某型耗量传感器改进设计

李彬

（海军装备部，四川 成都 610000）

耗量传感器主要由壳体组合、感应机构组成。壳体组合包括前后导流器、叶轮组合和轴组合；感应机构主要由2 组感应线圈组成。叶轮旋转带动轴组合，使轴组合上的铁芯旋转，改变感应线圈电感，进而输出与流量成正比的感应电信号。本文主要根据某型耗量传感器的技术要求，来讨论耗量传感器如何设计实现，以及在设计过程中需要注意的问题。

1 耗量传感器设计要求

1.1 原理设计

耗量传感器安装在空中加油吊舱燃油管路中，在空中加油时，测量瞬时加油流量，把信号传递给油量测量信号盒[1]。传感器工作原理设计如图1 所示。燃油进入传感器导管，经过传感器内腔叶轮和前、后端的整流装置整流后，进入供油管路。流过的燃油带动叶轮旋转，叶轮旋转使叶轮轴旋转，叶轮轴的旋转带动衔铁转动使感应线圈输出一个与燃油流量成正比的交流感应电信号到上一级的油量测量信号盒，信号盒进行数据处理后输出燃油的消耗量。

1.2 设计难点

根据设计要求，耗量传感器必须满足以下要求：①产品在150～2 000 L/min 流量范围内能正常工作，输出信号的脉频率应与流量成正比；②转换误差不大于±1%；③在流量为1 500 L/min 时的压力降应满足，叶轮工作时不超过80 kPa，叶轮不转时不超过300 kPa。

根据以上设计要求，传感器流量测量范围为150～2 000 L/min，主流量点为1500 L/min，传感器接口要求流体流经的管道内径为Φ68 mm。在此流量测量范围下内径Φ68 mm 属于小口径大流量传感器。在主流量点传感器流道内各部件将受力更大。传感器输出频率要求最低流量点超过15 Hz。

2 耗量传感器改进设计

2.1 传感器整体结构设计

根据原理及接口要求，参考同类型耗量传感器确定传感器整体结构，传感器主要由壳体组合、感应机构组成。壳体组合包括前后导流器、叶轮组合和轴组合；感应机构主要由2 组感应线圈组成。

2.2 传动构设计

产品传动结构主要由叶轮组合与轴组合构成，叶轮组合安装在前导向器与后导向器组件之间，通过1组轴承支撑，将管道内燃油的流动转换为叶轮轴的转动。轴组合安装在后导向器与壳体之间，在后导向器内通过叶轮轴与轴组合的结合，将叶轮轴的转动传递为轴组合的转动。传动结构如图2 所示。

图2 传动结构

2.2.1 叶轮改进设计

叶轮参数设计：根据耗量传感器接口要求，燃油流道管道内径为Φ68 mm，与某型号耗量传感器内径相同，故参照同口径传感器叶轮参数进行改进。

参考指标：叶片数为6，叶片厚（1±0.1）mm，螺旋方向为左旋，导程为60。

在流量台调定流量大小为主流量值1 500 L/min，检测同口径传感器压力降，实测进油和出油端最大压力降不超过250 kPa，采用ANSYS WorkBench 仿真分析软件对叶轮三维模型进行有限元仿真分析。施加250 kPa 压力于叶轮叶片上，施加载荷如图3 所示。分析得出此叶轮无法满足大流量要求，分析结果如图4 所示。

图3 施加载荷

图4 初始分析结果

对叶轮进行改进，叶轮受大流量压力后薄弱环节在其叶片尤其是叶片根部，叶轮叶片厚度为1 mm，根部倒圆角为0.5 mm。对叶轮进行结构加强，将1 mm的叶片厚度加强为2 mm，适当加大根部圆角。在同样约束与载荷条件下再次进行分析，分析结果如图5 所示。在满足使用条件情况下，结合加工难易程度最终产品采用叶片厚度为2 mm，根部倒角为1.5 mm 的强化方案。

