握水表壓力損失具體情況及其原因，比較水表設(shè)備的各個(gè)構(gòu)件，明確水表壓力損失和流量計(jì)量間的關(guān)系。計(jì)量機(jī)構(gòu)是水表中的重要組成部分，其也是造成水表壓力損失的主要原因，其不僅會(huì)使水表壓力損失，還會(huì)影響水表的流量計(jì)量，進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用水表時(shí)，應(yīng)該采取合理的策略將計(jì)量機(jī)構(gòu)造成的壓力損失減小，保證水表計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1 傳統(tǒng)水表簡(jiǎn)介

水表是一種計(jì)量水流量的儀表，主要計(jì)量水的累計(jì)流量，通常劃分為兩類，分別是容積式水表以及速度式水表，課題、內(nèi)芯以及套筒是傳統(tǒng)水表內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要組成部分。通常由生鐵鑄造殼體，水由進(jìn)水口流出通過(guò)殼體下部的環(huán)形空間，這一部分被稱作是“下環(huán)室”。這一環(huán)形空間上存在“上環(huán)室”連接出水口。套筒底部存在一個(gè)具備小孔的過(guò)濾網(wǎng)，能夠?qū)⑺械碾s物過(guò)濾出來(lái)。套筒的側(cè)面存在上下兩排的圓孔，圓孔位置正好對(duì)應(yīng)著殼體上下環(huán)室，上排未出水孔，下排即為進(jìn)水孔[1]。其中需要注意的是，這兩排孔需要沿著圓的切線斜著鉆孔。上下兩排孔在方向上是相反的。水由下排孔的沿切線方向流入，這將會(huì)使水流旋轉(zhuǎn)，形成漩渦，對(duì)于水表運(yùn)行來(lái)說(shuō)，這是非常重要的。其內(nèi)芯主要有三層，分別是上層、中層和下層，上層能夠通過(guò)玻璃窗看到，其主要包括指針以及刻度盤(pán)。下層是最關(guān)鍵的，其包括塑料輪，輪邊具有很多塑料葉片，被稱作“葉輪”。葉輪處在的位置是套管下層孔形成旋轉(zhuǎn)流里，輪周的葉片被水流沖擊會(huì)形成轉(zhuǎn)矩，將會(huì)使葉輪旋轉(zhuǎn)起來(lái)。將龍頭開(kāi)大，會(huì)增加回流速度，葉輪旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)隨之提升。葉輪軸垂直向上達(dá)到中層，通過(guò)其自身的軸上小齒輪與“十進(jìn)制數(shù)齒輪”嚙合，主要的目的是對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行累積?！笆M(jìn)制數(shù)齒輪”主要作用是在十位數(shù)齒輪在個(gè)位數(shù)齒輪轉(zhuǎn)十圈后將轉(zhuǎn)一圈。個(gè)位數(shù)齒輪在這一過(guò)程中較為主動(dòng)，其能夠促進(jìn)十位數(shù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)質(zhì)上每一級(jí)十進(jìn)位用兩對(duì)齒輪完成，可保證轉(zhuǎn)動(dòng)方向的一致性，在這之中一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)比為9:30，還有一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)比為10:30，串聯(lián)這兩對(duì)，整體的轉(zhuǎn)動(dòng)比則為兩者乘積，即0.099999，近似為0.1。按照這樣的計(jì)算方式，若是要讀七位數(shù)，則需要使用12對(duì)齒輪。另外，如果需要用作別的方面，中層這一空間就需要應(yīng)用18根軸以及34個(gè)齒輪，使得安裝密度較高。傳統(tǒng)的水表結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且價(jià)格便宜，能夠長(zhǎng)時(shí)間在潮濕環(huán)境里運(yùn)行，不需要進(jìn)行維修，也無(wú)需電源支持，在停電的情況下也能夠持續(xù)工作，使其得到了較為廣泛的應(yīng)用[2]。

