CN103940482B - 科里奥利粉体质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明科里奥利粉体质量流量计涉及一种测量流体或流动固体材料质量流量的装置，机架上安装有进料装置和出料斗，电动机通过第一外齿轮、内齿轮套、第二外齿轮、太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架和输出轴带动叶轮转动，对粉体物料进行测量，内齿圈与壳体可以相对转动，内齿圈外侧设挡块，壳体内壁设凹槽，挡块伸入凹槽中，挡块右侧安装压电式传感器，通过压电式传感器测量内齿圈的扭矩，计算输出轴的扭矩，进而确定经过流量计的粉体物料流量。其目的是为了提供一种简化了传动系统、减小了尺寸，而且扭矩测量原理简单可靠、受环境影响小、维护简单方便、可进行动态扭矩测量的性能好、使用寿命长的科里奥利粉体质量流量计。

Description

科里奥利粉体质量流量计

技术领域

本发明涉及一种测量流体或流动固体材料质量流量的装置，特别是涉及一种靠测量赋予旋转运动的液流的压力、力、动量或频率操作的科里奥利或回转质量流量计。

背景技术

目前，粉体质量流量计主要有皮带秤、失重秤、转子秤、冲击式流量计和科里奥利流量计等几种形式。皮带秤和转子秤的测量精度不高；失重秤和冲击式流量计在应用时不可避免地存在冲击和测量的间断性；科里奥利流量计被认为是目前较为先进的测量手段，其具有结构简单、工作可靠、计量精度高、无粉尘污染等特点，应用越来越广泛。公告号为CN2593163Y的中国实用新型专利中公开了一种连续型粉体物料流量计，其利用科里奥利原理测量粉体物料流量，主要由减速电动机、转速转矩传感器、传动轴、叶轮、壳体等组成，传动轴铅垂布置，叶轮安装在传动轴上，减速电动机通过转速转矩传感器带动传动轴转动，叶轮与传动轴一起旋转，并对粉体物料进行计量。

上述流量计的不足之处在于：

(1)进行大流量粉体物料计量时，减速电动机的减速比不能满足设计要求；

(2)随着时间的推移，粉尘会进入传动轴下端的轴承中，增大了传动轴的旋转阻力，进而影响流量计的测量准确度，并造成轴承过早失效；

(3)现有转速转矩传感器的动态性能较低，当喂料不均时，测量系统会产生较大波动；

(4)由于扭矩传感器的存在，加上两个联轴器，使得整个装置在垂直方向尺寸比较大，运行过程中经常出现晃动，加剧了轴承的磨损，影响了流量计的寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简化了传动系统、减小了尺寸，而且扭矩测量原理简单可靠、受环境影响小、维护简单方便、可进行动态扭矩测量的性能好、使用寿命长的科里奥利粉体质量流量计。

本发明科里奥利粉体质量流量计，包括机架，所述机架上设有安装板，所述安装板的上方连接进料装置，下方连接集料斗，所述机架下方安装出料斗，所述进料装置内设有电动机，所述电动机的下方设有行星齿轮减速器，

所述行星齿轮减速器包括内齿轮套、壳体，沿铅垂方向布置的所述电动机的输出轴伸入所述内齿轮套内，所述电动机上的第一外齿轮位于所述内齿轮套内且与所述内齿轮套啮合，所述壳体内设有水平布置的内齿圈，所述内齿圈内设有与其啮合的水平布置的行星轮，所述行星轮支撑在行星架上，所述壳体的中心处设有水平布置的且与所述行星轮啮合的太阳轮，所述太阳轮和所述第一外齿轮中间设第二外齿轮，所述太阳轮通过所述第二外齿轮与所述内齿轮套连接，其中：所述行星齿轮减速器还包括固定在所述壳体下方的下端盖，所述下端盖与所述内齿圈的相邻面上分布有凹陷的盲孔，所述盲孔中设有钢球，所述钢球沿垂直方向的最大高度大于所述盲孔沿垂直方向的最大孔深，且所述钢球和所述盲孔间隙配合，