图5 改进后分析结果

叶轮最终结构尺寸指标：叶片数为6，叶片厚度为（2±0.2）mm，螺旋方向为左旋，导程为60±1。

2.2.2 轴组合及斜齿轮配合设计

传感器轴组合由斜齿轮与轴通过销子结合。根据使用需求，传感器输出频率要求最低流量点超过15 Hz。根据公式K=f/V，得出同口径耗量传感器转换系数实测值为K=0.4，其中K为转换系数；f为输出频率，Hz；V为流量大小，L/s；最低流量150 L/min 对应输出信号频率仅为1 Hz。同口径耗量传感器传动过程中，叶轮轴与轴组合配合为蜗杆与斜齿轮的配合，叶轮轴采用了蜗杆结构，形成的是减速的传动结构（传动比为1∶15），无法满足使用需求。改进叶轮轴蜗杆结构，采用斜齿轮与斜齿轮的配合方式提高传动比。根据公式K=f/V计算要满足15 Hz 输出频率要求，并要求转换系数K为6，则需提高传动比为1∶1，叶轮轴与轴组合配合选择斜齿轮搭配斜齿轮，结合壳体与导向器结构选择模数为0.5、齿数均为9 的斜齿轮结构。

2.3 感应机构结构设计

传感器感应机构简图及电路原理图如图6 所示，图中L1为固定电感，L2为可变电感，通过铁芯的旋转改变L2电感值，在A、C 脚输入4 kHz、±10 V 的反向正弦电压型号，L2电感值随流量大小成正比变化，则B 脚输出调制波型号，载波频率即为流量大小对应值。因对输出信号幅值与频率无特殊要求，感应机构借用同口径耗量传感器结构。

图6 传感器感应机构简图及电路原理图

2.4 轴承选用与其结构设计

根据叶轮组合在1 500 L/min 时的压力降，对叶片施加最大压力，并进行仿真，轴承内圈受力情况如图7所示，应力为59 MPa，等效于叶轮轴向受力215 N，根据分析可知叶轮组合轴向受力不大于215 N。

图7 叶轮及轴承内圈受力分析

计算轴承在满足寿命要求下需选取的额定动载荷大小的公式为：

式（1）中：L为基本额定寿命，h；n为转速，r/h；C为额定动载荷；P为当量动载荷，小于500 N。

耗量传感器转换系数K=6.6，斜齿轮传动比为1∶1，在Q=1 500 L/min 时叶轮转速n=K×Q×60=594 000 r/h。耗量传感器寿命要求15 000 飞行小时/3 000 吊舱工作小时，根据寿命载荷谱要求乘以安全系数1.73 折算为耗量传感器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 工作时间为要求，L≥2 250 h，则C≥2 369 N。结合导向器与叶轮轴结构选取轴承（36 026 J）额定动载荷2 759 N，能满足耗量传感器寿命要求。

因耗量传感器主要受力轴承仅出油端轴承，结合成本与装配简易度，其他支撑轴承选取常用型号（623）。

2.5 三防设计

为保证耗量传感器在霉菌、盐雾及湿热环境下正常工作，主要从以下几个方面进行“三防”设计：①材料方面。选用耐腐蚀、耐湿热、耐盐雾的材料，选用不易吸湿和不易吸水的材料作为绝缘体，如金属材料选用硬铝2A12-T4、不锈钢1Cr18Ni9Ti 和不锈钢2Cr13等，非金属材料选用聚四氟乙烯、高压聚乙烯等。②设计方面。在传感器结构上，采用密封结构设计，存放配有专用包装盒及防尘盖，防止水汽或者湿气进入传感器内部，发生腐蚀；另外在传感器的设计中尽量采用相同的金属材料，不同的金属材料之间采用电绝缘设计，避免发生接触腐蚀。③制造工艺。对零件、组件的外表面采用防霉涂层等涂覆工艺进行环境防护；在产品的装配过程中，严禁手汗、污物的污染，并保持产品所处的环境干燥；整流器等铝合金材料零件采用了瓷质阳极化处理，叶轮等不锈钢材料零件采用化学钝化处理，有效防止粗糙表面吸附盐分和水汽对金属部分造成腐蚀。

3 结论

本文根据某型耗量传感器的技术要求[2]，分析了耗量传感器的实现方法以及在设计过程中需要注意的问题。在现有同口径耗量传感器的基础上，改进其叶轮结构强度和防脱落方式以满足小口径大流量条件下的受力要求；根据使用需求改变其传动方式，采用新式斜齿轮与斜齿轮的配合方式，相对于蜗杆与斜齿轮配合增大了传动比的选择范围；结合其试验数据进行受力分析，根据分析结果选取寿命符合苛刻使用条件的轴承。本文的设计方案为耗量传感器设计提供了新的传动结构思路、轴承选用思路与结构加强方案，可为同类型耗量传感器的研制提供参考。