2 水表壓力損失及其具體原因

2.1 水表壓力損失概述

水表壓力損失指的是液體流動(dòng)中所損失的能量，主要有兩種形式，分別為局部壓力損失與沿程壓力損失。其中局部壓力損失指的是內(nèi)部存在漩渦，使得液體質(zhì)點(diǎn)間或液體質(zhì)點(diǎn)和固體壁面間產(chǎn)生碰撞或劇烈摩擦，這一過(guò)程中形成的壓力損失。由于水表有著各種各樣的類型，因此其結(jié)構(gòu)形式也較為豐富，對(duì)于比較常見(jiàn)的多流束式水表、單流束式水表和容積式水表來(lái)說(shuō)，其組成上存在較大差異。但對(duì)于各構(gòu)建功能而言，類型不同的水表構(gòu)建大體相同，主要有表殼、過(guò)濾網(wǎng)、計(jì)量機(jī)構(gòu)、流量調(diào)節(jié)板與隔板。當(dāng)水流流經(jīng)水表各構(gòu)件時(shí)，將會(huì)使其方向和速度產(chǎn)生一定的變化，使得流場(chǎng)畸變，將對(duì)速度分布產(chǎn)生影響，將會(huì)使水表出現(xiàn)壓力損失情況。

2.2 原因分析

2.2.1 水流漩渦圍繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)

水流在流動(dòng)過(guò)程中改變方向?qū)?huì)產(chǎn)生漩渦，這一情況在水表計(jì)量機(jī)構(gòu)中有著非常明顯的表現(xiàn)，并且水表計(jì)量機(jī)構(gòu)具備的功能將會(huì)決定漩渦是否會(huì)產(chǎn)生。這能夠說(shuō)明，計(jì)量機(jī)構(gòu)中葉輪將通過(guò)旋轉(zhuǎn)水流確保自身連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水量計(jì)量。因此，計(jì)量機(jī)構(gòu)也會(huì)決定水表計(jì)量特性[3]。

2.2.2 二次流動(dòng)

二次流動(dòng)是指在水流分離這一作用下形成二次渦流，水流分離不僅不會(huì)限制二次渦流，還可使其重復(fù)循環(huán)。水表中的表殼以及流量調(diào)節(jié)板將會(huì)導(dǎo)致二次渦流出現(xiàn)，水流經(jīng)過(guò)表殼，在水流作用下，垂直于水流的表殼截面面積會(huì)突然間的增大或縮小，而在其增大或縮小的位置將會(huì)形成二次渦流。水表流量調(diào)節(jié)板通常分布在計(jì)量機(jī)構(gòu)上部或是底部，能夠發(fā)揮出分離水流的作用，在分離的情況下會(huì)形成二次渦流，由此降低水流能量，減慢流速，防止受到葉輪轉(zhuǎn)速太快影響出現(xiàn)快速磨損運(yùn)動(dòng)元件的情況，確保使用水表的壽命。

上述構(gòu)件都將影響流場(chǎng)，導(dǎo)致速度矢量軸向、徑向和切向不對(duì)稱即為最終的結(jié)果，具體表現(xiàn)為壓力損失，對(duì)于結(jié)構(gòu)形式不同的水表來(lái)說(shuō)，壓力損失項(xiàng)速度矢量的敏感程度不同，影響流場(chǎng)變化也會(huì)有所不同，使得結(jié)構(gòu)形式不同的水表在流量計(jì)量上存在這穩(wěn)定性、可靠性和重復(fù)心等差異。

3 水表各構(gòu)件壓力損失對(duì)比分析

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，水表計(jì)量誤差一致性、穩(wěn)定性會(huì)受到設(shè)備自身?xiàng)l件以及安裝方式等因素影響，單流束式水表有著良好的誤差計(jì)量穩(wěn)定性及一致性，然后是多流束式水表，最后是活塞式水表，如果流量是5m3/h，對(duì)水表中各構(gòu)件壓力損失進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同一控制水流量，使其保持在5m3/h，接著分別安裝活塞式水表、多流束式水表、單流束式水表，使用測(cè)量壓力損失裝置測(cè)量水表中各構(gòu)件壓力損失情況，下表1為具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]。

