流速儀低速性能與內(nèi)摩阻的關(guān)系.docx

1、流速儀低速性能與內(nèi)摩阻的關(guān)系南京水利水文自動化研究所楊漢塘內(nèi)容提要本文討論LS25-1型旋槳流速儀低速性能與儀器內(nèi)摩阻的關(guān)系.提出用力矩儀測定摩阻力矩，進而確定儀器低速性能，并進行了可行性論證。此法與傳統(tǒng)的流速儀檢定法比較，具甫簡便，精確，可靠，經(jīng)濟和省時等特點，適應(yīng)于無檢定查n的測站，就地檢修儀器時確定低速性能參數(shù).這是對流速儀低速檢定的一個重大改革，在現(xiàn)實中具有重要的技術(shù)，經(jīng)濟效益.、前言LS25-1型旋槳式流速我運動方程包括：慢性力，軸承、傳動付摩阻力，信號接點工作壓力，以及轉(zhuǎn)子與水流相互作用引起的水動力.儀器在工作過程中，這些力相互制約，關(guān)系至為復(fù)雜.單憑流體力學(xué)和摩廉學(xué)理論求解運動方

2、程是困難的通常是借助檢定水槽用實驗確定.這種方法已沿襲了二百多年.在這漫長的時間內(nèi)，隨著科技和儀表工業(yè)的發(fā)展，流速儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和檢測手段等已發(fā)生了巨大的變化.對LS25-1型儀器結(jié)構(gòu)性能分析表明，決定運動方程參數(shù)的旋槳和軸承等零部件，均已具有相當?shù)姆埠尉群瓦\動精度.從宏觀來看，可認為都已達到了標準化和通用化的程度.在低速度區(qū)，水流能量很小，作用在轉(zhuǎn)子上的水流動力矩與流速關(guān)系是穩(wěn)定的，儀器在正常使用情況下，其內(nèi)摩阻也是穩(wěn)定的.通過實驗可建立內(nèi)摩阻與低速性能的關(guān)系.低速性能包括：起轉(zhuǎn)速Vo低速V=fn)關(guān)系臨芥速*和摩阻系數(shù)C.*與儀器其它低速性能參數(shù)關(guān)系密切.實際上可看作是低速性能的

3、特征值.只要用力矩儀測得的*值達標，其它低速性能參數(shù)就可采用標準值.這種方法與通常流速儀檢定比較，在檢測系統(tǒng)精度，設(shè)備投資，操作規(guī)程，以及人力、物力、電力的投入等都具有明顯效益.為提高低速測驗粘度，為方便測站能就地檢修儀器，確定低速性能參數(shù).本文分析了儀器內(nèi)摩阻與低速性能的關(guān)系，提出了研究方案，并用理論和實驗對可行性進行了初步的論證.二、研究方案L測試步驟選擇一定數(shù)量具有特征值的軸承，裝配成三組儀器，按一定轉(zhuǎn)速n系列.用力矩儀測出儀篇整機內(nèi)摩阻力翅Z與電機轉(zhuǎn)速R的關(guān)系z=/(時，繪制三條曲線.(2)用水情檢定設(shè)備，按精密檢定程序檢定出流速V和轉(zhuǎn)子速度刀的關(guān)系V-f（nA繪制三條曲城.（3J按一

4、定的流系列，用扭力天秤瀏定作用在韓子上的水沆動力M.并建立IM=f（r）關(guān)系.（4）檢修僅君如何確定低速性能.其方法如下：1）按三個特征速度級：0.05.0,09.0J3m/5對應(yīng)的林建：10.20.30R/min.測定僅春內(nèi)摩阻力矩：%、ZrZ2U；2）求相應(yīng)的水流動力矩：Mj.3）表相應(yīng)的速度右,匕、匕；少用S、匕人（妨匕人（嗎.9三個測衣繪制低珪丁。曲線，其中第一點為起林速右.第三點為臨界速%2理論分析（力水流動力矩作用在菽菜上的水流動力矩為2cxM-CypARWCOSaVtga（1一孝）某，A.J?”尺寸均相同，水力螺距K值變梧小于1.5%9即oc值近似常數(shù)；袂槳幾何形狀具有很好的相似

