利用矩阵求解旋转活塞流量计活塞尺寸

2013-04-10张听雨靳文哲杜建军

机械工程师 2013年9期

关键词：手册机械设计活塞

张听雨，靳文哲，杜建军

（开封仪表有限公司，河南开封 475002）

利用矩阵求解旋转活塞流量计活塞尺寸

张听雨，靳文哲，杜建军

（开封仪表有限公司，河南开封 475002）

用矩阵确定产品关键零件的关键结构几何尺寸，用Solid Works做产品预现与计算机辅助分析（CAE），实例展示了运用数学工具准确计算产品零部件形状的方法。

矩阵变换；三维造型；CAE

1 旋转活塞流量计结构及原理

旋转活塞流量计属于容积式流量计范畴，主要应用于小流量、小口径流体的精准计量，已应用于加油站加油机中，其卫生型可用于食品的计量。它置有LPF-5型光电脉冲发讯器，可与7887型计数器或LPS（02）型计数器配套使用，并可输出4～20mA直流标准电流信号或脉冲信号。流量计由壳体、活塞机构、磁密封机构、减速机构、调整机构和电远传机构等部件组成，如图1、图2所示。

其工作原理如图3，壳体、隔板与开有缺口的活塞组成一个定容积的斗，活塞可围绕主轴作平面回转运动，其旋转一圈排出的体积为一定值，只要计算出在一个计量周期内活塞旋转的总圈数，便可知道流过的流体总量，如图3所示。

图1 旋转活塞流量计结构

图2 三维结构图

图3 旋转活塞流量计原理图

2 关键设计

旋转活塞流量计在设计过程中的难点是：活塞曲线方程的确定与求解。

2.1 活塞曲线方程的确定与求解（矩阵的计算）

活塞结构如图4所示。

图4 活塞结构

活塞曲线方程由以下矩阵定义：

可以看出，上述问题要进行矩阵变换和参数方程的确定，故使问题复杂化，工程技术人员往往束手无策，而只能采取实验或测绘的方法进行解决，这样往往由于测量误差而造成尺寸不准确、周期长等问题，并缺乏理论依据，现对其求解并理论分析如下。

圆的方程为：

而在实际工程中，活塞壁厚与相内切环壁厚不可忽略，故二者均需要在理论廓线基础上进行外、内包络，就可得到实际廓线。

2.2 产品预现

如图2系列图所示，利用所计算的结构参数数据绘制二维工程图后（如图1），为了进行产品预现和对产品进行计算机辅助分析（CAE），可利用三维机械设计软件进行产品零件造型（本文使用的软件是Solid W orks2011）、虚拟装配成型。利用该项技术，可最大程度地预先得知产品的预期外观、工作状态等数据，从而大大提高了产品设计的成功率，也能早期发现产品设计缺陷。