旋轉活塞流量計是一種容積式流量計，其計量室的進出口腔的隔絕密封問題是關系到能否保證計量的準確、穩定的重要環節。該密封是由旋轉活塞與內外圓筒及隔板的接觸形成，而與隔板接觸的、供活塞擺移的頂面缺口廓形設計尤為關鍵，工作時，該廓形既要保證活塞按正確軌跡運動不受干涉, 又要保證缺口輪廓與隔板保持接觸, 使進出腔隔絕, 形成可靠的密封。

旋轉活塞流量計計量室的結構及其工作原理

如圖 1 所示，頂面開有運動時能容納隔板位置缺口的活塞 7 位于外圓筒 1 的內壁及內圓筒 6 的外壁構成的環形區域內, 活塞的內外壁分別與內外圓筒的外、內壁接觸, 使活塞中心o‘對于內外圓筒中心 o 有一偏距 e, 不難看出, 旋轉活塞的外內半徑 r 1, r 2, 與外內圓筒的內外半徑 R , r 3 有下列關系：

活塞壁厚 δ= r 1- r 2偏距 e= R - r 1活塞外半徑 r 1= ( R + r 3+ δ) / 2內外圓筒間有沿徑向隔板將環形區隔斷。

環形區的徑向尺寸 I= R - r 3隔板在 R 以內長度 l 1 略大于 l隔板厚度為 b隔板到 o 點距離 l 2= R - l 1

這樣, 環形區被活塞壁和隔板劃成兩個月牙形內外腔計量室, 在入口液體壓力作用下, 活塞中心 o’繞 o 沿箭頭做逆時針旋轉, 活塞其余部分在環形區內擺移, 其內外圓柱面依次和內外圓筒接觸, 計量腔不斷作圓周移動, 輸送流體。活塞中心 o‘繞 o 旋轉一周, 內外計量腔同時旋轉一周, 各輸送排出一次液體。月牙形內外計量腔的容積和即為活塞中心旋轉一周輸送排出的液體體積流量, 它是一個可計量的常量為:

其中, h—計量室的高度

根據活塞的轉數 n 就能測出 n 轉數下所流過的液體量:

流量計計量室的密封問題分析

1、密封原理

由上述對流量計結構及工作原理分析可知, 活塞工作時, 活塞外圓面、外圓筒內圓面及其相互接觸, 隔板和圓筒上下面構成外計量室; 而活塞內圓面、內圓筒外圓面及其相互接觸, 隔板和圓筒上下面組成內計量室。活塞運動時要求其頂面與隔板接觸處開有缺口, 以保證運動不受干涉, 更重要的是該缺口廓形還要保證始終與隔板的近中心的 k 處接觸, 以保證內計量室的密封; 否則, 以壓力從入口輸入的液體將不通過計量腔的輸送, 而直接經缺口竄入出口流出, 輕則導致計量不準, 重則導致流量計不能工作。

2、活塞頂面缺口廓形方程的分析和設計計算

1) 如圖 2 所示旋轉活塞工作時其中心 o’繞o 逆時針轉動, 設 oo‘連線與初始位置夾角為 α, 以α 為參數，推導頂面缺口廓形的極坐標參數方程。為設計、加工方便，將極坐標系固結在活塞頂面上。設坐標系原點為 o’，極軸的初始位置為缺口廓形的對稱線o‘B，順時針方向為相位角正向φ。

當 0° ≤ α ≤ 180°時缺口的右半廓形方程經過推導為:

其中 e、b、l 2、r 1 如前所述, 均為已知。

2)當 180°≤α≤ 360°時因對稱關系, 將- α, - φ代替( 1)式中的α , φ即可得到 180°≤α≤ 360°時的極坐標方程:

3、實例計算

原始數據: R = 27 mm, r 1= 23 m m, r 2= 21 mm, r 3= 17 mm, l 1= 11 mm, b= 2 mm

經計算 e = R - r 1= 4 mm, l 3= 16 mm參數 α從小到大順序取值到r 和 φ的對應值見表 1。

廓形的加工

將( 1) 、( 2) 式轉換為直角坐標方程, 如圖 3 轉換式如下:

( 3)式仍然是 α的參數方程, 直接獲得 y 和x 的函數關系y = f ( x )比較困難, 可根據給出的 α值獲得x, y 的相應值(見上表) , 將其對應的坐標點作為節點, 利用牛頓等差插值或樣條插值建立分段的 y = f ( x )的方程; 以該方程為基礎, 可編制程序, 方便地在 NCN 線切割機上完成加工。

提高密封可靠性的其他措施

1)液體在活塞頂面缺口處的泄漏主要發生在內計量室, 盡量縮短內計量腔與入口的相通時間, 以便減少壓力作用的時間過程, 設計入口形狀和位置時, 盡可能使入口接近外圓筒的內圓柱面。

2) 同理, 液體出口的形狀位置的布置應盡早與計量腔相通。

結語

1、旋轉活塞流量計計量室的動密封除了要認真考慮圓筒半徑, 活塞半徑偏心距的尺寸關系, 使活塞的內外柱面分別與內、外圓筒圓柱面接觸相切外, 還應認真考慮活塞頂面缺口與隔板的接觸密封即缺口的廓形設計。

2、活塞頂面缺口廓形設計既要滿足自己的正常運動不受干涉, 更要考慮該處的動密封問題, 因此, 缺口形狀不是隨意的, 而是精心設計的見圖 3。

3、活塞頂面缺口廓形可按( 1) 、( 2) 公式設計計算。

4、廓形可通過( 1)、( 2)、( 3)參數方程獲得節點擬合插值方程, 在數控線切割機上完成加工。

5、本流量計為上海康匯生產的, 供司駕人員用于燃油流量檢測驗證的便攜裝置。