5、性，因而C,CY可視為常數(shù).由此可見，M-/間的函數(shù)關(guān)系是穩(wěn)定的.即在相同的水沆速度下，作用在各我:槳上的水流動力矩M是相同的。fRq(l+#tg%)(1)式中Cx、C丫一-流體阻力系效；p'水密度；A一我槳受水面積；RAB一我某平均將動半徑；W作用到液菜上總的速度矢量;0C葉荊而迎角；V水沆速度；CJ一我槳角也度。對于用精密模具注射成型的塑料轉(zhuǎn)（2）摩阻力矩LS25-J型配用的軸承為D6025m儀表檢軸永,這種軸承是用于精密陀螺儀，屬軍品類.具有很擊的粘度.s代表軸承摩擦力矩指標：I.0g，cm（通常為040.8gcm）.用力矩儀對流建儀整機內(nèi)摩阻進有瀏試表明，戒速傳動力矩非常小，僅

6、為軸永的。67倍.發(fā)信工作負載力矩校大，約為軸水的5.7倍，但它在一個工作搦環(huán)周期中，所占的時間很短（J5%A從宏觀角度來看，儀春斐轉(zhuǎn)部分的支水系貌.其摩阻力矩可認為小而穩(wěn)定.以至在實用中可取之為常數(shù).這是指儀器內(nèi)犀阻力特性處于正常的工作挾態(tài)而言.應(yīng)捐出.評價儀2S內(nèi)摩阻穩(wěn)定性，如觀點不同，姑論將截然相反.例如：水丈測站在使用儀器過程中，因枯水雄護不當，常彼沾污,甚至生墻，摩阻劇增針對廣大水文測站在軸水清洗工藝難以滿足要求而言，儀君內(nèi)摩阻的穩(wěn)定性枝差.從精密儀表的研究角度來看，軸永力矩值要表精磷封頃g,cm,軸米粉卷一周要成測出150力矩位.則認為軸未力矩分散性大.典定性差.上述評價摩阻力矩的

7、三種概念.在分析時不應(yīng)混淆.本文的研究是從水文洌驗儀器的實用耕度出發(fā).在檢定中僅就儀器性能，時摩阻提出間接性的要表：檢定的測點相對誤丈平均5%；樣速參數(shù)。是軸永我:磚80轉(zhuǎn)（檢定車運行2項的測量均值，與的密儀表研究相比便可認為摩阻力矩是小而穩(wěn)定的.3討論松測Z=，（jO的設(shè)備，就目前軸承行業(yè)研究戒果來看，技術(shù)是非借成鼎的.并有很多先進的力矩儀可供借素.，=，（時可用一莪耕渡沆速儀檢定槽檢測.但檢定中的靜水條件必須嚴格接ISO3455標準執(zhí)行.測定"=，（。的扭力天拜可參照格摸實驗設(shè)備研制.總之，在檢測設(shè)備方面，目前技術(shù)上完全可滿足研究要求.從儀器結(jié)構(gòu)性能分析，人Z=f（"）

8、以及M=/（匕）等都是穩(wěn)定的.從而從理論上證明：用力矩儀測定儀器內(nèi)摩阻，進而碘定儀器低速性能，這種研究方案是可行的.三、起轉(zhuǎn)速V.當水流速度為VA時，動力矩AG正好克服儀器內(nèi)摩阻力矩Z，核子開始轉(zhuǎn)動，匕稱為啟動速度.轉(zhuǎn)子旅轉(zhuǎn)過程中，當遇到摩擦峰值，如軸承摩擦大點.發(fā)信最大負栽.轉(zhuǎn)子不平衡力矩等，或這些阻力的組合.則轉(zhuǎn)子將停轉(zhuǎn).直至水流速度增至動力矩大于最大摩阻力矩與時，轉(zhuǎn)子才正常運轉(zhuǎn).顯然，水沆速度VA.匕決定于儀器內(nèi)摩阻力矩ZqZ&.故只要測得Z）.值，立到就可求得VA.4值.我所根據(jù)流速儀使用的特點，參考了有關(guān)力矩儀，研制出AM05型軸承啟動力矩儀和JBM-2型旋槳流速儀整機廢大摩

9、掠力矩儀.通過多年的使用表明，在生產(chǎn)和檢修過程中，對儀器的靈敏度，即起轉(zhuǎn)速的檢測帶來極大的方便.只要經(jīng)力矩儀檢測合格的產(chǎn)品（或修理儀器入送水情檢定就能保證儀器低速性能，從而杜飩了返工率.為進一步從數(shù)學(xué)上建立（或Z。）之間的關(guān)系，以便能借助力矩儀來間接碘定。值,我們做了如下的實驗：在一大批量生產(chǎn)中，對1000承進行測試并按特征力矩值要求選出36套，分三組裝配成18架儀器，進行水情檢定，其結(jié)果如表1所示.儀器起轉(zhuǎn)速匕和軸承力矩Z。之間具有一定的規(guī)律性.符合上述的分析,然而,其中有一些測次略有偏差.究其原因有：1）信號接舷區(qū)阻力較大，如測試起點正處于該區(qū).旋槳易被阻滯而停轉(zhuǎn)，如在其后，就有可能依靠其

