УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКИХ СРЕД
DEVICE FOR FLOW MEASUREMENT OF FLUID MEDIUM

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода жидких сред, в частности, при диагностировании гидроприводов, гидросистем и гидроагрегатов мобильных и стационарных машин различного назначения. Оно может использоваться и как нагрузочное устройство, и как расходомер в приборах для диагностирования гидросистем дорожно-строительных, сельскохозяйственных, лесозаготовительных машин, машин транспортного строительства и других мобильных и стационарных машин, а также при входном контроле гидроагрегатов на заводах, станциях технического обслуживания, мастерских и т.д.
Известен дроссель-расходомер, позволяющий определять расход рабочей жидкости при заданном ее давлении. Он включает корпус с каналом и золотник, расположенный в гильзе. Торец золотника выполнен полым, в форме винтовой спирали, которая сопрягаясь с прямоугольной щелью гильзы, образует дроссельную пару. Маховичок с лимбом и шкалой расхода, выполненной на лимбе, соединен с зололтником. Указатель, закреплен на корпусе противоположно шкале лимба. Датчик давления, подсоединен к входной части канала корпуса.
Лимбы и шкала прибора тарированы для определенного давления. Это давление достигают, перекрывая золотником дроссельную щель гильзы, и потом снимают показания с лимба, которые и будут соответствовать расходу жидкости («Прибор для определения технического состояния гидросистем тракторов и комбайнов КИ-1097». Паспорт 1097 ПС, Госкомсельхозтехника Латв. ССР, 1980, стр. 4-6).
Однако с помощью этого прибора невозможно обеспечить достаточно высокую точность определения расхода, особенно в диапазоне малых по величине расходов. Это связано, во-первых, с формой пропускного сечения, образуемого дроссельной парой. Винтовая форма торца золотника, сопрягаясь с дроссельной щелью, обеспечивает форму ее пропускного сечения в виде прямоугольной трапеции, что не позволяет обеспечить линейную зависимость между расходом, перемещением золотника и лимбом соответственно. Особенно это актуально при измерении малых расходов. Нелинейность этой зависимости требует и непропорциональной шкалы для измерения таких расходов (кроме снижения точности измерения непропорциональность шкалы требует индивидуальной тарировки и выставления на ноль шкалы каждого прибора). Однако связь золотника с корпусом рассматриваемого прибора выполнена таким образом, что возможности его общей регулировки, пропорциональной для всего диапазона измерений шкалы, ограничена (составляет менее 360°) и цена делений этой шкалы высока, поэтому прибор, обладая малой точностью, практически нечувствителен к малым по величине расходам.
Известны технические решения по механизации механического дроссель-расходомера, гидротестеров (RU 218772 С1, 06.07.2001 г., RU 94008140 А1, 20.11.1995 г., RU 8110941, 02.03.2009 г. (полезная модель), RU 2350790 С1, 15.11.2007 г., RU 2187723 С1, 06.07.2001 г.), сущность которых заключается в введении в конструкцию дополнительных элементов, повышающих удобство использования приборов, а также введения датчиков электронного типа для измерения величины расхода, давления, температуры рабочей жидкости с целью повышения точности снимаемых показаний.
Эта проблема частично решается прибором КИ-1097-1 (Е.С. Локшин, С.Ф. Головин, В.М. Коншин, А.В. Рубайлов. Эксплуатация и техническое обслуживание дорожных машин, автомобилей и тракторов: учебник. М., 2002. стр. 242-243), который позволяет измерять расход и давление рабочей жидкости в гидроприводе строительных, дорожных и коммунальных машин.
Прибор КИ-1097-1 состоит из корпуса с входным и выходным патрубками и отводом, к которому подключен манометр, внутри корпуса размещена герметично установленная гильза, выполненная с радиально расположенным сквозным каналом в виде щели, которая соединяется с выходным патрубком, золотника установленного плотно и с возможностью вращения внутри гильзы, при этом гильза и золотник образуют дросселирующее устройство, снабженное с одного торца рукояткой с нанесенной шкалой, а с другого торца выполненное полым с винтовой спиралью на выходе, и имеющее упорную гайку для гильзы и золотника.
