渦輪流量計(jì)葉輪小孔加工、測(cè)量精度對(duì)動(dòng)平衡的
［摘 要］ 針對(duì)氣體渦輪流量計(jì)葉輪動(dòng)平衡對(duì)流量計(jì)的穩(wěn)定性、工作壽命有較大影響的因素，對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的葉輪小孔徑加工和測(cè)量精度進(jìn)行了研究，并對(duì)影響動(dòng)平衡的機(jī)理進(jìn)行了分析。
氣體渦輪流量計(jì)具有精度高、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、體積小、重量輕、壓力損失小、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，用于封閉管道中測(cè)量低粘度氣體的體積流量和總量，在石油、化工、冶金、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)等行業(yè)中具有廣泛的使用價(jià)值。
隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和能源輸送管道化程度的提高，流量計(jì)的用量將更大、范圍更廣，影響更深遠(yuǎn)。流量計(jì)通常應(yīng)用在貿(mào)易結(jié)算上，流量計(jì)的測(cè)量精度影響著供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。在研發(fā)氣體渦輪流量計(jì)的實(shí)踐中，針對(duì)葉輪動(dòng)平衡對(duì)流量計(jì)的穩(wěn)定性、工作壽命有較大影響的因素，對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的葉輪小孔徑加工和測(cè)量精度進(jìn)行了研究，并對(duì)影響動(dòng)平衡的機(jī)理進(jìn)行了分析。
1、 葉輪對(duì)流量計(jì)的影響：
葉輪是氣體渦輪流量計(jì)重要的零件，它的動(dòng)平衡是影響流量計(jì)的工作壽命和穩(wěn)定性***主要的因素。
葉輪是個(gè)較復(fù)雜的零件，葉片形狀的一致性、分度的準(zhǔn)確性、安裝孔的孔徑及與端面的垂直度的加工精度都將對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生重要影響。鋁合金葉輪的工藝也很復(fù)雜，材質(zhì)軟，切削量大，小孔加工，調(diào)頭加工等，尤其是 6 以下的小孔加工，在很多國(guó)內(nèi)廠家也是個(gè)難題。
2、安裝孔直徑的精度要求：
渦輪流量計(jì)葉輪的***高工作轉(zhuǎn)速達(dá) 12500rpm，按標(biāo)準(zhǔn) GB /T 9239 的規(guī)定，其平衡精度應(yīng)符合陀螺儀標(biāo)準(zhǔn)為 G0. 4XE，考慮到當(dāng)前的工藝水平，把動(dòng)平衡精度要求下降三級(jí)到 G6. 3 級(jí) ( 相當(dāng)于對(duì)普通電機(jī)轉(zhuǎn)子的要求) ，計(jì)算的等效質(zhì)心偏移為 e = 5μm。
G6. 3 的含義是指重心 ( 質(zhì)心) 許用線速度 Vzut=6. 3mm / s，當(dāng)已知 n = 12500rpm，ω =2πn60= 1309rad / s，就可以用簡(jiǎn)單辦法，求出重心許用偏移 e:e =Vzvtω= 6. 3 /1309mm≈5μm這 5μm 是總的要求，而由于葉輪與轉(zhuǎn)軸不是整體結(jié)構(gòu)，這比整體結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)子、陀螺儀轉(zhuǎn)子的平衡困難的多，因?yàn)?，必須把這個(gè)值分配給：
( 2) 葉輪孔與平衡機(jī)軸的配合精度: 配合不好，就會(huì)加大重復(fù)性誤差。
這樣葉輪孔的孔徑精度要達(dá)到 2μm 的要求。傳統(tǒng)的加工工藝和檢測(cè)手段，很難達(dá)到這個(gè)精度。但是，必須承認(rèn)這個(gè)要求的根據(jù)是充分的，可以制定措施，分階段縮小差距，把這個(gè)渦輪流量計(jì)***關(guān)鍵零件的***關(guān)鍵工藝解決。
3、安裝孔與端面的垂直度的要求：
( 1) 以 DN80 葉輪 ( 渦輪) 為例當(dāng)孔相對(duì)于端面偏斜 α 角，即葉輪的幾何中心線O-O 相對(duì)實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心線 ( 旋轉(zhuǎn)主軸 ) P-P 偏斜 α角。為了簡(jiǎn)化分析，我們假設(shè)軸 P-P 依然通過(guò)質(zhì)心O，如圖 1、圖 2。
( 2) 旋轉(zhuǎn)中心線 P-P 偏斜 α 角，即相當(dāng)于葉輪沿X 軸傾斜 α 角，再繞 P-P 軸旋轉(zhuǎn)。若將葉輪沿 X 軸分成左右兩半，并基于計(jì)算機(jī)三維建模軟件 Solid Works計(jì)算，得出半個(gè)葉輪的質(zhì)心位置，如圖 3。
即半個(gè)葉輪質(zhì)心 A 或 B 距總質(zhì)心 O 的距離為16mm。