10、自身埴歸或外界酎加動能而滑過去；2）通常流速儀低速檢定的靜水條件均不能嚴格按標準執(zhí)行.因此，水情中水體殘留有波和流，它是一個附加能量，將促使（或阻礙）儀器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動.對同一架儀器進行多次重復(fù)檢定，其中曾出現(xiàn)匕值特別小0.023m/s）的現(xiàn)象，曲線近似直線，并幾乎貼近高速直線方程,這是轉(zhuǎn)子受強流的干擾，轉(zhuǎn)速系統(tǒng)偏大的結(jié)果.實際上,LS25-1型儀器起轉(zhuǎn)速設(shè)計能力只能達到Q.040.05m/s；3）檢定車振動，甚至工作者在車臺上走玷,其振動產(chǎn)生的能量將傳遞給儀器，影響七值；4）軸承力矩與其潔凈度有很大的關(guān)系.通常軸承清洗質(zhì)量都很雎達到清洗工藝要求.前者為枚器結(jié)構(gòu)上的奔病,屬于檢刑系統(tǒng)中的儀器誤差；后

11、三者為枚器檢測中的工作環(huán)境條件，屬環(huán)境誤差.這些誤差郡很雎完全避免.但從統(tǒng)計實驗的均值來看，*Z。之間具有一定.的規(guī)律性（圖I）.圖1V.Z,關(guān)系曲線從上圖可見,只要測得軸承力矩Z。值，就可立即確定*值，儀器可不用水情檢定.在生產(chǎn).使用上均十分方便.對試驗儀器配套軸承的力矩測試表時（表2人赦佳力矩值只能達到0.40gcm,即*=0.033m/s.然而，有許多檢定槽檢定的修理儀器,虬值卻低于Q.03m/s,顯族，這是儀器在檢定中攝取了外界能量的結(jié)果.故此測量值含有虛假的因索.從這一，&來看，圍1具有校高的測量精度.本試驗儀器由有經(jīng)驗的裝配工負責(zé)清洗、裝配、調(diào)試,儀器在下水檢定前，都用JB

12、M-1型力矩儀檢測.因此,試驗成果具有一定的代表性.玲是儀器低速的主要性能指標,無檢定槽的測站，在維修儀器過程中，只要用力矩儀檢測整機力矩，就可確定*值及其他低速性能.在低速測驗前,用力矩儀監(jiān)測，則可保證儀器測驗精度.為論證本法的可行性，這里對力矩儀的工作原理作一簡介，并和水槽檢定設(shè)備作一比校.根據(jù)對被測軸承要求的精度、使用條件、力矩特性不同，力矩儀種類繁多，姑構(gòu)懸殊很大，然而，其工作原理都基本粕同.儀器組成大致分：驅(qū)動力源、敏感元件、轉(zhuǎn)感器、顯示等部分.這里僅討論前兩部分.驅(qū)動力淬有：氣流、電流和機電驅(qū)動等類型.美國Benlix型、蘇聯(lián)型和國產(chǎn)QM693型均屬氣流驅(qū)動類.后者是國內(nèi)軸承行業(yè)廣

13、泛使用的儀警，其姑構(gòu)如圖2所示.被浦納承QM693型力矩儀其工作原理是：用一可調(diào)恒壓原產(chǎn)生一恒穗氣流匕射向力矩儀敏感元件，當作用力P.產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩克服軸承摩擦力矩時，轉(zhuǎn)子就被推動開始旋轉(zhuǎn).巳同時推動壓力計水柱上升，其高度就是軸承啟動力矩ZA的示值.ZA與Ma（或匕J的關(guān)系通過扭力天秤標定，用啟動力矩儀對軸承逐點檢測，也可得最大力矩AT。值.由此可見，瀏得Z-Z。值就可取得匕值.QAf93型力矩儀的菇構(gòu)酷似FS58T型風(fēng)速表,其敏感元件的形狀和尺寸與風(fēng)杯十分相似.力矩儀測定軸承的啟動力矩Z）.和最大力矩,其原理與風(fēng)速表在風(fēng)洞中標定啟動速度匕|和起轉(zhuǎn)速（起始速度/玲完全相同.流速儀的工作原理與風(fēng)