Однако прибору КИ-1097-1 присущи следующие недостатки:
- значительная погрешность, достигающая 50%, при измерении расхода рабочей жидкости 10 л/мин (минимально измеряемая величина расхода), и до 5,5% при измерении расхода 90 л/мин (максимально измеряемая величина расхода). Погрешность определяется ценой деления лимба, которая составляет 5 л/мин. Такие погрешности не допустимы при измерениях малых расходов рабочей жидкости. При измерении утечек рабочей жидкости менее 10 л/мин, в гидрораспределителях, прибор КИ-1097-1 не позволяет измерять их величину;
- недостаточная точность настройки дросселирующего устройства при измерении таких параметров, как величина давления и расхода;
- высокие временные затраты на диагностирование. Так время одного измерения, даже без учета подготовительных и заключительных операций достигает от 0,5 до 1 мин. Для более точного диагностирования необходимо провести не менее трех измерений.
Эти недостатки устраняют техническим решением дросселя-расходомера по патенту на полезную модель RU 91759, G01F 1/22 (заявка 2009140698). Дроссель-расходомер включает корпус, входной и выходной патрубки, гильзу, золотник, рукоятку, планетарный механизм перемещения золотника, связанный с рукояткой и потенциометрическим датчиком.
Известный прибор по патенту RU 91759 снабжен электронным блоком регистрации параметров, позволяющим измерять более точно значение величин расхода и задаваемого давления рабочей жидкости в гидроприводе различных устройств, а повышение разрешения прибора достигается применением планетарной передачи, увеличивающей число оборотов рукоятки, необходимых для одного оборота золотника, а точность снимаемых показаний обеспечивается патенциометрическим датчиком.
Вместе с тем это новшество значительно усложняет конструкцию прибора введением множества элементов механики и электроники в цепи от точки контроля до финишной точки на шкале электронного прибора показаний измерения, что естественно удорожает результат измерения.
Известно также устройство для измерения расхода жидких сред - дроссель-расходомер СДР-ЗУК, включающий корпус, в котором с помощью винта стопорного, установлена гильза, имеющая профильную щель. В гильзу вставлен золотник. Гильза удерживается в корпусе резьбовой пробкой. Винты крепят к корпусу указатель. Рукоятка, с закрепленной на ней, посредством винта, втулкой с насечкой (лимбом), соединена с золотником посредством штифта. На лимб нанесены шкала расходов жидкости (л/мин) и два крайних положения рукоятки: ОТКР и ЗАКР, соответствующие полностью открытой или полностью закрытой щели дросселя-расходомера. Диапазон вращения рукоятки не превышает 360°, при этом рабочая кромка золотника закрывает или открывает профильную щель гильзы, увеличивая или уменьшая площадь проходного сечения.
При подводе рабочей жидкости к входному отверстию и отводе ее из выходного отверстия устройство работает, как регулируемый дроссель (Дроссель-расходомер. Руководство по эксплуатации. СДР-ЗУК РЭ. Изготовитель - РУП «ГСКТБГА», РБ, г. Гомель, ул. Советская, 145).
Однако данная конструкция имеет конструктивные и эксплуатационные недостатки. В связи с тем, что на лимбе нанесена шкала, градуированная всего на один его оборот, диаметр лимба был значительно увеличен для достижения более высокого разрешения прибора - это в целом повлекло увеличение габарита прибора и его массы. Что вызывает неудобства при его эксплуатации.
Другим недостатком известного дросселя-расходомера является необратимость входа и выхода. Если поднимать давление на выходном штуцере, то оно, воздействуя на торец золотника, имеющий значительную площадь, будет создавать на золотнике значительное усилие («домкратный эффект»), которое серьезно затруднит вращение рукоятки и, как следствие, регулировку проходного сечения профильной щели, также этот недостаток проявится и без изменения направления потока, при повышении давления на сливе.
Кроме того, для обеспечения достаточной прочности, и компенсации «домкратного эффекта», что особенно актуально при появлении давления на выходе прибора, его корпус и рукоятку снабдили упорной резьбой со значительным шагом, что привело к увеличению его массово-габаритных характеристик и снижению технологичности.
Вместе с тем, как и ранее рассмотренные прототипы, дроссель-расходомер СДР-ЗУК, имея нагрузочный узел, не имеет предохранительного устройства, что делает его применение для диагностики незащищенных участков гидросистемы опасным.
Еще один недостаток прибора выражается в том, что дроссель-расходомер тарирован по перепаду давления на дроссельной щели 10 МПа, но имеет только один манометр, на входе. Давление же на выходе прибора не контролируется, то есть точный перепад не регистрируется, что снижает точность измерения расхода и так же не позволяет менять вход с выходом прибора. Поскольку сливные магистрали большинства гидросистем имеют давление подпора, то измерение расхода жидкости выше перечисленными прототипами с заявленной точностью затруднено.
