流量计量作为生产过程控制中的动态监测环节,对控制生产工艺、保证产品质量、提高生产效率等有重要作用。冲板式流量计是一种动态固体质量流量检测设备,它通过检测物料冲击倾斜的检测板时产生冲击力的水平分量换算得到与其成线性关系的瞬时流量,继而累加或积分得到某时间段内的累积流量。

冲板式流量计结构简单、维护方便、计量精度高,已被广泛应用于固体物料流量计量的诸多场合,且已经形成不同系列的冲板式流量计产品。本文在理论分析的基础之上对一次表进行了冲板式流量计的创新设计。为克服传统冲板式流量计中摩擦和传动间隙的缺陷,提出了框架式柔性检测组件结构方案。

该方案基于柔顺机构学原理,以平行弹簧承载传动组件为核心,可在无摩擦、无间隙地传递水平分力的同时承载竖直方向的冲击。设计中使用同步架约束对称布置的组件活动端,提高了非稳定冲击下的计量稳定性。同时还设计了防飞溅导流罩和球接触加载头组件,解决了物料飞溅和加载偏差的问题。为了在保证检测组件传动性能和使用寿命的同时提高其结构强度,对直片弹簧进行了尺寸优化。

另外,在对一次表创新设计的基础上,完成了冲板式流量计二次表的设计和选型,分别使用S型称重传感器、变送器和智能流量积算仪组成完整的固体质量流量检测设备。针对课题研究中全新的一次表结构,对其进行了一系列仿真研究。首先为了研究平行弹簧承载传动组件的刚度特点,仿真验证了其具有3.412×103N/m的稳定刚度。针对非稳定冲击下一次表的基本悬挂式方案和框架式方案中检测板的摆动和翻转,对两种方案分别进行了刚柔耦合仿真,结果表明框架式方案具有更高的响应精度和稳定性。为了研究一次表是否能满足连续计量的要求,分析检测组件在流场中的应力和寿命特点,利用CFX和ANSYS对气固两相物料流进行了CFD仿真和流固耦合分析。仿真结果表明物料进入一次表后下落均匀,检测板压强可迅速稳定。检测板磨损速率为0.647g/年,一次表最大等效应力34.4MPa远小于许用应力[6]=783.3MPa,且满足106次循环高周疲劳的设计要求。

最后为研究一次表的响应精度和传力阻尼对精度的影响,基于对等效密度模型的CFD仿真结果,对不同瞬时流量下一次表的动力学响应进行仿真,同时也对传力轴不同阻尼比条件下进行响应误差分析。仿真结果表明响应误差随瞬时流量增大而减小,满量程一次表误差为0.91%F.S.,满足设计要求；欠阻尼传力方案传感器响应波动较刚性传力方案减小约3倍,且误差随阻尼比接近1而减小。

为了研究冲板式流量计的实物计量精度,在仿真分析的基础上设计了测试装置进行实物样机测试。测试得到线性度为0.62%,相对误差平均值为1.5%。测试结果达到设计要求,证明设计原理正确,方案可行且可实现准确流量计量,同时也为进一步研究提供了基础。