高黏度潤滑油自動(dòng)加注計(jì)量研究及誤差分析

唐涇貴，吳志文，周方

（湖南省計(jì)量檢測研究院，湖南 長沙 410014）

各種不同較高黏度的機(jī)械油、潤滑油、食用油等液體產(chǎn)品，即使在加壓、加溫條件下該液體產(chǎn)品也不能在管道內(nèi)有較好的流動(dòng)狀態(tài)，一般情況下將它盛放在儲(chǔ)存容器內(nèi)。加注或零售貿(mào)易結(jié)算時(shí)，通過容器從儲(chǔ)存容器內(nèi)取出，盛裝在容器內(nèi)放在磅秤上進(jìn)行稱量。該方法存在計(jì)量準(zhǔn)確度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、損耗大等缺陷。采用微電腦控制電脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿、活塞在體積管內(nèi)的行程，從而控制高黏度油液產(chǎn)品的定量排放量，實(shí)現(xiàn)高精度定量計(jì)量。

1 裝置與計(jì)量方法

圖1 計(jì)量裝置

如圖1所示，該計(jì)量裝置由微機(jī)控制電脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)預(yù)置的角度。步進(jìn)電機(jī)輸出軸頭裝有齒輪，與體積管內(nèi)曲軸上的齒輪相嚙合。體積管與密封后的步進(jìn)電機(jī)浸入儲(chǔ)油箱中，體積管管外油道的進(jìn)油口在體積管的最下端，油箱內(nèi)的油與外油道相通。體積管的四個(gè)缸體端面與體積管端密封相聯(lián)，端蓋內(nèi)與活塞相接的圓錐體內(nèi)膛上各有兩只進(jìn)、出限量單向自鎖閥，分別連通體積管的外油道和內(nèi)油道。當(dāng)活塞往內(nèi)退時(shí)，缸體內(nèi)的油壓力小于內(nèi)外油道。此時(shí)，連通內(nèi)油道出油閥的鋼球關(guān)閉油道、連通外油道進(jìn)油閥的鋼球被吸開，由于吸開的高度受到限位支架的限制，所以體積管內(nèi)每次吸入的油量一定。當(dāng)活塞退至極限時(shí)，體積管內(nèi)的壓力與內(nèi)外油道相等，連接外油道進(jìn)油閥的鋼球受彈簧的推力迅速關(guān)閉。當(dāng)活塞向外推進(jìn)時(shí)，體積管內(nèi)的壓力增大，連通外油道進(jìn)油閥閉合，通往內(nèi)油道的單向閥在油壓的作用下被打開，出油閥內(nèi)的鋼球同樣受到限位支架的限制，所以每次排出的油量一定，排出的油液進(jìn)入端蓋上內(nèi)腔與體積管體內(nèi)的內(nèi)油道匯合，以擠壓的形式通過輸油管向外定量加注，構(gòu)成一個(gè)完整的定量加注計(jì)量系統(tǒng)。

2 影響加注計(jì)量誤差的主要因素

通過分析體積管加注計(jì)量的原理，影響加注計(jì)量誤差的主要因素包括端面及單向閥密封性、脈沖數(shù)、工藝參數(shù)及泄漏量等。

（1）體積管上下端面密封性的影響。體積管的四個(gè)缸體端面與體積管端密封相聯(lián)，單相閥是決定體積管完成定量加注量的關(guān)鍵部件，它的密封性能將直接影響體積管的可靠性和計(jì)量的準(zhǔn)確性，加工及裝配前需進(jìn)行相關(guān)檢查和試驗(yàn)。

（2）脈沖數(shù)的影響。依據(jù)加注量，微處理器通過脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)預(yù)置的角度，通過齒輪和連桿推進(jìn)體積管排出加注量。發(fā)射的脈沖是有寬度的，計(jì)數(shù)方式為上升沿或下降沿觸發(fā)，實(shí)際情況下可能會(huì)丟失不完整的脈沖，取其極限，相當(dāng)于丟失1個(gè)脈沖，齒輪傳動(dòng)比為3:1，步進(jìn)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)最小為1.5°，則偏心軸為0.5°，若潤滑油密度為ρ=0.74g/cm3,則產(chǎn)生誤差為Δw=0.5×0.74×388/360=0.40g。

（3）工藝參數(shù)的影響。實(shí)際加注潤滑油時(shí)，應(yīng)考慮體積管受加注潤滑油的溫度和壓力的影響，加注量：

W=ρVs[1+DPs/Es×δ][1+（ts-20）βs][1+（Pm-Ps）k]

式中，Vs為標(biāo)準(zhǔn)體積管的容積；ρ為潤滑油密度；D為體積管基準(zhǔn)管段的內(nèi)徑；Es為體積管基準(zhǔn)管段材料的彈性模量；δ為體積管基準(zhǔn)管段的壁厚；Ps為體積管的工作壓力（表壓）；ts為體積管的工作溫度，℃；βs為體積管的溫度體膨脹系數(shù)；Pm為加注出口壓力（表壓）。

忽略加注潤滑油在體積管和儲(chǔ)油箱內(nèi)因溫度差產(chǎn)生的容積修正值，從上式可知，容積修正值與溫度、壓力、體積管材料、體積管內(nèi)徑等參數(shù)有關(guān)，修正影響因素將提升測量結(jié)果準(zhǔn)確度。

（4）泄漏量的影響。體積管加注計(jì)量誤差主要是因?yàn)榧幼⑦^程中泄漏量所引發(fā)的。導(dǎo)致泄漏量的出現(xiàn)，主要是由于體積管內(nèi)缸套與缸體的計(jì)量空間由機(jī)械裝置組成，其運(yùn)動(dòng)部件均在運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)中的流體就會(huì)隨著體積管計(jì)量腔體與活動(dòng)部件（缸體）間的運(yùn)動(dòng)間隙出現(xiàn)泄漏，泄漏量的大小與缸體的大小成正比，缸體越大，泄漏量越大，缸體不可能做到為0，即泄漏量是不可能完全消除。