В основу настоящего изобретения положено решение следующих задач:
- повысить точность контролируемого регулирования площади проходного сечения дроссельной щели;
- гидравлически разгрузить золотник;
- обеспечить независимость работоспособности от реверсивности измеряемого потока;
- обеспечить точность измерения перепада давления на дроссельной щели;
- обеспечить защиту устройства от превышения давления;
- снизить массово-габаритные характеристики устройства.
Поставленные задачи решаются тем, что устройство для измерения жидких сред содержит корпус со сквозным осевым и радиальным отверстиями, гильзу с дроссельными щелями, смонтированную в корпусе и золотник. Принцип работы основан на определении расхода жидкости при заданном перепаде давления на дроссельной щели.
Отличительной особенностью устройства является то, что оно снабжено позиционирующим задающим устройством, включающим шток с резьбой, неподвижный лимб с основной шкалой выбора диапазона измерения расхода жидкости, поворотный лимб с нониусом жестко связан со штоком, а гильза выполнена с внутренней перегородкой с осевым отверстием в ней, разделяющей ее отверстие на золотниковую камеру и полость, при этом неподвижный лимб жестко закреплен в корпусе, а поворотный лимб охватывает неподвижный лимб с возможностью вращения и его линейного перемещения со штоком, золотник смонтирован в золотниковой камере и шарнирно связан со штоком и снабжен каналом, связывающим надзолотниковую и подзолотниковую камеры. Корпус, в районе расположенной в гильзе дроссельной щели, имеет расточку большего диаметра, чем отверстие, в которое вставлена гильза.
Другой отличительной особенностью устройства является то, что площадь поперечного сечения штока принимается меньше поперечного сечения золотника.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 показано устройство с частичным разрезом гильзы и золотника; на фиг. 2 - частичный разрез позиционирующего задающего устройства.
Еще одной отличительной особенностью устройства является то, что шаг градуировки неподвижного лимба принимается равным или кратным шагу резьбы штока.
Следующей отличительной особенностью является то, что поворотный лимб, совершая один оборот, перемещается вдоль неподвижного лимба или на величину или кратно шагу резьбы штока.
Устройство характеризуется также тем, что величина измеряемого расхода жидких сред представляет собой сумму показаний двух лимбов, поворотного и неподвижного, при заданном перепаде давлений на дроссельной щели. Заданный перепад давлений на дроссельной щели определяется разностью показаний манометров (на чертеже не показаны), подключенных к осевому и радиальному отверстиям.
Еще устройство характеризуется тем, что число дроссельных щелей в гильзе может быть больше одной.
Кроме того, устройство характеризуется тем, что содержит предохранительное устройство, защищающее его от превышения давления.
Предлагаемое устройство для измерения расхода жидких сред включает корпус 1 со сквозным осевым 2 и радиальным 3 отверстиями. Внутри отверстия 2 герметично установлена гильза 4 с внутренней перегородкой 5, разделяющей ее отверстие на золотниковую камеру 6 и полость 7. В камере 6 размещен золотник 8, образуя надзолотниковую 9 и подзолотниковую 10 камеры. В золотнике выполнен осевой канал 11. В гильзе 4 выполнены дроссельные щели 12, соединяемые, посредством расточки 13, с отверстиями 2 и 3. Расточка 13 располагается в районе дроссельных щелей 12 и имеет больший диаметр, чем отверстие 2. Этот элемент конструкции позволяет в произвольном направлении ориентировать дроссельные щели гильзы, относительно отверстия 3, или применять гильзу с любым количеством дроссельных щелей. Гильза с несколькими, идентичными по геометрическим параметрам, дроссельными щелями, применяется, когда нужно расширить максимальный диапазон измеряемого расхода. При этом, для компенсации перекоса золотника 8, дроссельные щели 12 располагаются симметрично по окружности гильзы. Таким образом, расширение измерительного диапазона прибора не требует его переделки, необходимо поменять только один элемент - гильзу 4, и внести соответствующие изменения в числовые значения делений шкал поворотного и неподвижного лимбов, при этом, геометрические параметры дроссельной щели, что для однощелевой гильзы, что для многощелевой могут быть одинаковыми, что значительно повышает технологичность конструкции. Отверстие 2 подсоединяется к напорной, а отверстие 3 - к сливной магистралям или наоборот.
