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[知识讲座] 第二讲 水表的结构和工作原理
第一节 旋翼式水表
旋翼式水表是速度式水表的一种，是世界上用得最多的水表品种。
在国家标准中，速度式水表的定义为“安装在封闭管道中，由一个动力元件组成，并由水流速直接使其获得运动的一种水表”。当水流通过水表时，驱动叶轮(旋翼或螺翼)旋转，而水流的流速与叶轮的转速成正比，因水流驱动叶轮处喷口的截面积为常数，故叶轮的转速与流量也成正比。通过叶轮轴上的联动部件与计数机构相连接，使计数机构累积叶轮(旋翼或螺翼)的转数，从而记下通过水表的水量。
一、多流束水表
多流(束)水表：水流通过水表时，有多束(股)水流从叶轮盒四周流人，驱动叶轮旋转。这种水表的公称口径一般为15mm～150mm。
旋翼多流束式水表由表壳、中罩、表玻璃、密封垫圈、计量机构、计数机构和滤水网等组成。水流冲击叶轮后，叶轮开始转动，所转圈数通过计数机构累计，记录显示通过水表的水量。见图2-1和2-2。
图2－l 旋翼多流束水表的结构示意图
1- 接管；2-连接螺母；3-接管密封垫圈；4-铅封；5-铜丝；6-销子；7-O形密封垫圈；
8-叶轮计量机构；9-罩子；10-盖子；11-罩子衬垫；12-表壳；1-碗状滤丝网
图2—2 旋翼多流束水表的结构展开图
1－表盖；2－轴销；3－铜罩；4－罩子衬垫；5－表玻璃；6－O形密封圈；7－计数器；8－防磁环；9－中心齿轮，10－齿轮盒；11－垫圈；12－磁钢座；13－叶轮；14－叶轮盒；15－表壳；16－调节螺钉；17－调节螺钉垫片；18－调节塞；19－滤水网；20－接管垫片；21－接管；22－连接螺母
多流束水表的总体尺寸和连接方式见表2—1。
表2—Ⅱ 旋翼式多流束水表的总体尺寸和连接方式 mm
公称口径 长度 宽度 高度 连接方式 L L1 B H 小 口 径 15 259 165 100 109 螺纹 20 299 195 100 111 25 345 225 104 117 32 354 230 104 117 40 373 245 127 153 大 口 径 50 280 127 174 法兰 80 370 252 276 100 370 272 280 150 500 365 400 各部件的作用、所用材料如下：1 表壳、中罩、表玻璃 表壳、中罩、表玻璃和密封垫圈一起组成一密封体，使表壳内被测水不致渗漏至表外。按国家标准规定，水表应能承受水压1.6MPa、持续15min和水压2.0MPa、持续1min的压力试验。因此，表壳、中罩和表玻璃均应满足上述要求。 表壳材料一般采用灰铸铁(HT l50，见GB 9436—1988)或铸造铅黄铜(ZcuZn40Pb2，见GB ll76—1987)。中罩材料一般采用铸造铅黄铜(ZcuZn40Pb2，见GB 1176—1987)。表玻璃应采用符合JB/T 8480—1996的钢化玻璃。2 计量机构 计量机构主要由齿轮盒、叶轮盒、整体叶轮、顶尖、调节板等组成，见图2—3。计量机构是水表的“心脏”，它对水表的计量性能和耐用性起着关键的作用。 
图2—3 旋翼式水表计量机构图
1-齿轮盒：2-整体叶轮；3-叶轮盒；4-顶尖，5-调节板
(1)齿轮盒
计数器置于齿轮盒中，与齿轮盒上部的内孔相配合。齿轮盒下部有一凸台，与叶轮盒相配合。齿轮盒在旋翼多流水表的机芯中，起着承下启上的作用。为此，要求齿轮盒上部内孔与下部凸台间应有良好的同轴度。另外，齿轮盒外壁应有定位线或底部有定位键，以保证与叶轮盒配合时的定位要求，从而确保性能的稳定。 旋翼式水表的齿轮盒底部一般均有三条左右的固定筋，其主要作用是，当水表在大流量运转时，对叶轮旋转起阻尼作用，以改善水表在大流量区域的性能曲线。因为当很小的流量通过水表时，其流速很低，水流的动能极小，不足以克服叶轮的惯性，故叶轮未转动。待稍加大流速，叶轮虽转动，但不能准确计量，故最小流量以下的流量范围水表呈偏慢的现象。此后逐渐加大流速，水表向快的趋势发展，如果没有齿轮盒上的筋加以阻尼，则这种趋势将会持续下去，直至偏快10％～15％左右后(与有筋阻尼相比较)，其性能曲线才会趋向平稳。 