所述内齿圈的外侧面上固设向外突出的挡块，所述挡块的中心、所述内齿圈的中心、所述太阳轮的轴线位于同一铅垂面上，与所述挡块临近的壳体的内壁上开有凹槽，所述挡块伸入到所述凹槽中，所述挡块的右侧安装有压电式传感器，所述压电式传感器通过第一信号电缆依次连接电荷放大器和信号处理器，

所述下端盖的下端面上设有凸台，光电传感器固定安装在所述下端面上，所述光电传感器通过第二信号电缆连接信号处理器，

所述行星齿轮减速器还包括输出轴，所述输出轴的下端安装有叶轮，所述叶轮位于所述集料斗和所述出料斗之间。

本发明科里奥利粉体质量流量计与现有技术不同之处在于：

(1)取消减速电动机，采用电动机加行星齿轮减速器的传动方案；

(2)取消传动轴，将叶轮直接安装在行星齿轮减速器的输出轴上；

(3)内齿圈未固定在下端盖上，而是通过盲孔和钢球浮动布置在下端盖上；

(4)取消转速转矩传感器，通过测量行星齿轮减速器中内齿圈的扭矩来计算输出轴的扭矩。

本发明科里奥利粉体质量流量计测量粉体物料质量的方法是：内齿圈转动时压电式传感器测得内齿圈的周向力，该周向力反映了内齿圈的扭矩，根据行星齿轮传动理论，由内齿圈的扭矩计算输出轴的扭矩，再根据科里奥利原理，计算出经过叶轮的粉体物料质量。本发明科里奥利粉体质量流量计与现有技术相比，至少具有以下优点：

(1)电动机加行星齿轮减速器的传动方案，克服了进行大流量粉体物料计量时，减速电动机减速比不能满足设计要求的缺陷；

(2)取消传动轴，使行星齿轮减速器之外没有轴承，彻底解决了粉尘对轴承的影响；

(3)内齿圈处于径向浮动状态，有利于行星齿轮的载荷均衡，而且内齿圈浮动布置在下端盖上，内齿圈和下端盖之间不会产生摩擦，有效地避免了因摩擦影响传感器的检测结果；

(4)取消了转速转矩传感器，简化了动力传动系统，减小了流量计整体在垂直方向的尺寸，经过计算，同等电动机功率下，尺寸减小30％以上，而且，相比现有的扭矩传感器，本发明科里奥利粉体质量流量计的扭矩测量原理简单可靠，受环境影响小，维护简单方便，可进行动态扭矩测量。

作为进一步的改进，所述挡块的左侧表面与所述壳体的内壁之间安装有弹簧，缓冲内齿圈转动时产生的冲击力，避免因此影响传感器的检测精度。

作为再进一步的改进，所述挡块的根部和所述壳体的内壁之间的缝隙内安装有挡油板，所述挡油板能够完全覆盖所述凹槽。挡油板将凹槽完全覆盖，可以避免齿轮飞转时油通过缝隙飞溅到传感器上，影响传感器的灵敏度，进而影响扭矩检测精度，最终影响流量计的测量结果。

为了起到更好的防尘、隔油作用，防止灰尘和油影响测量结果，所述凹槽外侧的槽口上设有完全覆盖所述槽口的盖板。所述输出轴的轴承上加设有轴承盖，所述轴承盖中安装有油封和防尘圈。

同样，为了避免粉体沿输出轴外周的缝隙向上飞散，所述输出轴上套设有密封圈，所述密封圈位于所述轴承盖下方且嵌入所述安装板内。

本发明科里奥利粉体质量流量计，其中所述钢球沿垂直方向的高度比所述盲孔沿垂直方向的孔深高3mm。此时，内齿圈的稳定性更好，转动时不易沿输入轴的轴向发生位移，避免了因此使传感器测量结果不准确。特别是所述下端盖上至少均匀分布3对所述盲孔和钢球时，内齿圈在垂直方向上的稳定性更好，传感器的检测效果更好。

