介紹在智能渦輪流量計(jì)研制過程中蝸輪蝸桿傳動(dòng)非常規(guī)設(shè)計(jì)方法。通過多次試驗(yàn)、改進(jìn)，證明這種設(shè)計(jì)有效、實(shí)用，能夠保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性、可靠性，降低傳動(dòng)中的阻力，提高傳動(dòng)的靈活性，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

1 前言

智能渦輪流量計(jì)是用于管道天然氣計(jì)量的儀表，在歐美等發(fā)達(dá)國家，用智能渦輪流量計(jì)計(jì)量管道天然氣已有30~40年的歷史了。隨著我國對(duì)天然氣資源大規(guī)模的開發(fā)和利用，西氣東輸、海氣登路、陜氣進(jìn)京、渝氣輸漢、川氣進(jìn)湘等多條天然氣管道工程相繼建成，多年來一直使用的污染大、熱值低的人工煤氣等氣體將逐漸被環(huán)保性、熱值高的天然氣所取代。在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，用于計(jì)量管道天然氣的智能渦輪流量計(jì)在中國將形成一個(gè)大的需求市場(chǎng)。鑒于此，國內(nèi)有實(shí)力的燃?xì)獗碇圃焐虨樽プ鴥?nèi)對(duì)智能渦輪流量計(jì)需求日益增長這一商機(jī)，研制開發(fā)高精度智能渦輪流量計(jì)產(chǎn)品。

2 智能渦輪流量計(jì)的計(jì)量原理

圖1所示，管道內(nèi)的氣體通過渦輪流量計(jì)前端的收縮截面，加速?zèng)_擊葉輪，葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)在一定流量范圍內(nèi)與通過流量計(jì)內(nèi)的氣體流量成正比，葉輪轉(zhuǎn)數(shù)通過表內(nèi)多級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)傳送到顯示儀器上，從而完成對(duì)管道內(nèi)氣體體積的計(jì)量。

3 問題

圖2所示，在進(jìn)行DN100型智能渦輪流量計(jì)的樣機(jī)試制過程中，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，流量計(jì)的大流、中流段的示值誤差趨于線型，而最小流量點(diǎn)(Qmin)示值誤差卻超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

理想曲線指流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)示值誤差曲線，即：實(shí)際曲線指樣機(jī)測(cè)試時(shí)的示值誤差曲線。

4 分析、試驗(yàn)

針對(duì)樣機(jī)測(cè)試時(shí)的示值誤差曲線分析，小流量段示值誤差超差有多方面原因，但總體上可歸納為兩種可能性：一是流量計(jì)密封性不好，氣體外溢而未被計(jì)量;二是流量計(jì)內(nèi)部阻力大，傳動(dòng)不靈活。第1種可能性是各接口聯(lián)接的密封問題，問題比較直觀，很容易解決;第2種可能性涉及到樣機(jī)裝配時(shí)的各道工序，需要對(duì)裝配過程中各工序的阻力問題逐一分析、排查。經(jīng)多次試驗(yàn)，最終確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)蝸輪、蝸桿傳動(dòng)部分阻力較大，影響了智能渦輪流量計(jì)的傳動(dòng)靈活性，導(dǎo)致小流量段示值誤差超差。

5 改進(jìn)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的蝸輪、蝸桿配合，一般都將蝸輪的圓柱表面的直母線制成弧形，部分地包住蝸桿，并用與蝸桿形狀相似的滾刀來切制蝸輪的齒廓，這樣就使得相嚙合的輪齒成為線接觸，從而提高傳動(dòng)的承載能力。但對(duì)于智能渦輪流量計(jì)來說，傳動(dòng)系統(tǒng)主要是傳遞運(yùn)動(dòng)，而不是傳遞動(dòng)力和扭矩。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的蝸輪、蝸桿線接觸，系統(tǒng)阻力大，導(dǎo)致傳動(dòng)不靈活，從而影響流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度，如圖3(a)，圖4示值誤差曲線②。

曲線①為標(biāo)準(zhǔn)示值誤差曲線。

5.1 改進(jìn)方案1

針對(duì)流量計(jì)傳動(dòng)的特點(diǎn)，將蝸輪厚度變薄，減少蝸桿、蝸輪配合時(shí)的接觸長度，如圖3(b)，經(jīng)過試驗(yàn)，小流量段示值誤差明顯改善，如圖4示值誤差曲線③。但流量計(jì)穩(wěn)定性差，重復(fù)性難以保證。

5.2 改進(jìn)方案2

根據(jù)蝸桿、蝸輪成形原理，蝸桿、蝸輪傳動(dòng)實(shí)際是由螺旋齒輪傳動(dòng)演化而來的。螺旋齒輪傳動(dòng)相嚙合的輪齒是點(diǎn)接觸，為了改善嚙合狀況，才將蝸桿蝸輪的嚙合變?yōu)榫€接觸。線接觸的阻力要大于點(diǎn)接觸，于是將弧形面的蝸輪用螺旋齒輪替代，如圖3(c)。結(jié)果表明這種改進(jìn)非常有效，流量計(jì)傳動(dòng)阻力減小、靈活性提高;傳動(dòng)平穩(wěn)、重復(fù)性良好，小流量段的示值誤差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖4 示值誤差曲線④。

5.3 改進(jìn)方案3

采用螺旋齒輪傳動(dòng)代替原蝸桿、蝸輪結(jié)構(gòu)，達(dá)到了預(yù)期效果，但針對(duì)智能渦輪流量計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，在狹小的機(jī)心空間對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的螺旋齒輪進(jìn)行潤滑是很困難的，解決不當(dāng)，勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將螺旋齒輪材料改成自潤滑性能好的工程塑料，就能很好的解決潤滑問題。

5.4 改進(jìn)方案4

塑料螺旋齒輪采用注塑工藝加工，模具成本很高，且產(chǎn)品的裝配、調(diào)整非常困難。為解決這個(gè)問題，準(zhǔn)備用斜齒輪代替螺旋齒輪，即用直齒面代替難以成型和調(diào)整的螺旋齒面，同時(shí)蝸桿與斜齒輪間仍然是點(diǎn)接觸。實(shí)踐證明，原蝸桿、蝸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變成非標(biāo)的蝸桿、斜齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)智能渦輪流量計(jì)產(chǎn)品效果顯著。

6 結(jié)束語

運(yùn)用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，有效地降低了智能渦輪流量計(jì)的傳動(dòng)阻力。經(jīng)DN100型氣體渦輪表各項(xiàng)性能測(cè)試表明，該方法有效、實(shí)用、安全可靠，并在DN80型氣體渦輪表的設(shè)計(jì)中得以推廣和應(yīng)用。這兩種口徑的智能渦輪流量計(jì)在2003年同時(shí)通過遼寧省科技廳的成果鑒定。產(chǎn)品投放市場(chǎng)后，性能穩(wěn)定，用戶反饋信息良好。