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可知，水表各組成構(gòu)件中計(jì)量機(jī)構(gòu)是壓力損失最為嚴(yán)重的構(gòu)件，產(chǎn)生壓力損失的主要原因是水流漩渦影響流場(chǎng)，使其畸變。計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)于水表壓力損失的影響較大，這意味著，計(jì)量機(jī)構(gòu)造成的壓力損失越大，將會(huì)越嚴(yán)重的影響水表計(jì)量中的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

表1 表中各個(gè)構(gòu)件所造成的壓力損失情況

4 水表壓力損失與流量計(jì)量間的關(guān)系

實(shí)際應(yīng)用水表時(shí)，需明確水表壓力損失與流量間有著比較復(fù)雜的關(guān)系，在分析這一關(guān)系時(shí)，可用以下二次函數(shù)加以表示：該二次函數(shù)中，表示的是水表壓力損失值；Q表示的是流量；a、b、c表示的是常數(shù)項(xiàng)[5]。實(shí)際測(cè)試中，分別在流量條件不同的條件下測(cè)試活塞式水表、多流束式水表、單流束式水表的壓力損失，在測(cè)試后能夠獲得相應(yīng)結(jié)果，如圖1所示。觀察這一曲線圖可知，在有著相同流量條件的情況下，壓力損失最小的是活塞式水表，壓力損失次于活塞式水表的是多流束式水表，而壓力損失最大的是單流束式水表。這一情況出現(xiàn)的主要原因是，利用水表計(jì)量時(shí)，因?yàn)樗碛胁煌?jì)量機(jī)構(gòu)，使得其漩渦、二次流、脈動(dòng)流有所不同，水表流量計(jì)量以及流場(chǎng)穩(wěn)定性降低情況受到不同的影響，從而在其壓力損失上存在差異性。因此，實(shí)際使用水表時(shí)，為了將水表計(jì)量準(zhǔn)確性提升，需要采用合理的方法將計(jì)量機(jī)構(gòu)形成的壓力損失減少，例如優(yōu)化葉輪，以此保障水表計(jì)量效果，防止計(jì)量機(jī)構(gòu)壓力損失影響流量計(jì)量。

圖1 同流量條件下三種水表壓力損失情況曲線圖

5 單流束式水表壓力損失偏高解決方法

以下主要針對(duì)水表壓力損失偏高這一情況來(lái)提出相應(yīng)的解決策略，將單流束式水表作為例子，進(jìn)行具體分析，為了降低水表壓力損失，主要就是將水流產(chǎn)生的渦流以及漩渦減少，將其流通面積擴(kuò)大，防止出現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)不規(guī)則的情況，避免阻擋水流，使水流流動(dòng)更加的平穩(wěn)。在理論上來(lái)講，水表內(nèi)部接觸水的每個(gè)構(gòu)件都會(huì)形成一定的水流壓力損失。但本文主要從單流束式水表的表殼、葉輪以及濾水網(wǎng)這三項(xiàng)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，闡述其在結(jié)構(gòu)以及工藝上需要做出的改進(jìn)[6]。

5.1 改進(jìn)表殼

現(xiàn)階段我國(guó)大口徑水表表殼通常會(huì)使用球鐵來(lái)鑄造，球磨鑄鐵具有良好的抗壓強(qiáng)度、抗拉、抗腐蝕性、制造成本以及鑄造成型性優(yōu)勢(shì)。在改進(jìn)殼體時(shí)需要從以下兩方面進(jìn)行：

（1）設(shè)計(jì)改進(jìn)殼體結(jié)構(gòu)。將其內(nèi)腔尺寸擴(kuò)大，原表殼上腔直徑為Φ85mm，將其改進(jìn)為Φ110 mm，這會(huì)增加其有效截面積，與原本相比將近大68%，可將內(nèi)腔流通能力大幅提升；上腔處增加回流腔，在這一腔內(nèi)使水流更加平穩(wěn)；將表殼的殼底抬高，水夾角原本為36°，可以改進(jìn)為8°，在表殼內(nèi)腔底部切線方向設(shè)計(jì)水道，確保水流能夠接近水平角度流入到表殼之中；將進(jìn)水處設(shè)置的擋水板結(jié)構(gòu)取消。擋水板設(shè)計(jì)主要是為了將進(jìn)水水流所產(chǎn)生的沖擊減少，避免水流直接沖擊水表機(jī)芯部件，尤其是葉輪部件，防止出現(xiàn)機(jī)械性損傷。存在擋水板將會(huì)阻擋水流前進(jìn)方向，這樣情況下很容易形成渦流狀態(tài)?？梢蕴嵘~輪部件結(jié)構(gòu)以及材料強(qiáng)度形式，消除沒(méi)有擋水板后容易出現(xiàn)的問(wèn)題。

