某型耗量傳感器改進(jìn)設(shè)計(jì)

李彬

（海軍裝備部，四川 成都 610000）

耗量傳感器主要由殼體組合、感應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。殼體組合包括前后導(dǎo)流器、葉輪組合和軸組合；感應(yīng)機(jī)構(gòu)主要由2 組感應(yīng)線(xiàn)圈組成。葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸組合，使軸組合上的鐵芯旋轉(zhuǎn)，改變感應(yīng)線(xiàn)圈電感，進(jìn)而輸出與流量成正比的感應(yīng)電信號(hào)。本文主要根據(jù)某型耗量傳感器的技術(shù)要求，來(lái)討論耗量傳感器如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。

1 耗量傳感器設(shè)計(jì)要求

1.1 原理設(shè)計(jì)

耗量傳感器安裝在空中加油吊艙燃油管路中，在空中加油時(shí)，測(cè)量瞬時(shí)加油流量，把信號(hào)傳遞給油量測(cè)量信號(hào)盒[1]。傳感器工作原理設(shè)計(jì)如圖1 所示。燃油進(jìn)入傳感器導(dǎo)管，經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)腔葉輪和前、后端的整流裝置整流后，進(jìn)入供油管路。流過(guò)的燃油帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪旋轉(zhuǎn)使葉輪軸旋轉(zhuǎn)，葉輪軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)使感應(yīng)線(xiàn)圈輸出一個(gè)與燃油流量成正比的交流感應(yīng)電信號(hào)到上一級(jí)的油量測(cè)量信號(hào)盒，信號(hào)盒進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出燃油的消耗量。

1.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，耗量傳感器必須滿(mǎn)足以下要求：①產(chǎn)品在150～2 000 L/min 流量范圍內(nèi)能正常工作，輸出信號(hào)的脈頻率應(yīng)與流量成正比；②轉(zhuǎn)換誤差不大于±1%；③在流量為1 500 L/min 時(shí)的壓力降應(yīng)滿(mǎn)足，葉輪工作時(shí)不超過(guò)80 kPa，葉輪不轉(zhuǎn)時(shí)不超過(guò)300 kPa。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，傳感器流量測(cè)量范圍為150～2 000 L/min，主流量點(diǎn)為1500 L/min，傳感器接口要求流體流經(jīng)的管道內(nèi)徑為Φ68 mm。在此流量測(cè)量范圍下內(nèi)徑Φ68 mm 屬于小口徑大流量傳感器。在主流量點(diǎn)傳感器流道內(nèi)各部件將受力更大。傳感器輸出頻率要求最低流量點(diǎn)超過(guò)15 Hz。

2 耗量傳感器改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)原理及接口要求，參考同類(lèi)型耗量傳感器確定傳感器整體結(jié)構(gòu)，傳感器主要由殼體組合、感應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。殼體組合包括前后導(dǎo)流器、葉輪組合和軸組合；感應(yīng)機(jī)構(gòu)主要由2 組感應(yīng)線(xiàn)圈組成。

2.2 傳動(dòng)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由葉輪組合與軸組合構(gòu)成，葉輪組合安裝在前導(dǎo)向器與后導(dǎo)向器組件之間，通過(guò)1組軸承支撐，將管道內(nèi)燃油的流動(dòng)轉(zhuǎn)換為葉輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。軸組合安裝在后導(dǎo)向器與殼體之間，在后導(dǎo)向器內(nèi)通過(guò)葉輪軸與軸組合的結(jié)合，將葉輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞為軸組合的轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 葉輪改進(jìn)設(shè)計(jì)

葉輪參數(shù)設(shè)計(jì)：根據(jù)耗量傳感器接口要求，燃油流道管道內(nèi)徑為Φ68 mm，與某型號(hào)耗量傳感器內(nèi)徑相同，故參照同口徑傳感器葉輪參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

