一、前言

我站于2012年建立了冷却液流量标准装置,该装置采用主动活塞式工作原理,工作介质为65号航空冷却液(水基、低黏度),装置流量范围为(0.1~50)m3/h。经合成,装置不确定度优于0.05%(k=2),能满足0.2级速度式流量计、容积式流量计及电磁流量计等的校准要求。动力系统是装置的重要组成部分,本文主要介绍装置的组成和工作原理,并重点介绍装置动力系统的设计验证。

二、装置的原理

装置主要由动力系统、活塞式体积管系统、测控系统等组成。动力系统匀速拖动活塞,使流体从活塞缸中排出并通过被校流量计。其工作原理如图1所示。如果在时间间隔t内活塞移动所排出的流体的体积为V,可计算出标准流量qV,通过标准流量与被校准流量的输出信号进行比较、计算,就可实现对各种流量计的校准,即 qV=V/t

三、流量动力系统的组成及性能

装置动力系统包括伺服电机机构、伺服电机控制机构与传动机构等。伺服电机、伺服电机控制机构、滚珠丝杠采用标准成品进行集成。本系统采用的滚珠丝杠副作为活塞装置的直线驱动执行单元,滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动的理想产品,滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动的理想产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。

装置采用滚珠丝杠副丝杠轴的公称直径为50mm,基本导程为10mm,钢球直径为5.95mm，丝杠底径为4209mm丝杠外径48.5mm额定动、 静载荷分别约为30000N和83000N.驱动电机是装置驱动的原动力,本装置选用SGMGH-1EACA61型安川伺服电机和配套SGDM-1EADA型伺服电机控制机构。电机额定功率为15KW,额定转速为1500r/min，额定电流为78A,电机配用编码器为17bit,编码准确度为32768P/R。伺服电机控制机构通过专用数据接口与工控机连接，实现工控机对电机运行的监测与控制。

四、动力系统验证

装置活塞机构的最大运行速度为

Vmax=4Qmax/π（D2-d2）

=4×50/3600π（0.38322-0.112）

≈0.13m/s

装置活塞机构在最大速度和最大压力下运行时，丝 杠 所 受 拉 力 为 ：  装 置 设 计 最 高 工 作 压 力 pmax（0.6MPa），鉴于系统最大流量和最高工作压力一般不同时出现，因此按照最大流量下典型流量计的最高工作压力估算。 经试验，在50m3/h流量下装置对DN50涡轮流量计的最高工作压力pW 为0.2MPa。 因此，在最高

工作压力和最大流量下，丝杠所受拉力分别为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

装置活塞机构在最大速度（装置最大流量）运行时，丝杠和电机的最高转速为nmax=Vmax /LD

=0.13×60/0.01

=780r/min

装置活塞机构在最大速度（装置最大流量）运行时所需最大输入功率Pmax 为Pmax=FW×Vmax /μ=21165×0.12/（0.7×1000）≈4kW

式中：Qmax—装置最大流量指标；Fmax—最高工作压力下丝杠所受拉力；Vmax—装置活塞机构最大运行速度； pmax—装置设计最高工作压力； pW—DN50涡轮流量计在50m3/h流量下的最高工作压力 ；

FW —装置最大流量下丝杠所受拉力；D—装置活塞缸内径；d—装置活塞杆直径；nmax—最大速度运行时丝杠和电机的最高转速；LD—装置滚珠丝杠副导程；Pmax—装置最大流量运行时所需最大输入功率；μ—系统总效率。

经对比验证：装置活塞机构最大运行速度Vmax 约为0.13m/s，低于活塞密封件的运行速度（15m/s）和光栅系统的运行速度（2m/s），满足装置系统的要求。

最高工作压力下丝杠所受拉力Fmax 约为63496N，由于装置很少在最高工作压力下工作，因此，此项使用丝杠额定静载荷进行校核，该型丝杠的额定静载荷为83000N，Fmax 低于丝杠额定静载荷， 满足装置系统的要求。

装置最大流量下丝杠所受拉力FW 约为21165N，小于该型丝杠的额定动载荷（30000N），因此可以满足滚珠丝杠副在该负荷下正常运行 106 个小时， 约合125000个正常工作日，满足装置的使用需求。

装置最大速度运行时丝杠和电机的最高转速nmax约为780r/min，低于电机额定转速（1500r/min），满足电机转速要求。

装置最大流量运行时所需最大输入功率Pmax 约为4kW，低于电机额定功率 （15kW），因此 ，电机选型满足使用要求且有足够富裕度，不但能满足常规流量计的校准要求，还能满足特殊流量计（如高压损）的校准要求。

五、结束语

活塞式液体流量标准装置投入使用后，通过对大量的各类流量计的试验验证后表明，装置的动力系统各项性能满足要求，运转平稳可靠，足以证明装置的动力系统整体设计的可靠和配置的合理。