李彬

（海軍裝備部，四川 成都 610000）

耗量傳感器主要由殼體組合、感應機構組成。殼體組合包括前后導流器、葉輪組合和軸組合；感應機構主要由2 組感應線圈組成。葉輪旋轉帶動軸組合，使軸組合上的鐵芯旋轉，改變感應線圈電感，進而輸出與流量成正比的感應電信號。本文主要根據(jù)某型耗量傳感器的技術要求，來討論耗量傳感器如何設計實現(xiàn)，以及在設計過程中需要注意的問題。

1 耗量傳感器設計要求

1.1 原理設計

耗量傳感器安裝在空中加油吊艙燃油管路中，在空中加油時，測量瞬時加油流量，把信號傳遞給油量測量信號盒[1]。傳感器工作原理設計如圖1 所示。燃油進入傳感器導管，經過傳感器內腔葉輪和前、后端的整流裝置整流后，進入供油管路。流過的燃油帶動葉輪旋轉，葉輪旋轉使葉輪軸旋轉，葉輪軸的旋轉帶動銜鐵轉動使感應線圈輸出一個與燃油流量成正比的交流感應電信號到上一級的油量測量信號盒，信號盒進行數(shù)據(jù)處理后輸出燃油的消耗量。

1.2 設計難點

根據(jù)設計要求，耗量傳感器必須滿足以下要求：①產品在150～2 000 L/min 流量范圍內能正常工作，輸出信號的脈頻率應與流量成正比；②轉換誤差不大于±1%；③在流量為1 500 L/min 時的壓力降應滿足，葉輪工作時不超過80 kPa，葉輪不轉時不超過300 kPa。

根據(jù)以上設計要求，傳感器流量測量范圍為150～2 000 L/min，主流量點為1500 L/min，傳感器接口要求流體流經的管道內徑為Φ68 mm。在此流量測量范圍下內徑Φ68 mm 屬于小口徑大流量傳感器。在主流量點傳感器流道內各部件將受力更大。傳感器輸出頻率要求最低流量點超過15 Hz。

2 耗量傳感器改進設計

2.1 傳感器整體結構設計

根據(jù)原理及接口要求，參考同類型耗量傳感器確定傳感器整體結構，傳感器主要由殼體組合、感應機構組成。殼體組合包括前后導流器、葉輪組合和軸組合；感應機構主要由2 組感應線圈組成。

2.2 傳動構設計

產品傳動結構主要由葉輪組合與軸組合構成，葉輪組合安裝在前導向器與后導向器組件之間，通過1組軸承支撐，將管道內燃油的流動轉換為葉輪軸的轉動。軸組合安裝在后導向器與殼體之間，在后導向器內通過葉輪軸與軸組合的結合，將葉輪軸的轉動傳遞為軸組合的轉動。傳動結構如圖2 所示。

圖2 傳動結構

2.2.1 葉輪改進設計

葉輪參數(shù)設計：根據(jù)耗量傳感器接口要求，燃油流道管道內徑為Φ68 mm，與某型號耗量傳感器內徑相同，故參照同口徑傳感器葉輪參數(shù)進行改進。

參考指標：葉片數(shù)為6，葉片厚（1±0.1）mm，螺旋方向為左旋，導程為60。

在流量臺調定流量大小為主流量值1 500 L/min，檢測同口徑傳感器壓力降，實測進油和出油端最大壓力降不超過250 kPa，采用ANSYS WorkBench 仿真分析軟件對葉輪三維模型進行有限元仿真分析。施加250 kPa 壓力于葉輪葉片上，施加載荷如圖3 所示。分析得出此葉輪無法滿足大流量要求，分析結果如圖4 所示。

圖3 施加載荷

圖4 初始分析結果

對葉輪進行改進，葉輪受大流量壓力后薄弱環(huán)節(jié)在其葉片尤其是葉片根部，葉輪葉片厚度為1 mm，根部倒圓角為0.5 mm。對葉輪進行結構加強，將1 mm的葉片厚度加強為2 mm，適當加大根部圓角。在同樣約束與載荷條件下再次進行分析，分析結果如圖5 所示。在滿足使用條件情況下，結合加工難易程度最終產品采用葉片厚度為2 mm，根部倒角為1.5 mm 的強化方案。