參考指標(biāo)：葉片數(shù)為6，葉片厚（1±0.1）mm，螺旋方向?yàn)樽笮瑢?dǎo)程為60。

在流量臺(tái)調(diào)定流量大小為主流量值1 500 L/min，檢測(cè)同口徑傳感器壓力降，實(shí)測(cè)進(jìn)油和出油端最大壓力降不超過(guò)250 kPa，采用ANSYS WorkBench 仿真分析軟件對(duì)葉輪三維模型進(jìn)行有限元仿真分析。施加250 kPa 壓力于葉輪葉片上，施加載荷如圖3 所示。分析得出此葉輪無(wú)法滿(mǎn)足大流量要求，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖3 施加載荷

圖4 初始分析結(jié)果

對(duì)葉輪進(jìn)行改進(jìn)，葉輪受大流量壓力后薄弱環(huán)節(jié)在其葉片尤其是葉片根部，葉輪葉片厚度為1 mm，根部倒圓角為0.5 mm。對(duì)葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，將1 mm的葉片厚度加強(qiáng)為2 mm，適當(dāng)加大根部圓角。在同樣約束與載荷條件下再次進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5 所示。在滿(mǎn)足使用條件情況下，結(jié)合加工難易程度最終產(chǎn)品采用葉片厚度為2 mm，根部倒角為1.5 mm 的強(qiáng)化方案。

圖5 改進(jìn)后分析結(jié)果

葉輪最終結(jié)構(gòu)尺寸指標(biāo)：葉片數(shù)為6，葉片厚度為（2±0.2）mm，螺旋方向?yàn)樽笮?，?dǎo)程為60±1。

2.2.2 軸組合及斜齒輪配合設(shè)計(jì)

傳感器軸組合由斜齒輪與軸通過(guò)銷(xiāo)子結(jié)合。根據(jù)使用需求，傳感器輸出頻率要求最低流量點(diǎn)超過(guò)15 Hz。根據(jù)公式K=f/V，得出同口徑耗量傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)實(shí)測(cè)值為K=0.4，其中K為轉(zhuǎn)換系數(shù)；f為輸出頻率，Hz；V為流量大小，L/s；最低流量150 L/min 對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)頻率僅為1 Hz。同口徑耗量傳感器傳動(dòng)過(guò)程中，葉輪軸與軸組合配合為蝸桿與斜齒輪的配合，葉輪軸采用了蝸桿結(jié)構(gòu)，形成的是減速的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（傳動(dòng)比為1∶15），無(wú)法滿(mǎn)足使用需求。改進(jìn)葉輪軸蝸桿結(jié)構(gòu)，采用斜齒輪與斜齒輪的配合方式提高傳動(dòng)比。根據(jù)公式K=f/V計(jì)算要滿(mǎn)足15 Hz 輸出頻率要求，并要求轉(zhuǎn)換系數(shù)K為6，則需提高傳動(dòng)比為1∶1，葉輪軸與軸組合配合選擇斜齒輪搭配斜齒輪，結(jié)合殼體與導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)選擇模數(shù)為0.5、齒數(shù)均為9 的斜齒輪結(jié)構(gòu)。

2.3 感應(yīng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器感應(yīng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖及電路原理圖如圖6 所示，圖中L1為固定電感，L2為可變電感，通過(guò)鐵芯的旋轉(zhuǎn)改變L2電感值，在A、C 腳輸入4 kHz、±10 V 的反向正弦電壓型號(hào)，L2電感值隨流量大小成正比變化，則B 腳輸出調(diào)制波型號(hào)，載波頻率即為流量大小對(duì)應(yīng)值。因?qū)敵鲂盘?hào)幅值與頻率無(wú)特殊要求，感應(yīng)機(jī)構(gòu)借用同口徑耗量傳感器結(jié)構(gòu)。

圖6 傳感器感應(yīng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖及電路原理圖

2.4 軸承選用與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)葉輪組合在1 500 L/min 時(shí)的壓力降，對(duì)葉片施加最大壓力，并進(jìn)行仿真，軸承內(nèi)圈受力情況如圖7所示，應(yīng)力為59 MPa，等效于葉輪軸向受力215 N，根據(jù)分析可知葉輪組合軸向受力不大于215 N。

