活塞表设计

旋转活塞式水表的设计方法

摘要：本文介绍了旋转活塞式水表的工作原理，分析了计量腔参数间的关系，给出了结构常数K值,提出了设计方法

关键词：水表旋转活塞结构常数K 设计方法

一、工作原理

本厂研制的旋转活塞式水表是容积式水表的一种，通过计量水流过一定容积的数目来计算累计流过的水流量。其计量腔原理图如下：

活塞内外壁将计量腔分成内外两个计量腔，隔板又将计量腔分成高压部分（接进口）和低压部分（接出口）。在此压差下，每个计量部分的容积随着活塞的运动周期地变化，完成进、排水的计量工作。

二、活塞的运动分析

由计量机构的工作过程可以看出，活塞运动可简化为曲柄滑块机构。假设活塞壁厚为零,质量为零的理想环，水为理想流体，则水流经计量腔时仅受导向作用，无容积排挤效应，进出水口的平均流速不受影响。因而在此情况下，如果管道中的流动是稳定的，则活塞转动也是匀速的。

从以上分析可知，在理想情况下，活塞的运动是曲柄连杆机构中，曲柄匀速转动时的连杆的运动.

但实际上活塞总有一定的壁厚和质量，水也不是理想的流体，因而导致活塞运动呈周期变化，这是有待进一步研究的课题。

三、水表转速与计量腔尺寸的关系

1．计量腔的尺寸匹配

图1为计量腔横截面示图，各尺寸关系为 r1=r0+r2①

R2=R1-r0 ②

δ=R1-r2-2r0 ③

单位高度容积为V =πR12-πR22+πr12-πr22

=2πR1r0+2πr2r0≤2πR1r0+πr22+πr02

设定Vm=2πR1r0+2πr22 （r0=r2时取极值）

在此条件下（r0=r2），将③代入上式得

Vm= 8π R12 - 24π R1δ+ 2πδ2

9 9 9

此函数的曲线如右图2

实际情况要求0≤δ≤R

1

所以当δ=0时，Vm取得最大值Vmax：

Vmax= 8π R12

9

又∵当δ=0时，8π R12 =πR12–πR22

9

∴r2=1/3R1

由以上分析可知，当r2=1/3R1，δ=0时，计量腔容积最大。

2.水表传动比与活塞高度b以及计量腔外壁半径R1的关系：

（1）在理想情况下，Vmax= 8/9πR12b（b为活塞的高度），此值也等于单位转数的流量。

则首位指针前的传动比 i= 0.001

8/

9πR1

2b

（2）实际上，活塞体积和间隙的泄漏都不能忽视，故引入排挤系数和泄漏系数

排挤系数ξ= 活塞体积泄漏系数f= 实际流过体积

活塞腔容积理论体积

则i= 0.001 整理成 i= 0.001 . 1

8/

9πR12b（1- ξ）f 8/

9π（1- ξ）f R1

2b

令K= 0.001

8/

9π（1-ξ）f

得i=K 1

R12b

上式称为活塞表基本关系式，实践证明，系数K是一个常数，它的值大约在

0.000466~~0.00053之间，我们称K为活塞表的结构常数。

3.活塞高度b和计量腔外壁半径R1的关系:

活塞高度的确定应以活塞腔纵切面过流面接近正方形为原则,即b≈R1-r2

四、设计方法

活塞表基本关系式实际上反映了计量尺寸和活塞转速之间的内在规律。由此我们可

以得出设计活塞表的两种方法。

a．首先选定活塞转速，然后利用基本关系式算出计量腔结构参数。

b．首先确定计量腔结构参数，然后计算活塞的转速以及传动比。

本厂设计活塞表时，采用了第二种方法，首先取活塞腔进口面积，约为水表口径的0.8倍，以便保证压损不致超过标准要求。以此为基础确定结构参数为R1=31.75，R2=24.15，r1=13.5，b=29.3。

活塞腔容积为V=π（R

12-R

2

2+r

1

2-r

2

2）（H-0.003）

=6.00479 ⅹ 10-5 m 3

传动比为 i= 10-3 = 16.65

6.00479 ⅹ 10-5

结构常数K= iR

1

2b=0.000492

结构系数在允许的范围之间，可以认为结构参数的选取是合理的。实际生产也证明设计是成功的。