您的位置:首页

详情

新型转子式流速仪关键技术研究

2014-10-24

流速仪作为常见的测流仪器被广泛应用于江河、湖泊、渠道、水库、径流实验站等,其中以转子式流速仪的使用最为普遍,目前仍是国内外测流采用的主流仪器,也是其它流速测量仪器的比测基准。转子式流速仪分为旋桨式流速仪和旋杯式流速仪两类。旋桨式流速仪主要应用于河流中高流速情况下的测流,旋杯式流速仪则主要应用于河流中低流速情况下的测流。二十世纪五十年代至今,我国先后研制生产了LS系列转子式流速仪,其中包括旋桨流速仪、旋杯流速仪和浅水低流速仪等。这些国产流速仪为我国水文测验提供了较好支撑,但旋桨式流速仪进水进沙问题和旋杯流速仪低速旋转不稳定问题仍对流速测验精度造成了影响。

我国部分河流含沙量高、流速大(含沙量>50kg/m3,流速>5m/s),沙子侵入旋转轴会造成流速仪桨叶转动的不灵活,造成测验误差,每次使用后的清洗也给操作者增加了工作量。同时,我国还存在对极低流速测验的需求,如堰塞湖测流需测至2cm/s及以下,而国内外现有仪器无法满足测验要求。“新型转子式流速仪关键技术研究”项目针对现有转子式流速仪在生产、使用、维护等方面存在的突出问题,对有关关键技术进行深入研究,研制开发新型转子式流速仪,其中包括LJ系列旋桨式流速仪和LB系列旋杯式流速仪。目的是保证新型转子式流速仪既能适应我国河流高含沙量以及高流速等恶劣条件,又能满足在极低流速条件下的测验需要,同时提高水文测验精度,减轻工作人员劳动强度,降低产品制造成本和使用成本,使之成为现有转子式流速仪的更新换代产品,满足我国水文测验需要。该项目由水利部南京水利水文自动化研究所、水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心、江苏南水水务科技有限公司承担完成,主要完成人有何生荣、周冬生、钱峰、宗军、姚刚、李志、黄仲民、林志宁、杨立丽、姚春捷、杨汉塘、闻绍珂、赵越、李刚、王沙宁。

一、总体思路

研究LJ系列旋桨式流速仪是为了解决高流速、高含沙量水体条件下测流误差大、使用和维护不便的难题,该研究总体思路是:解决斜流对测量精度的影响,改善旋转轴动态密封性,控制旋转支承轴向工作游隙,提高仪器发信机构的可靠性,这些都是传统旋桨式流速仪普遍存在的问题。

针对斜流对测量精度的影响,采用的方法是通过优化旋桨回转直径D和水力螺距K的方法来改善斜流响应特性参数PP=D/K)。经过模型分析和试验验证,当P=0.6时,斜流响应特性最佳,即受斜流影响的测速误差最小。在提高旋转轴动态密封性方面,采用迷宫式结构设计外加篦齿式密封机构的方法,彻底杜绝水、沙对旋转机构的侵入。对于旋转支承轴向工作游隙控制,采用通过整体性结构设计使得旋转支承轴向工作游隙自然生成的方法。至于提高仪器发信机构可靠性则采用双磁激励技术来避免流速仪产生误信号。

研究LB系列旋杯式流速仪是为了解决极低流速条件下无法测出流速或测速误差大的难题,该研究的总体思路是:改善旋转支承系统,优化旋杯部件以及改进发信部件。

改善旋转支承系统体现在两个方面:一是对支承系统的结构进行优化设计,二是选择既耐磨强度又高的材料加工旋转支承轴系统部件,这样可使旋转支承系统转动更灵活、结构强度更高。优化旋杯部件也体现在两个方面:一是以不锈钢材料或优质工程塑料作为旋杯材料,二是采用整体成型技术加工旋杯,使加工出的旋杯更耐用、互换性更好。改进发信部件是根据流速仪的测量范围采用磁敏干簧管和磁敏霍尔器件作为非接触式发信部件,以减小甚至消除流速仪在产生流速信号时的阻力,提高流速仪的灵敏度和测量精度。

针对流速仪水槽检定方法检定历时长、工作量大的情况,发明了转子式流速仪检定的新方法以及低速条件下的检定参数修正方法,解决了流速仪检定过程中对检定装置要求高、检定程序复杂、周期长的难题。

上述一系列改进思路都是在总结我国已在使用的各类流速仪存在问题的基础上创新的,通过上述技术创新和工艺改进,解决了转子式流速仪在高流速、高含沙量和极低流速等条件下测验精度差的问题,更加适应我国的河流特性,免维护的改进思路还可降低工作者的劳动强度,同时新的技术也会让转子式流速仪的生产、装配、性能检定等方面更为科学、合理。