圖7 葉輪及軸承內(nèi)圈受力分析

計(jì)算軸承在滿(mǎn)足壽命要求下需選取的額定動(dòng)載荷大小的公式為：

式（1）中：L為基本額定壽命，h；n為轉(zhuǎn)速，r/h；C為額定動(dòng)載荷；P為當(dāng)量動(dòng)載荷，小于500 N。

耗量傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)K=6.6，斜齒輪傳動(dòng)比為1∶1，在Q=1 500 L/min 時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速n=K×Q×60=594 000 r/h。耗量傳感器壽命要求15 000 飛行小時(shí)/3 000 吊艙工作小時(shí)，根據(jù)壽命載荷譜要求乘以安全系數(shù)1.73 折算為耗量傳感器1 500 L/min 工作2 250 h，1 200 L/min 工作260 h，800 L/min 工作260 h。以1 500 L/min 工作時(shí)間為要求，L≥2 250 h，則C≥2 369 N。結(jié)合導(dǎo)向器與葉輪軸結(jié)構(gòu)選取軸承（36 026 J）額定動(dòng)載荷2 759 N，能滿(mǎn)足耗量傳感器壽命要求。

因耗量傳感器主要受力軸承僅出油端軸承，結(jié)合成本與裝配簡(jiǎn)易度，其他支撐軸承選取常用型號(hào)（623）。

2.5 三防設(shè)計(jì)

為保證耗量傳感器在霉菌、鹽霧及濕熱環(huán)境下正常工作，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行“三防”設(shè)計(jì)：①材料方面。選用耐腐蝕、耐濕熱、耐鹽霧的材料，選用不易吸濕和不易吸水的材料作為絕緣體，如金屬材料選用硬鋁2A12-T4、不銹鋼1Cr18Ni9Ti 和不銹鋼2Cr13等，非金屬材料選用聚四氟乙烯、高壓聚乙烯等。②設(shè)計(jì)方面。在傳感器結(jié)構(gòu)上，采用密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，存放配有專(zhuān)用包裝盒及防塵蓋，防止水汽或者濕氣進(jìn)入傳感器內(nèi)部，發(fā)生腐蝕；另外在傳感器的設(shè)計(jì)中盡量采用相同的金屬材料，不同的金屬材料之間采用電絕緣設(shè)計(jì)，避免發(fā)生接觸腐蝕。③制造工藝。對(duì)零件、組件的外表面采用防霉涂層等涂覆工藝進(jìn)行環(huán)境防護(hù)；在產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，嚴(yán)禁手汗、污物的污染，并保持產(chǎn)品所處的環(huán)境干燥；整流器等鋁合金材料零件采用了瓷質(zhì)陽(yáng)極化處理，葉輪等不銹鋼材料零件采用化學(xué)鈍化處理，有效防止粗糙表面吸附鹽分和水汽對(duì)金屬部分造成腐蝕。

3 結(jié)論

本文根據(jù)某型耗量傳感器的技術(shù)要求[2]，分析了耗量傳感器的實(shí)現(xiàn)方法以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。在現(xiàn)有同口徑耗量傳感器的基礎(chǔ)上，改進(jìn)其葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防脫落方式以滿(mǎn)足小口徑大流量條件下的受力要求；根據(jù)使用需求改變其傳動(dòng)方式，采用新式斜齒輪與斜齒輪的配合方式，相對(duì)于蝸桿與斜齒輪配合增大了傳動(dòng)比的選擇范圍；結(jié)合其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行受力分析，根據(jù)分析結(jié)果選取壽命符合苛刻使用條件的軸承。本文的設(shè)計(jì)方案為耗量傳感器設(shè)計(jì)提供了新的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)思路、軸承選用思路與結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，可為同類(lèi)型耗量傳感器的研制提供參考。