14、速表相同，故引用力矩儀這一先進技術(shù)，可用來精確川描述和測定儀警內(nèi)摩阻特性，進而確定。值.這種原理不僅是可行的,而且可把流速儀檢定技術(shù)提高到一個新水平，確保儀器低逢精度.如只是作為檢測為這一單項性能指標而言，整個龐大的流速儀檢定系院，其功能相當于一臺力矩儀.驅(qū)動力源是一重達10噸重的檢定豐，拖曳重70?？说膬x器與靜止水體作相對運動，從而獲得速度七.實踐證明，如此龐大的車體其速度要達到高精度和無級攜調(diào).在技術(shù)上比校困難.非常重要的一點是，儀表檢測精度與其工作環(huán)境條件密切相關(guān).力矩儀要求十分苛刻，如恒溫、凈化工作室，和嚴格的清洗工藝等.力矩儀的靈敏度極高，工作時，甚至參觀者的體溫以及行走虧】起的睛流

15、，對示值都有影響.相比之下，流速儀檢定環(huán)境條件是枝差的.特別是水體的干擾，很難滿足高精度測量的要求.實際上國標GB11826-89旋禁式流速儀規(guī)定的低速精度并不高,V0.05m/3.全線平均相對誤差"V5%,產(chǎn)品叩可達林.對*無須準確的洪】量值,更無匕指標要求.圖1為一定數(shù)量的藐計均值，故應(yīng)具有菽高的捋度.據(jù)上述分析和多年來實踐證明.力矩僅可準確地對僅器運轉(zhuǎn)過程中摩阻特性進行全面地播遂和制定，從而可及時排涂摩阻異常.和水植檢定中諸因素的干擾，因此,這種檢測方法其精確性、科學(xué)性、可靠性、經(jīng)濟性以及方便性等均優(yōu)于常規(guī)的檢定法.四、庫阻系數(shù)C如不考慮儀蓉內(nèi)摩阻，根據(jù)流體動力學(xué)理論可推導(dǎo)出滴

16、速儀運動方程式Cr2（l+lg«）V=2“Rn（1）tfia（1_盜）JCx2（1+己互以a）令K=&R她一tga（1-藝*）表AV,C與的關(guān)系式序儀M軸永力gcm松定會犬*m/jKmCm/a130110.24770.00780.030228530.25100.00650.030329360.24770.00760.032430210.50.25000.00660.033530120.24270.00720.035630130.24680.00640.035727140.24980.00900.039830040.24970.00760.039平均0.00720.034930

17、070.25010.00660.03110300S0.25060.00640.0311130100.750.24830M640.0331230140.25000.00620.0451330190.24810.00640.0451430090.25210.00600.059平均0.00630.0411530060.24990.00800.041163020LO0.24910.00700.00471730050.24780.000740.0591830220.25210.00600.059平均0.00710.052則V=Kn（2）公式（1）是一通過坐標原點的線性方程式.迄今流體力學(xué)理論尚難求解，通

18、常求助于水情實驗由于仗若存在內(nèi)摩*實驗詁果方程并非通過坐標原點，而與縱坐標有一很小截距C.于是理論公式（1）變?yōu)橐韵碌慕?jīng)驗檢定公式，V=Kn+C（3）C禰為摩但系數(shù)從量納分析，C為速度m/s,其動力矩用以克服儀器內(nèi)摩職M,使系統(tǒng)正常、穩(wěn)定地運轉(zhuǎn).從轉(zhuǎn)子的運動機理來分析，內(nèi)摩阻力對轉(zhuǎn)子運動產(chǎn)生阻滯作用，故在同一速度下，轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速n,較理論轉(zhuǎn)itnL為小即產(chǎn)生滑移，其滑移值為nnS=x100%（4）nt滑移伎隨速度的增加而或少.具有一定的規(guī)律，統(tǒng)計LS25-1型儀器檢定資料表明：當Vo-0,05m/s時，S=-29.0%；-0J33m/$時，S=一5.3%；當V=5.0m/s時，S=-0.14%

19、,在低速檢定時，觀集旋架的運轉(zhuǎn)，以及分析記錄紙帶上信號波統(tǒng)長度.很清楚地可看到旋架滑移的全過程，及其滑移位，此外.祗菜外形對水液也呈現(xiàn)阻力，產(chǎn)生滑移.其平均為一3.91%,但對此玨而可視為常致.LS25-1型儀器內(nèi)摩阻是小而穩(wěn)走的，按理相應(yīng)的C位也應(yīng)小而穩(wěn)定.然而，實際檢定詁果（表1）并非如此，究其原因乃檢定誤差所致.va系直接測量位，況且存在這樣大的誤差，而C位是由許多資料計算而得,接統(tǒng)計理論，間接測量的誤差要大得多.如對76108儀器進行重復(fù)性檢定表明，同一操作者.在同一時間.用同一設(shè)備，同一方法連續(xù)檢定三次.C值變差長大可達300%.在如此短時間，儀器摩阻不可能劇變，經(jīng)檢查儀器靈敏度如初