水流从叶轮盒进水孔流人后，一方面驱动叶轮旋转，另一方面水流本身呈螺旋形上升，并从叶轮盒出水孔排出。在小流量时，因水流流速低，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙处的水流呈层流状态，水的粘性作用占主要地位，齿轮盒上的筋对叶轮转速无影响。当流速大到一定程度时(一般为0.7m／s左右)，间隙处水流从层流过渡到湍流，造成齿轮盒若干条筋的下方产生旋涡，使叶轮转速有所减低。同时，因流速增大，在叶轮盒内呈螺旋上升的水流，有一部分冲到齿轮盒筋反射回来，其方向却与叶轮旋转方向相反，故又使叶轮转速降低，使水表不致于出现没有齿轮盒筋那样快10％～15％后才使误差趋向平稳的现象。变化示意见图2—4。
图2—4 齿轮筋对性能曲线的影响
齿轮盒底部装有三块可任意调节角度的调节板，其作用是通过调整调节板角度，以改变水流从调节板反射回来时反作用力的大小，即改变水流对叶轮转速阻尼力的大小，达到调节大流量区域误差的目的。这种调节对小流量区域影响不大。 (2)叶轮盒 叶轮盒是计量机构中最关键的部件。叶轮盒上部内孔与齿轮盒下台肩相配合。在叶轮盒低部中心一般有一螺孔，与顶尖相配合。但有些水表不用螺纹配合，而采取过盈配合，将顶尖用力压人。叶轮盒上部内孔与顶尖应具有良好的同轴度。 在叶轮盒四周有两排斜孔，下排为进水孔，上排为出水孔，前者比后者对水表计量特性与压力损失的影响，更为至关重要。进水孔一般在叶轮盒注塑时一次成型为矩形孔或长方孔。进水孔可以均匀分布于叶轮盒的四周，也可在叶轮盒四周呈对称排列。 叶轮盒底部有若干条筋(一般为3条或6条)，与齿轮盒上的筋作用相仿，主要是对水表在小流量区域运转时，使水流对叶轮转速产生阻尼。因此，调整叶轮下平面与叶轮盒筋之间的间隙，将会对小流量区域的示值误差产生影响。同时，当用水设备一旦关闭，水流不再流经水表时，由于筋的阻尼作用，能较快地克服叶轮的惯性，使其迅速停止转动，达到准确计量的目的。 对于内部调节式水表而言，在叶轮盒底部有若干个调节孔，如LXS-15C～20C水表的叶轮盒底部，均布有三排、每排二只的调节孔。调节孔有斜孔和直孔两种，如两者截面积相同，则后者比前者具有更大的调节功能，同时，在误差调节时，直孔比斜孔显得更敏感，在微量调节时比较难掌握。 (3)叶轮 无论是整体叶轮，或是组合叶轮，均要求叶轮上端的轴与下部的叶轮衬套孔(甚至玛瑙轴承窝)之间，应有良好的同轴度。 旋翼式水表所用的叶轮的形状为直板形。叶轮受到水流冲击后旋转，与叶轮轴和轴上的中心齿轮同时转动。 对于大多数水表来说，在常用流量时，水表叶轮的转速，一般在750—900r／min。所以希望叶轮具有较好的动平衡性能，以减少运动副之间的磨损，提高水表使用寿命。 (4)顶尖 顶尖安装在叶轮盒底部的中心，在叶轮轴的下部，用于支撑叶轮转动。顶尖的最上尖部与叶轮轴的下端凹轴承直接形成点滑动接触，以便使叶轮转动更加灵敏。除了顶尖头、轴与螺纹间应具有良好的同轴度外，顶尖头的材质应具有很高的耐磨性能，一般以特殊配方的硬质橡胶棒、聚甲醛等材料较佳。值得注意的是，不能片面追求水表的灵敏度(始动流量值)而将顶尖头做成很尖。否则，经短时间使用，顶尖头即会磨损，使水表出现大流量区域变快、最小流量时变慢的情况。这是因为在上述两种流量下，叶轮旋转时呈下沉状态，即叶轮玛瑙轴承与顶尖头相接触，叶轮上平面与齿轮盒筋的间隙增大，水流对叶轮转速的阻尼减小，水表在大流量区域变快。而小流量时，叶轮下平面与叶轮盒筋的间隙减小，水流对叶轮转速的阻尼增大。同时，顶尖头的磨损，使叶轮与顶尖的磨擦阻力增大，在两者的共同作用下，即造成水表在最小流量时变慢和始动流量值增大。如果顶尖头严重磨损，即使在大流量情况下，其磨擦阻力的影响会达到或超过水流对叶轮转速阻尼减小的影响，水表在大流量时的误差又会恢复到准确或变慢。 3 计数机构 计数机构常称为计数器，常见的形式有指针式、字轮式和指针字轮组合式。 (1)指针式计数机构 指针式计数机构一般由上夹板、下夹板、托板、齿轮级、标度盘、指针、圆指针及螺钉等组成。 a．上夹板、下夹板 夹板、下夹板和托板三者(有些产品将下夹板和托板合二为一)组成齿轮架，齿轮组被夹持在其中。上、下夹板上相对应序号的轴孔投影，应分别重合。