（2）改進(jìn)制造工藝。在連接內(nèi)腔各壁道位置，設(shè)計(jì)為大圓弧過(guò)渡連接形式，防止出現(xiàn)棱角；鑄造使用當(dāng)前流行的V法造型，相較于原普通造型能夠減輕鑄件質(zhì)量，還能夠提升產(chǎn)品的尺寸精度以及表面光潔度；工藝文件規(guī)定清除殼體毛刺、砂粒、飛邊的要求；完成表殼加工后，需要在表面進(jìn)行噴塑處理，控制涂層厚度為0.15-0.25mm，這可使表面光潔度提升，由此降低水流和內(nèi)腔壁之間的摩擦系數(shù)。

5.2 改進(jìn)葉輪

單流束式水表工作原理為水流由軸向方向?qū)θ~輪進(jìn)行沖擊，接著水流經(jīng)過(guò)兩葉片間通道以旋轉(zhuǎn)形式流出。因此葉輪橫向截面大小會(huì)對(duì)水表流通能力產(chǎn)生決定作用。改進(jìn)葉輪時(shí)，需要將直徑Φ85mm的原葉輪擴(kuò)大至直徑為Φ100 mm，通過(guò)這樣的方式能夠擴(kuò)大水流通過(guò)葉輪通道面積將近20%。除此之外，可以改進(jìn)葉輪柄外部加強(qiáng)筋為內(nèi)部十字筋，將葉輪在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的擋水阻力減少。

5.3 改進(jìn)濾水網(wǎng)

單流束式水表內(nèi)安裝垂直于水流方向的不銹鋼濾水網(wǎng)為該水表的一大特點(diǎn)，盡管能夠?qū)⑺矸牢坌阅芴岣?，但是?huì)增加水表壓力損失值。通過(guò)測(cè)試后可知單流束式水表有無(wú)濾水網(wǎng)的條件下壓力損失只有0.02MPa之差。基于此改進(jìn)濾水網(wǎng)方法如下：改變?cè)瓐A孔狀過(guò)濾孔為蜂窩狀正六邊形，這能夠增加濾網(wǎng)的流通面積；制作工藝方面，將原本先板材卷制再焊接杯狀濾水網(wǎng)該進(jìn)程整體沖模拉伸，防止出現(xiàn)形狀不規(guī)則情況。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析水表壓力損失對(duì)其流量計(jì)量造成的影響，進(jìn)行相關(guān)分析后可知，使用水表計(jì)量水量時(shí)，其計(jì)量機(jī)構(gòu)會(huì)使水表出現(xiàn)嚴(yán)重的壓力損失情況。在水表壓力損失中，由計(jì)量機(jī)構(gòu)造成的壓力損失越大，則計(jì)量機(jī)構(gòu)將會(huì)引起更明顯的流量變化造成的壓力損失，將影響水表計(jì)量水量的穩(wěn)定性。從而可知，為了對(duì)水表流量計(jì)量的重復(fù)性以及穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行有效解決，優(yōu)化計(jì)量機(jī)構(gòu)是最有效的方法，降低計(jì)量機(jī)構(gòu)壓力損失在水表壓力損失中所占的比重，依此改善計(jì)量機(jī)構(gòu)較大壓力損失造成的流場(chǎng)畸變情況，防止出現(xiàn)流場(chǎng)不確定性和無(wú)規(guī)律性，將因?yàn)榱鲌?chǎng)畸變?cè)斐傻挠?jì)量機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)波動(dòng)情況減小，使水表在實(shí)際的水量計(jì)量工作中將自身優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，保證水務(wù)單位和用戶的經(jīng)濟(jì)效益。