20、從理論上說，C值應(yīng)反映儀君內(nèi)摩阻但有很多檢定成果（金進口儀器，C值變化很大.甚至為負位.其物理意義甚維理解.冬季檢定，儀暑油粘度增大，內(nèi)摩阻增加，C值斐大，這是正確的.但通常水情檢定卻很難如實反映.這些典型實例以及大量的試驗均說明，這主要是檢定條件所引起的，古典誤差理論認為隨機誤差敏從正態(tài)分布.因此，統(tǒng)計,分析時應(yīng)增大樣本的容量.現(xiàn)將24架儀琴重復(fù)檢定共825架次的資料.按軸承力矩2為序.列出相應(yīng)的C均位（表2）.C位爽梧為0.00660.0084m/l總平均乙=0.0074m/s.»AC/C=10.613.8%.總的來看，C值是穩(wěn)定的，且有一定規(guī)律的.因此.在目前檢定條件無法嚴格檢

21、制，和水植檢定設(shè)備精度欠佳的情況下，當儀若內(nèi)摩阻檢測合格，應(yīng)采用標準值C=0.0070m/j此乃20多年來，幾十萬架次儀器檢定資料的灼依，具有枝高的可信度.從寵觀來看，其精度將枝傳統(tǒng)的逐架檢定法為尚.僅容y柚承力矩gcm號碼Citm/j后釉承平均總平均起動/最大起動/最大i0.40/0.600.40/005I76104270.00790.0076276109270.007420.60/0.600.70/0.70375104440.00720.0072473109300.0070575204720.007330.60/0.600.83/0.85676102280.00740.0074776107

22、290.007340/0/0.5087510549J0.00720.00740.95/L0975110300.00781075205420.00715040/0.500.95/L0«1176105270.00680.00731276110270.007860.40/0.401.0/L01375102230.00720.00721475107310.00711575202420.0074705/0.850.55/L01675101330.00740.00751775106310.00731875201430.00788035/095l.Q/L01976103270.00660.0068

23、20761M270.006990.75/L01.2/1.22174033370.00840.0084100.85/11.2/1.22274007340.00800.0080H1.2/L2L2/1.22376101280.00690.00712476106270.0073表2平均C值與軸承力矩關(guān)系五、低速V=f()關(guān)系上述分析表明，。值取決于儀器內(nèi)摩阻力矩，而與又是低速/舞曲經(jīng)的起點.因此.只要健續(xù)按研究方案設(shè)計的步牌進行檢測.便可建立V=f(時關(guān)系.然而，由于目肯檢定環(huán)境條件差，檜測系統(tǒng)的誤差較大.實驗結(jié)果很難得到滿意的結(jié)論.為玫變這種局面,常花很大代價.玻有大量的工作.此乃非本文研究的方向.

24、這里抽I就V=f(時函數(shù)式與僅器內(nèi)摩阻的關(guān)系柞進一步的說明早在1901年施密特M2Z7M"功就提出雙曲裁形式的二次方檢定方程及其改沖.V-。(I一伽+J(痂】R：(5)式中乞A為僅器特征參數(shù)，V。起轉(zhuǎn)速取決于儀器內(nèi)摩阻.在198。年全國水文測驗學(xué)術(shù)討論會上，我國學(xué)者又提出新的玫進方程式.V-an+/(bn)2+(6)Vmo式中a、b為待定常數(shù).匹為相對摩擦力rao矩.以上兩個公式中的系數(shù)都令有儀器內(nèi)摩阻的成份，因此，在某種程度上揭露了系數(shù)的物理意義.然而,由于檢測成果本身精度不夠，公式繁雜，計算困難.實際中都很難推廣應(yīng)用.六、旅界速Vk。是低速曲線過渡到直蝶方程的切點，嚴格說應(yīng)是一個區(qū)域.七值決定于儀器內(nèi)摩阻.根據(jù)熱列激拿可夫（廠,方,）KEJIE3HSIKOB）推導(dǎo)的經(jīng)驗公式f-6.9V.一0.06+J（2,3V,-0,05s）1+0,00058（8）上式表明.匕與即但暮摩阻的關(guān)系.這里把乙S25-I型儀等檢定的玲值：0.03.0。4、0.05m/s代入上式，求得。值：0.557.0.600、0.642m/s.這表明儀器內(nèi)摩阻彼大，同時也反映了在五十年代初期流速儀制造工藝的水平.LS25-1型儀器伎一般為0.130d4m/s之