齿轮在齿轮架中的上、下窜量应保持在0．6—0．8mm之间，若窜量过小，当上夹板一旦变形下凸时就会将齿轮上、下夹紧，齿轮组传动阻力就增大，水表的始动流量和最小流量下的误差就达不到要求。上夹板下面中心有一凸台，其中有一孔与叶轮上端的光轴组成运动副。上夹板中心孔与其外圆(与齿轮盒配合处)要求具有良好的同轴度。 b．齿轮齿轮组起着变速和计数作用。公称口径15～50mm水表的齿轮组，均由17只齿轮组成。公称口径80～150mm旋翼式水表的齿轮组由18个齿轮组成。图2-5为LXS-15C～25C水表的齿轮排列图。如图所示，叶轮轴上的中心齿轮与第一位齿轮相啮合,齿轮组将叶轮转数记录下来，通过指针在度盘上指示出流经水表的水量。齿轮组的前三位齿轮为变速齿轮，起变速作用。自第三位(即第一位红针的)齿轮的主动轮(即小齿)起，直到末位齿轮止，起计数作用，称为计数齿轮，其相邻的两指针的齿轮间，其速比均为10:1，由此构成连续十进位方式。
齿轮排列展开图
图2-5 LXS-15C～25C水表的齿轮排列图和标度盘
1-螺钉；2-圆指针；3-指针；4～10-齿轮；11-标度盘；12-上夹板；13-下夹板；14-托板；15-螺钉
不同规格的水表，在通过等量水体积的情况下，其叶轮与第一位指针的转数比是不同的。变速齿轮的作用是通过其主、被动轮的齿数变化，取得不同的速成比而满足不同规格水表的需要，从而可最大限度地提高上、下夹板、度盘等零部件的通用化程度。
习惯上将水表第一位红指针转一圈与其叶轮的转数之比，称为该水表的减速比i。这一减速比为主动轮齿数与被动轮齿数之比。LXS-15C，20C，25C，40C的i值分别为1：29．6，1：22．5，1：15．577，1：35．38，LXS-80。100，150的i值分别为1：100．905、1：61．1819、1：24．716。从这些减速比值，可计算出各种规格水表在各种流量下的叶轮转速。例如，要计算LXS一15C水表在常用流量(1．5m3／h)下的叶轮每分钟转速时，可按下式计算：
同理，可得到LXS一20C，25C，40C规格的水表在常用流量下的叶轮转速为937．5，908．7和589．67r／rain。
c．标度盘
标度盘的分格，一要满足检定时的分辨率要求，二要满足在水表正常的使用年限内水表的显示数不返回零。
1m3及其倍数的指针和度盘用黑色，1m3以下的用红色。
规程JJGl62—1985和标准GB／T778—1996规定：水表最小分度值(水表标准称为检定
分格值)应满足检定时的准确度不低于o．5％(每一次读数允许有不超过1／2最小分度值的允许读数误差)，以及最小流量检定所需时间不应超过1h30min；应能在不越过零的情况下记录下相当于在常用流量下工作至少1999h的以立方米表示的用水量体积。
说明：国际建议OIMLR49一l：2000(E) 中的表述为“检定标尺的分格值，应足够小以保证指示装置的分辨率误差不大于最小流量Ql下运行lh30min的实际体积的0．5％(对2级表)”，这样的表述更准确。
LXS-15C～25C水表的标度盘如图。2—6所示。在水表检定时，要注意最小分格值的读数，见图2—6所示。水表最小位圆标度的主分格值为0．0001m‘(或称0．11)，其间一分为二作为细分格，则成为检定分格或最小分度值0．00005 m3。根据人机工程学原理，为取得较快的读数，采取二步内插法，即根据目测，将细分格再假想插入一条等分中线。如果指针指向小于(或等于)细分格中的假想中线，则读取下限分格值，如图2—6(a)应读作0．00005 m3，如果指针指向大于(或等于)细分格中的假想中线，则读取上限分格值，如图2—6(b)中应读为0．00010m3。
图2-6 水表标度盘读数
检定分格值、检定用水量、检定所需时间三者互为联系、互相牵制，在水表的检定分格值设计、检定用水量的确定及水表检定装置的量器量限设计时都需考虑。检定分格值应符合表2-2的要求。水表的十进位数应符合表2-3的要求。
表2—2 水表的检定分格值
最小流量qmin／(m3／h) 检定分格的最大值／m3 0.0226≤qmin |
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