本发明科里奥利粉体质量流量计，其中所述输出轴通过齿轮花键与所述行星架连接，对中性更好，传递力矩也更均匀。

本发明科里奥利粉体质量流量计，其中所述压电式传感器的压电材料为压电单晶体或多晶压电陶瓷。压电式传感器频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻，能大大提高扭矩检测的检测精度和工作效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的科里奥利粉体质量流量计作进一步说明

图1为本发明科里奥利粉体质量流量计的主视剖视图。

图2为图1中B处的局部放大图；

图3为沿图1中的A—A线的局部剖视图；

图4为图3中C处的局部放大图；

图5为图1中D处的局部放大图；

图6沿图1中的B—B线的局部剖视图；

图7为科里奥利固体流量测量原理示意图。

具体实施方式

如图1、图3所示，本发明科里奥利粉体质量流量计，包括机架23，机架23上设有安装板1，安装板1的上方连接进料装置9，下方连接集料斗21，机架23下方安装出料斗24。进料装置9内还设有行星齿轮减速器32，安装板1上方中间位置安装行星齿轮减速器32的下端盖3，下端盖3上方依次安装行星齿轮减速器32的壳体4和上端盖6，上端盖6的上方安装电动机8，上端盖6的中间安装有内齿轮套7，电动机8的输出轴(图中未绘示)穿过内齿轮套7沿铅垂方向布置，电动机8上的第一外齿轮81位于内齿轮套7内，与内齿轮套7啮合，电动机8通过第一外齿轮81带动内齿轮套7转动。壳体4内设有水平布置的内齿圈5，内齿圈5内设有与其啮合的水平布置的行星轮14，壳体4的中心处设有水平布置的且与行星轮14啮合的太阳轮11，太阳轮11和第一外齿轮81之间设有第二外齿轮111，通过第二外齿轮111与内齿轮套7啮合，将太阳轮11与内齿轮套7连接，内齿轮套7转动时第二外齿轮111随之转动，带动太阳轮11转动，进而驱动相互啮合的行星轮14和内齿圈5转动。行星轮14通过行星轮轴12支撑在行星架16上，行星架16通过第一轴承161支撑在上端盖6和下端盖3上，下端盖3中间安装有输出轴17，输出轴17的下端安装有叶轮22，叶轮22位于集料斗21和出料斗24之间。优选的，输出轴17可以通过齿轮花键171与行星架16连接，以便获得较好的对中性，使力矩的传递更均匀。

再如图2所示，下端盖3与内齿圈5的相邻面上分布有凹陷的盲孔301，盲孔301中设有钢球15，钢球15沿垂直方向的最大高度大于盲孔301沿垂直方向的最大孔深，钢球15的一部分露出盲孔301外，且钢球15和盲孔301间隙配合，优选的，钢球15沿垂直方向的最大高度比盲孔301沿垂直方向的最大孔深高3mm，此时，内齿圈5较稳定，不会因离下端盖3太近而碰到下端盖3，也不会因离下端盖3太远而增加行星齿轮减速器32在轴向的尺寸。更优选的，下端盖3上均匀分布3对盲孔301和钢球15时，内齿圈5在垂直方向上的稳定性更好，传感器的检测效果更好。上述盲孔301和钢球15的数量并不以3对为限，可以根据实际需求增加。

再如图3、图4所示，内齿圈5的外侧面上固设向外突出的挡块27，挡块27的中心、内齿圈5的中心、太阳轮的轴线位于同一铅垂面上，与挡块27临近的壳体4的内壁上开有凹槽41，挡块27伸入到凹槽41中，挡块27的右侧安装有压电式传感器31，压电式传感器31通过第一信号电缆311依次连接电荷放大器29和信号处理器30。

再如图5、图6所示，下端盖3的下端面上固定设有凸台302，凸台302的底面和安装板1接触，光电传感器33固定在下端盖3的下端面上，光电传感器33的电信号通过第二信号电缆331传输至信号处理器30，用于测量输出轴17的转速，此处光电传感器33测转速的方法与现有技术相同，故不赘述。其中，凸台302设置2个或4个最好，也可以根据实际测量需求或安装条件增加。