二、技术方案

LJ系列旋桨式流速仪主要研究内容有仪器传感部件、旋转轴动态密封装置等。在研究过程中解决了旋转轴动态密封装置结构设计、旋转支承轴向工作游隙自动控制、仪器发信方式、高低速性能检定方法等一系列技术难点。同时仪器结构具有通用化、模块化、标准化、集约化的特点。旋转轴动态密封结构的技术方案是:在前道迷宫以清水作为封液,从而可避免仪器油室中比重小于水的润滑油在深水压力下和旋桨高速离心力作用下被排挤出仪器油室外,使河水难以侵入油室。对于LJ20系列流速仪,其空间稍大,在进水通道处,还布设有转套式密封装置,在其后紧靠轴承油室前设篦齿式密封装置,最大限度地提高密封性能,有效地起到缓冲和隔离作用,堵截河水和泥沙入侵油室。旋转支承系统结构以旋桨轴为基体,顺序装进前球轴承、内隔套、后球轴承,用轴承内圈并紧螺帽并紧,成为一旋转基体,安装在轴承座孔中,再用轴承外圈并帽并紧,构成旋转支承系统,该结构下的旋转支承系统轴向工作游隙自然生成,无须调整,便于运行维护和保养。仪器发信部分采用双磁激发结构(偏置工作方式)产生测流信号,即在干簧管之后,还平行地安装一个副磁钢。这种结构优点是灵敏度高、可靠性好。LJ系列仪器各种型号各有特色,设计时通盘考虑到仪器零部件通用化,使生产、管理方便,成本更低。

LB系列旋杯式流速仪主要研究内容有旋转支承系统的改善、旋杯部件的优化以及发信方式的改进。根据仪器高、低速工作的受力特点,旋转部分支承结构按照仪表活动支承摩擦理论分析设计成轴颈–轴承和微钢球–轴承支承组合结构;支承部件采用高硬度、耐磨、耐腐的不锈钢、硬质合金和刚玉材料,提高轴承副材料硬度及其差值,降低摩阻系数和减少磨损;改善旋转轴轴向工作游隙结构及其调整方法,以求达到仪器灵敏度高、工作寿命长、生产使用方便的目的。旋杯部件采用不锈钢材料或优质工程塑料,结构强度好,尺寸一致、稳定,生产效率高,劳动强度小,生产中无污染,尾翼部件采用PC塑料,结构强度好,不腐蚀。LB70系列发信部件采用美国先进的磁敏干簧管发信部件,干簧管装于工作油室之外,并选用当今国际上先进的元器件,信号稳定,工作可靠,无须调整,装卸快捷方便。LB50系列通过大量试验后,选择磁敏霍尔器件作为发信部件,该部件无任何阻力,适合低速浅水发信环境。

项目组根据我国地域广、各地水文测验条件差异较大的特点,分别研制了6种规格的LJ系列旋桨式流速仪和4种规格的LB系列旋杯式流速仪,以适应不同条件下的测流需求。

三、应用情况

为了检验新型转子式流速仪的各项性能指标,项目组专门委托黄委夹江滩水文站在汛期进行了2个多月的测流,应用结果表明,所使用的LJ12-2A/C型旋桨式流速仪在测流期内旋桨始终转动灵活,拆开仪器检查旋转轴动态密封机构没有发现任何进水进沙痕迹,而应用过程中河流的最大流速是3m/s,最大含沙量约10kg/m3

2010年,新型转子式流速仪开始批量生产。从生产过程来看,新型转子式流速仪由于减少了需加工的零件数,使生产和装配的周期比原来同类型、同批量的流速仪减少了一个月以上,生产效率有了明显提高。同时,由于引入了通用化、模块化、标准化、集约化的设计理念,也使得新型转子式流速仪的产品质量有了质的提高,三年来,生产的新型转子式流速仪产品合格率达到99%。新型转子式流速仪产品通过了水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心检测,并获得全国工业产品生产许可证及新华节水认证。

 

四、社会经济效益

新型转子式流速仪为目前使用的常规转子式流速仪的更新换代产品,包括LJ系列旋桨式流速仪及LB系列旋杯式流速仪,市场需求巨大。截至2013年底,新型转子式流速仪共销售约1300台,销售收入约650万元。随着进一步加大市场推广力度,预计年销售量约1000台,可实现产品销售收入500万元。

目前国内使用的常规转子式流速仪易损坏,生产检修不方便,新型转子式流速仪的研制,吸取了国内外同类型仪器的优点,并广泛接纳了用户意见,对仪器结构进行了优化、精化和简化,同时增强了仪器强度,使仪器在生产、使用、维护、检修和管理科学、合理和简便,不仅减轻了仪器管理、使用、维护人员的工作量,同时也有效确保了水文测验精度要求。该新技术的应用有力保证了西北地区高含沙河流流速测验,为堰塞湖等极低流速的测流提供了手段,确保汛期高流速条件下可有效测流,同时为我国实施水资源水量监测提供了保障,促进了我国水文水资源、农田水利等相关专业监测领域的科技进步。