Известно, что если форма проходного сечения дроссельной щели прямоугольная, то при заданном постоянном перепаде давлений, изменение расхода через нее находится в обратной линейной зависимости от площади ее проходного сечения. В данном устройстве площади проходных сечений дроссельных щелей регулируются позиционирующим задающим устройством 14, включающим шток 15, поворотный лимб 16 и неподвижный лимб 17 со шкалами 19 и 18 соответственно. Шток 15 имеет резьбовой участок 20. В неподвижном лимбе 17 смонтирована цанговая втулка 21 с внутренней резьбой, взаимосвязанная с внешней резьбой штока 15, обеспечивая его вертикально-осевое перемещение.
Поворотным лимбом 16 перемещают золотник 8 в гильзе 4, изменяя длину дроссельных щелей 12, тем самым регулируя перепад давления на них до те пор, пока не будет достигнут заданный перепад давлений. После этого, фактический расход жидкости через дроссельные щели, для заданного, постоянного перепада давлений, определяется суммированием показаний шкал 18 и 19, неподвижного лимба 17 и поворотного лимба 16 соответственно. Шкала 18 неподвижного лимба 17 тарируется для заданного перепада давлений на дроссельных щелях 12. Цена деления шкалы 19 поворотного лимба 16 зависит от требуемой точности определения расхода. Измерение расхода для другого, заданного, перепада давлений, без изменения геометрических параметров дроссельных щелей, требует или изменения цены деления шкал лимбов, или пересчета показаний лимбов по известной зависимости:
где Q - фактический расход через дроссельные щели 12;
ш
Q - сумма показаний шкал 18 и 21;
ΔР - перепад давлений на дроссельных щелях 12.
Канал 11 посредством канала 22, расположенного в штоке 15, связывает надзолотниковую камеру 9 с подзолотниковой камерой 10.
Наличие в золотнике 8 канала 11, и в штоке каналов 22, соединяющих камеры 9 и 10 обеспечивает не только свободную циркуляцию рабочей жидкости между этими камерами и, соответственно, перемещение золотника 8 в гильзе 4, но и позволяет выравнивать давление на торцах золотника 8, что актуально при подключении отверстия 2 к напорной магистрали. В этом случае, давление в камерах 9 и 10 будет выравниваться благодаря осевому каналу 11 и каналам 22, что позволяет минимизировать осевое усилие на золотник 8, от воздействия давления напорной магистрали. Эта особенность позволяет применить шток 15 гораздо меньшего диаметра, чем золотник 8 и, тем самым, минимизировать размеры резьбовых соединений позиционирующего задающего устройства 14. Количество каналов 22 определяется расчетным путем.
При подключении отверстия 3 к магистральному давлению, а отверстия 2 к сливу, осевой канал 11 и каналы 22 обеспечивают свободную циркуляцию рабочей жидкости между камерами 9 и 10, для беспрепятственного перемещения золотника 8 в гильзе 4, и, при наличии давления в сливной магистрали, также разгружают золотник от его воздействия.
Поворотный лимб 16 с нониусной шкалой 19, жестко связанный со штоком 15, обеспечивает установку точной величины открытия/перекрытия дроссельных щелей 12, соединяющих отверстия 2 и 3. Поворотный лимб 16 за один оборот перемещается на одно деление шкалы 18, неподвижного лимба 17, которое равно шагу резьбы резьбового участка 20 штока 15. Задающее устройство 14 установлено в полости 7 и через шток 15 шарнирно связано с золотником 8, но может иметь и жесткую связь с ним. Площадь поперечного сечения штока 15 принимается меньше поперечного сечения золотника 8.
Теоретически, только конечная длина неподвижного лимба 17 и длины дроссельных щелей 12 ограничивает границы измеряемого диапазона расходов. Максимальный угол поворота лимба 16 не лимитирован и осуществляется от 0° до величины определяемой конструкцией устройства, т.е. гораздо больше 360°, что значительно расширяет измеряемый диапазон расхода, снижая цену деления и увеличивая точность измерений.
Неподвижный лимб 17 служит для определения диапазона расхода жидкости, а поворотный лимб 16 с нониусной градуировкой шкалы 19, обеспечивает заданную точность определения расхода, в пределах одного деления шкалы 18, неподвижного лимба 17. Шаг градуировки шкалы 18 неподвижного лимба 17 принимается равным или кратным шагу резьбы резьбового участка 20, штока 15. Разрешающая способность и точность измерения расхода обеспечивается изменением числа делений нониусной шкалы 19, поворотного лимба 16. Поворотный лимб 16, совершая один оборот, перемещается вдоль неподвижного лимба 17 или на величину, или кратно шагу резьбы штока 15.