①機(jī)械磨損是影響體積管泄漏量重要因素。計(jì)量裝置投入使用后，經(jīng)過一段時(shí)間，缸體與計(jì)量空間磨合后的間隙合適，泄漏量較小，計(jì)量誤差就較小，但隨著使用時(shí)間的增加，缸體與計(jì)量空間出現(xiàn)磨損，增大缸體與計(jì)量空間的間隙，泄漏量增大，誤差增大，必須對(duì)計(jì)量裝置進(jìn)行計(jì)量檢查，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)更換缸體或缸套，保證計(jì)量性能穩(wěn)定。

②所加注流體的基本屬性就是熱脹冷縮，溫度升高，勢必導(dǎo)致缸體與體積管缸套間隙的增加，泄漏量增大，誤差增大，因此為了減少泄漏量，注意溫度因素導(dǎo)致計(jì)量空間增大的問題，且流體隨溫度的上升而膨脹的問題。

③壓差也是影響體積管加注泄漏量大小的重要因素。若體積管加注進(jìn)出口存在的壓差較小，那么就會(huì)降低缸體運(yùn)動(dòng)速度，潤滑油就會(huì)在重力作用下加速流動(dòng)，導(dǎo)致泄漏量增加，同時(shí)計(jì)量誤差增大；若體積管的進(jìn)出口的壓差較大，就會(huì)增大缸體的回轉(zhuǎn)力矩，提高缸體的運(yùn)動(dòng)速度，潤滑油就會(huì)在慣性作用下加大流動(dòng)速度，泄漏量增大，誤差增大。為保證體積管計(jì)量誤差，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸聯(lián)動(dòng)缸體運(yùn)動(dòng)，從根本上保證泄漏量始終處于最小。

④潤滑油黏度的變化將導(dǎo)致泄漏量的變化。如果潤滑油的黏度較大，其泄漏量就會(huì)較??；黏度較小時(shí)，泄漏量就會(huì)較大。體積管計(jì)量誤差來源就是泄漏量，缸體、缸套材料的選取會(huì)影響摩擦力，壓降也隨之變化，進(jìn)而影響泄漏量，缸套采用特殊材料涂層（如石墨烯等具有耐摩擦，耐腐蝕的材料）和彈性缸體結(jié)合解決密封和摩擦的問題。

（5）體積管自身特性的影響。體積管在長期運(yùn)行過程中，缸體與缸套之間因磨損間隙會(huì)變大，端面或單相閥的密封性將在一定程度的變差，特別是可動(dòng)部件多的情況下，缸套與缸體、連桿、傳動(dòng)齒輪等，在長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也會(huì)產(chǎn)生一定程度的磨損，缸體與缸套如果潤滑油中含有雜質(zhì)或固體顆粒較多時(shí)，磨損嚴(yán)重，將使體積管計(jì)量性能發(fā)生偏離。

3 改進(jìn)措施

（1）改進(jìn)制造工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。體積管管體采用HT200鑄造，經(jīng)過清砂、浸膠、劃線、粗加工、數(shù)控機(jī)床精加工四孔和端面，誤差小于0.3mm。缸套經(jīng)加工壓入體積管形成缸體，缸套加工誤差小于0.2mm。

活塞采用耐磨鑄鐵，用兩道油環(huán)、一道“O”型橡膠圈密封。曲軸采用鋼件，曲軸軸心線與回轉(zhuǎn)中心線平行度小于0.015mm，同心度小于0.015mm，表明高頻淬火提高耐磨性，偏心誤差小于0.2mm。單相閥用鋼件車加工，研磨與擊壓加工鋼球與其接觸的圓錐面，最后用煤油做滲透檢驗(yàn)。體積管端面使用鑄件，使用專用夾具加工，活塞與缸體配合適當(dāng)。步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為90BF003，最小步進(jìn)角為1.5°。

（2）密封性試驗(yàn)。在密封性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，關(guān)閉體積管加注計(jì)量出口、堵住體積管四個(gè)入口，即關(guān)閉所有可能產(chǎn)生泄漏的節(jié)點(diǎn)，對(duì)這段密封系統(tǒng)加壓1MPa，觀察30min，壓力下降小于0.15MPa為密封性合格。

（3）脈沖數(shù)取值。脈沖插入法是以檢定潤滑油加注裝置容積誤差為前提，如圖2所示。

圖2 脈沖插入法示意圖

流量計(jì)脈沖為微處理器輸入給步進(jìn)電機(jī)控制脈沖數(shù)，為保證加注容量計(jì)量準(zhǔn)確度，插入的脈沖數(shù)按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

N′ =N×T2/T1（Ⅰ） （2）

在容積計(jì)量檢定過程中，加注容量W1需要微處理器發(fā)出的完整脈沖數(shù)為N，測量時(shí)間間隔T1和T2，T1（Ⅰ）是指第一只檢測開關(guān)觸發(fā)后微處理器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的第1個(gè)脈沖與第二只檢測開關(guān)觸發(fā)后微處理器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的第一個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔，T2為第一只與第二只檢測開關(guān)觸發(fā)信號(hào)之間的時(shí)間間隔。

4 結(jié)語

利用微處理器經(jīng)脈沖取值修正后輸出脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)的角度，控制缸體在體積管內(nèi)行程，對(duì)高粘度潤滑油實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)量加注。從影響計(jì)量誤差的幾個(gè)方面分析原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。