圖5 改進后分析結果

葉輪最終結構尺寸指標：葉片數(shù)為6，葉片厚度為（2±0.2）mm，螺旋方向為左旋，導程為60±1。

2.2.2 軸組合及斜齒輪配合設計

傳感器軸組合由斜齒輪與軸通過銷子結合。根據(jù)使用需求，傳感器輸出頻率要求最低流量點超過15 Hz。根據(jù)公式K=f/V，得出同口徑耗量傳感器轉換系數(shù)實測值為K=0.4，其中K為轉換系數(shù)；f為輸出頻率，Hz；V為流量大小，L/s；最低流量150 L/min 對應輸出信號頻率僅為1 Hz。同口徑耗量傳感器傳動過程中，葉輪軸與軸組合配合為蝸桿與斜齒輪的配合，葉輪軸采用了蝸桿結構，形成的是減速的傳動結構（傳動比為1∶15），無法滿足使用需求。改進葉輪軸蝸桿結構，采用斜齒輪與斜齒輪的配合方式提高傳動比。根據(jù)公式K=f/V計算要滿足15 Hz 輸出頻率要求，并要求轉換系數(shù)K為6，則需提高傳動比為1∶1，葉輪軸與軸組合配合選擇斜齒輪搭配斜齒輪，結合殼體與導向器結構選擇模數(shù)為0.5、齒數(shù)均為9 的斜齒輪結構。

2.3 感應機構結構設計

傳感器感應機構簡圖及電路原理圖如圖6 所示，圖中L1為固定電感，L2為可變電感，通過鐵芯的旋轉改變L2電感值，在A、C 腳輸入4 kHz、±10 V 的反向正弦電壓型號，L2電感值隨流量大小成正比變化，則B 腳輸出調制波型號，載波頻率即為流量大小對應值。因對輸出信號幅值與頻率無特殊要求，感應機構借用同口徑耗量傳感器結構。

圖6 傳感器感應機構簡圖及電路原理圖

2.4 軸承選用與其結構設計

根據(jù)葉輪組合在1 500 L/min 時的壓力降，對葉片施加最大壓力，并進行仿真，軸承內圈受力情況如圖7所示，應力為59 MPa，等效于葉輪軸向受力215 N，根據(jù)分析可知葉輪組合軸向受力不大于215 N。

圖7 葉輪及軸承內圈受力分析

計算軸承在滿足壽命要求下需選取的額定動載荷大小的公式為：

式（1）中：L為基本額定壽命，h；n為轉速，r/h；C為額定動載荷；P為當量動載荷，小于500 N。

耗量傳感器轉換系數(shù)K=6.6，斜齒輪傳動比為1∶1，在Q=1 500 L/min 時葉輪轉速n=K×Q×60=594 000 r/h。耗量傳感器壽命要求15 000 飛行小時/3 000 吊艙工作小時，根據(jù)壽命載荷譜要求乘以安全系數(shù)1.73 折算為耗量傳感器1 500 L/min 工作2 250 h，1 200 L/min 工作260 h，800 L/min 工作260 h。以1 500 L/min 工作時間為要求，L≥2 250 h，則C≥2 369 N。結合導向器與葉輪軸結構選取軸承（36 026 J）額定動載荷2 759 N，能滿足耗量傳感器壽命要求。

因耗量傳感器主要受力軸承僅出油端軸承，結合成本與裝配簡易度，其他支撐軸承選取常用型號（623）。

2.5 三防設計

為保證耗量傳感器在霉菌、鹽霧及濕熱環(huán)境下正常工作，主要從以下幾個方面進行“三防”設計：①材料方面。選用耐腐蝕、耐濕熱、耐鹽霧的材料，選用不易吸濕和不易吸水的材料作為絕緣體，如金屬材料選用硬鋁2A12-T4、不銹鋼1Cr18Ni9Ti 和不銹鋼2Cr13等，非金屬材料選用聚四氟乙烯、高壓聚乙烯等。②設計方面。在傳感器結構上，采用密封結構設計，存放配有專用包裝盒及防塵蓋，防止水汽或者濕氣進入傳感器內部，發(fā)生腐蝕；另外在傳感器的設計中盡量采用相同的金屬材料，不同的金屬材料之間采用電絕緣設計，避免發(fā)生接觸腐蝕。③制造工藝。對零件、組件的外表面采用防霉涂層等涂覆工藝進行環(huán)境防護；在產品的裝配過程中，嚴禁手汗、污物的污染，并保持產品所處的環(huán)境干燥；整流器等鋁合金材料零件采用了瓷質陽極化處理，葉輪等不銹鋼材料零件采用化學鈍化處理，有效防止粗糙表面吸附鹽分和水汽對金屬部分造成腐蝕。

3 結論

本文根據(jù)某型耗量傳感器的技術要求[2]，分析了耗量傳感器的實現(xiàn)方法以及在設計過程中需要注意的問題。在現(xiàn)有同口徑耗量傳感器的基礎上，改進其葉輪結構強度和防脫落方式以滿足小口徑大流量條件下的受力要求；根據(jù)使用需求改變其傳動方式，采用新式斜齒輪與斜齒輪的配合方式，相對于蝸桿與斜齒輪配合增大了傳動比的選擇范圍；結合其試驗數(shù)據(jù)進行受力分析，根據(jù)分析結果選取壽命符合苛刻使用條件的軸承。本文的設計方案為耗量傳感器設計提供了新的傳動結構思路、軸承選用思路與結構加強方案，可為同類型耗量傳感器的研制提供參考。