Величина измеряемого расхода жидких сред представляет собой сумму показаний двух лимбов - поворотного 16 и неподвижного 17, при заданном перепаде давлений на дроссельных щелях 12. Заданный перепад давлений на дроссельных щелях определяется разностью показаний манометров, подключенных к осевому 2 и радиальному 3 отверстиям.
Крепление позиционирующего задающего устройства 14 возможно любым известным способом, как к корпусу 1, так и непосредственно к гильзе 4. Устройство снабжено двумя манометрами, подключенными к осевому 2 и радиальному 3 отверстиям (на чертеже не показано), что позволяет точно регистрировать перепад давления на дроссельных щелях 12.
В случае подключения отверстия 2 к магистрали высокого давления наличие в золотнике 8 отверстия 11 и каналов 22, позволяет минимизировать осевое усилие на резьбовое соединение 20 в штоке 15 и цанговой втулке 21. Для выборки люфта в резьбовом участке 20 цанговая втулка 21 оснащена регулирующей гайкой 23. Расположение дроссельных щелей 12 гильзы 4 в расточке 13 корпуса 1 не требует конкретного ориентирования осевого канала 11 золотника 8 относительно радиального отверстия 3 напорной или сливной магистрали.
Устройство снабжено предохранительным клапаном, который в случае превышения давления, соединяет отверстия 2 и 3 «в обход» дроссельной пары (на чертеже не показано).
Вследствие разгружения золотника и наличия манометров, как на входе в устройство, так и на выходе, становится возможным подключение устройства к реверсивным потокам, либо по дифференциальному включению, то есть использование в системах, где давление на сливе отлично от нуля вплоть до номинального. Таким образом, нивелируются понятия «входа» и «выхода» прибора.
Наличие предохранительного клапана позволяет использовать устройство для диагностики участков гидросистем, не имеющих предохранительного клапана (на чертеже не показан).
Устройство работает следующим образом.
Для определения расхода жидких сред шкалы 18 и 19 лимбов 17 и 16 оттарированы на определенный, заданный перепад давлений на дроссельных щелях 12. Устройство, отверстиями 2 и 3, связывают с магистралями контролируемого гироагрегата или гидросистемы. Вначале измерений дроссельные щели 12 полностью открыты. Вращая подвижный лимб 16, перемещают шток 15 и прикрепленный к его торцу золотник 8, который перемещаясь по внутреннему отверстию гильзы 4, перекрывает дроссельные щели 12, регулируя площадь их проходного сечения до тех пор, пока не будет достигнут заданный перепад давлений, определяемый из разности показаний манометров, подключенных к полостям 2 и 3. На этом процесс измерения считается выполненным, а считанная сумма показаний шкал 18 и 19 и будет соответствовать фактическому расходу через дроссельные щели 12.
Для повышения точности показаний устройства возможный осевой люфт между золотником 8 и штоком 15 может быть компенсирован корректными действиями оператора. Перед измерением дроссельные щели 12 устройства должны быть полностью открыты. Вращением поворотного лимба 16 оператор постепенно перекрывает проходные сечения дроссельных щелей 12, повышая давление измеряемого потока. При этом перемещение золотника 8, позиционирующим задающим устройством 14, осуществляется только в направлении уменьшения проходной площади дроссельных щелей 12, то есть в сторону их перекрытия (при этом перепад давления на дроссельных щелях будет расти), что позволяет исключить влияние люфтов и зазоров устройства на точность измерения. Достигнув заданного перепада давления, оператор считывает и суммирует показания шкал 18 и 19, соответствующие фактическому расходу жидкости измеряемого потока. При таком подходе необходимость в регулирующей люфт гайке 23 отпадает. При необходимости измерения расхода при перепаде давления отличного от заданного, используется приведенная выше формула пересчета полученных показаний.
Заданное устройство для измерения расхода жидких сред выходит за функциональные рамки классического дросселя расходомера и представляет собой полноценный гидротестер, позволяющий производить диагностику гидросистем широкого спектра, а в силу своей компактности, простоты, надежности и точности, является оптимальным решением при диагностики гидросистем мобильной техники, как в условиях стационарных мастерских, так и в полевых условиях.