圖 1 葉輪簡(jiǎn)圖 圖 2 葉輪簡(jiǎn)圖
圖 3 葉輪簡(jiǎn)圖
( 3) 質(zhì)心 B 的質(zhì)量為 1 /2 葉輪的質(zhì)量，即 mB=36g，計(jì)算葉輪按***高轉(zhuǎn)速 12500rpm 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)心 B的離心力:FB= mB× rB× ω2= 36g × 16mm x2 × π × 12500( )602( rad /s)2× 10－ 6= 986N( 4) 求葉輪傾斜后，離心力 FB對(duì) X 軸的轉(zhuǎn)矩:由圖 4 可知質(zhì)心 B 在 P-P 軸上的截距為 LB，F(xiàn)B對(duì) X 軸的轉(zhuǎn)矩為：MB= FB× LB= FB× rB× sinα
圖 4 右半葉輪簡(jiǎn)圖
( 6) 求出 mC，由離心力公式 FC= mC× rC× ω2，得到mC=FCrc× ω2=1024. 4 × sinα31 × 10－ 3×2 × π × 12500( )602=1024. 4 × sinα53117. 6( kg)當(dāng) α = 0. 1°時(shí)mC=1024. 4 × sinα( )53117. 6kg =1024. 4 × sin0. 1( )53117. 6kg =3. 366 × 10－ 5kg = 0. 03366g。
( 7) 求去重量控制在 10mg 以內(nèi)時(shí)，允許的偏擺角度 α: 即: mC≤10 × 10－ 6kg 時(shí)，求 α 角的允許范圍。
圖 5 葉輪簡(jiǎn)圖
由圖 5 可知: mC=FCrC× ω2=1024. 4 × sinα53117. 6，得 α≤arcsin53117. 6 × 10－ 61024. 4即: α≤0. 002971°則在繞著 X 軸偏 斜時(shí)，葉 輪 校 準(zhǔn) 面 跳 動(dòng) 量 為Hmm，由三角關(guān)系可得:H = 2h = 2 × 31mm × sin0. 029° = 0. 003mm即: H≤0. 0313mm
4、對(duì)小孔加工的工藝：
渦輪表口徑 100 以下的葉輪安裝孔，小于 6，孔徑小而精度要求高，屬于小孔加工特種工藝。
孔的加工方法很多，有激光、電火花、鉆、擠、鉸、鏜、磨等等。就葉輪而言，首先是鉆孔。普通的鉆頭由于精度低、強(qiáng)度差，無(wú)法保證對(duì)孔的孔徑和偏斜的精度要求，很多工藝研究單位對(duì)鉆頭的形狀和材質(zhì)，做了很多改進(jìn)。
① 使用普通結(jié)構(gòu)的鉆頭，其切削刃的對(duì)稱度要達(dá)到 0. 01mm 以下，需要在工具磨床上加工。
② 較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是組合鉆頭，稱為導(dǎo)孔鉆頭，把中心鉆、鉆孔、倒角組合在一起，減小了換刀引起的誤差，前面有導(dǎo)引部分減小偏斜。
③ 用一種出水鉆頭，解決了鉆小孔的排屑和冷卻問(wèn)題。
④ 為提高鉆頭的強(qiáng)度和壽命，精度要求高的小孔鉆頭采用整體硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)，有的再加 TIALN 涂層和 AQUA 鍍層，不磨損，孔光滑。以上所謂特種鉆頭，現(xiàn)在市場(chǎng)上都可以解決。
( 2) 其他工藝
① 現(xiàn)在的加工方法是用普通鉆頭鉆孔，再用機(jī)用鉸刀鉸孔，鉆頭強(qiáng)度差，孔的偏斜較大、機(jī)用鉸刀不標(biāo)準(zhǔn)，孔徑誤差分散性較大。且鉸孔是不能糾正偏斜的。
② 用鋼球擠壓，對(duì)鉆孔余量要求高，同樣不能糾正偏斜問(wèn)題。
③ 用小鏜刀鏜孔，這應(yīng)該是***好的工藝，小鏜刀結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但已可以方便地買到，和鉆孔工藝一樣，關(guān)鍵的問(wèn)題是，要保證必要的切削速度，機(jī)床的轉(zhuǎn)速必須在 10000rpm 以上。 ( 鏜 1mm 的孔需要43000rpm) ，這是需要研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
( 3) 小孔的測(cè)量
① 現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)使用的內(nèi)徑千分尺，分辨率為 1μm，6 以下不能測(cè);
② 瑞士泰薩有測(cè) 6 以下的內(nèi)徑千分尺，分辨率也是 1μm;
③ 目前有的廠家使用塞規(guī)測(cè)量，誤差 應(yīng) 該在0. 01mm 以上，顯然滿足不了要求;④ 精密的小孔測(cè)量用氣動(dòng)量?jī)x是比較好的，由于是非接觸式，分辨率可達(dá) 0. 1μm。
5、結(jié)束語(yǔ)：
從上述實(shí)例分析中可以得出，對(duì)于葉輪小孔加工精度大多數(shù)儀表生產(chǎn)廠家誤差是比較大，對(duì)氣體渦輪流量計(jì)要達(dá)到高精度、長(zhǎng)壽命，必須考慮到流量計(jì)個(gè)零件的加工精度，才能達(dá)到市場(chǎng)商業(yè)貿(mào)易計(jì)量的可靠性。