一、前言

我站于2012年建立了冷卻液流量標準裝置,該裝置采用主動活塞式工作原理,工作介質為65號航空冷卻液(水基、低黏度),裝置流量范圍為(0.1~50)m3/h。經合成,裝置不確定度優于0.05%(k=2),能滿足0.2級速度式流量計、容積式流量計及電磁流量計等的校準要求。動力系統是裝置的重要組成部分,本文主要介紹裝置的組成和工作原理,并重點介紹裝置動力系統的設計驗證。

二、裝置的原理

裝置主要由動力系統、活塞式體積管系統、測控系統等組成。動力系統勻速拖動活塞,使流體從活塞缸中排出并通過被校流量計。其工作原理如圖1所示。如果在時間間隔t內活塞移動所排出的流體的體積為V,可計算出標準流量qV,通過標準流量與被校準流量的輸出信號進行比較、計算,就可實現對各種流量計的校準,即 qV=V/t

三、流量動力系統的組成及性能

裝置動力系統包括伺服電機機構、伺服電機控制機構與傳動機構等。伺服電機、伺服電機控制機構、滾珠絲杠采用標準成品進行集成。本系統采用的滾珠絲杠副作為活塞裝置的直線驅動執行單元,滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動的理想產品,滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動的理想產品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。

裝置采用滾珠絲杠副絲杠軸的公稱直徑為50mm,基本導程為10mm,鋼球直徑為5.95mm，絲杠底徑為4209mm絲杠外徑48.5mm額定動、 靜載荷分別約為30000N和83000N.驅動電機是裝置驅動的原動力,本裝置選用SGMGH-1EACA61型安川伺服電機和配套SGDM-1EADA型伺服電機控制機構。電機額定功率為15KW,額定轉速為1500r/min，額定電流為78A,電機配用編碼器為17bit,編碼準確度為32768P/R。伺服電機控制機構通過專用數據接口與工控機連接，實現工控機對電機運行的監測與控制。

四、動力系統驗證

裝置活塞機構的***大運行速度為

Vmax=4Qmax/π（D2-d2）

=4×50/3600π（0.38322-0.112）

≈0.13m/s

裝置活塞機構在***大速度和***大壓力下運行時，絲 杠 所 受 拉 力 為 ：  裝 置 設 計 *** 高 工 作 壓 力 pmax（0.6MPa），鑒于系統***大流量和***高工作壓力一般不同時出現，因此按照***大流量下典型流量計的***高工作壓力估算。 經試驗，在50m3/h流量下裝置對DN50渦輪流量計的***高工作壓力pW 為0.2MPa。 因此，在***高

工作壓力和***大流量下，絲杠所受拉力分別為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

裝置活塞機構在***大速度（裝置***大流量）運行時，絲杠和電機的***高轉速為nmax=Vmax /LD

=0.13×60/0.01

=780r/min

裝置活塞機構在***大速度（裝置***大流量）運行時所需***大輸入功率Pmax 為Pmax=FW×Vmax /μ=21165×0.12/（0.7×1000）≈4kW

式中：Qmax—裝置***大流量指標；Fmax—***高工作壓力下絲杠所受拉力；Vmax—裝置活塞機構***大運行速度； pmax—裝置設計***高工作壓力； pW—DN50渦輪流量計在50m3/h流量下的***高工作壓力 ；

FW —裝置***大流量下絲杠所受拉力；D—裝置活塞缸內徑；d—裝置活塞桿直徑；nmax—***大速度運行時絲杠和電機的***高轉速；LD—裝置滾珠絲杠副導程；Pmax—裝置***大流量運行時所需***大輸入功率；μ—系統總效率。

經對比驗證：裝置活塞機構***大運行速度Vmax 約為0.13m/s，低于活塞密封件的運行速度（15m/s）和光柵系統的運行速度（2m/s），滿足裝置系統的要求。

***高工作壓力下絲杠所受拉力Fmax 約為63496N，由于裝置很少在***高工作壓力下工作，因此，此項使用絲杠額定靜載荷進行校核，該型絲杠的額定靜載荷為83000N，Fmax 低于絲杠額定靜載荷， 滿足裝置系統的要求。

裝置***大流量下絲杠所受拉力FW 約為21165N，小于該型絲杠的額定動載荷（30000N），因此可以滿足滾珠絲杠副在該負荷下正常運行 106 個小時， 約合125000個正常工作日，滿足裝置的使用需求。

裝置***大速度運行時絲杠和電機的***高轉速nmax約為780r/min，低于電機額定轉速（1500r/min），滿足電機轉速要求。

裝置***大流量運行時所需***大輸入功率Pmax 約為4kW，低于電機額定功率 （15kW），因此 ，電機選型滿足使用要求且有足夠富裕度，不但能滿足常規流量計的校準要求，還能滿足特殊流量計（如高壓損）的校準要求。

五、結束語

活塞式液體流量標準裝置投入使用后，通過對大量的各類流量計的試驗驗證后表明，裝置的動力系統各項性能滿足要求，運轉平穩可靠，足以證明裝置的動力系統整體設計的可靠和配置的合理。