本发明科里奥利粉体质量流量计的工作原理是：电动机8通过第一外齿轮81、内齿轮套7、第二外齿轮111带动太阳轮11、行星轮14转动，最终带动内齿圈5转动，内齿圈5转动时，挡块27会压迫压电式传感器31，压电式传感器31因此测得内齿圈5的扭矩大小。同时，行星轮14围绕太阳轮11公转，带动行星架16转动，进而带动输出轴17转动，叶轮22与输出轴17一起转动，对粉体物料进行计量。物料从进料装置9进入流量计，经叶轮22计量后，由集料斗21收集，再经出料斗24流出流量计。根据科里奥利原理，经过叶轮22的粉体物料质量与输出轴17的扭矩成正比，根据行星齿轮传动理论，输出轴17的扭矩与内齿圈5的扭矩成正比，因此，测得内齿圈5的扭矩，即可计算输出轴17的扭矩，进而确定经过流量计的粉体物料流量，而压电式传感器31直接反映了内齿圈5的扭矩大小，其输出信号经过电荷放大器29和信号处理器30进一步处理后，可对喂料机构进行控制。

下面结合图7，对科里奥利(CORIOLIS)固体质量流量测量原理进行说明：

颗粒m的绝对加速度组成如下：

a＝a_e+a_r+a_k＝a_en+a_eτ+a_rn+a_rτ+a_k

式中a_e为牵连加速度，a_r为相对加速度，a_k为科氏加速度；

a_en、a_eτ分别为a_e的法向分量和切向分量；

a_rn、a_rτ分别为a_r的法向分量和切向分量。

因为叶轮22匀速转动且颗粒做径向直线运动,故a_eτ和a_rn均为零，上式简化为：

a＝a_en+a_rτ+a_k

在a的组成中,a_en和a_rτ均为径向分量,仅a_k为切向分量。可见，叶轮(主要指叶片)作用于颗粒的切向力都用于产生科氏加速度a_k，且a_k仅由此切向力而产生，此切向力就是科氏力F_k。

颗粒m对叶轮的切向反作用力(简称科氏反力)-F_k,对轴心有力矩(科氏反力矩)作用。理想条件下，物料(颗粒群)对叶轮作用的力矩就是所有颗粒科氏反力的合力矩。由于物料的科氏反力矩较容易通过主轴扭矩的测量而得到，故科氏固体流量计都是采用扭矩测量方式。

科氏反力力矩与被测流量关系计算公式如下:

$q_m=\frac{M}{\mathrm{\ω}{R}^2}$

式中，q_m为颗粒群的质量流量，单位为kg/s；

M为科氏反力力矩，单位为Nm；

ω为叶轮角速度，单位为rad/s；

R为叶轮半径，单位为m。

如图4所示，为缓冲内齿圈5转动时产生的冲击力，挡块27的左侧表面与壳体4的内壁之间安装弹簧26。为防尘、隔油，挡块27的根部271和壳体4的内壁之间的缝隙内安装有挡油板25，挡油板25的面积大于凹槽口的面积，将凹槽41完全覆盖。为增强防尘效果，凹槽41外侧的槽口上也设有面积大于外侧槽口，将外侧槽口完全覆盖的盖板28。

如图1、图5所示，为防止油液外泄以及粉尘进入行星齿轮减速器32，输出轴17的轴承上加设有轴承盖20，轴承盖20中安装有油封18和防尘圈19。为加强密封效果，输出轴17上套设有密封圈2，密封圈2位于轴承盖20下方且嵌入安装板1内。

优选的，本发明科里奥利粉体质量流量计中的压电式传感器31的压电材料可以选用如石英、酒石酸钾钠等压电单晶体，也可以选用多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，还可以选用新型的高分子物性型传感材料聚偏二氟乙烯(PVDF)。

综上所述，本发明科里奥利粉体质量流量计将行星齿轮减速器与扭矩传感器合二为一，省去了专门的扭矩传感器，简化了动力传动系统，并且扭矩测量原理简单可靠，大大提高了动态扭矩测量的准确性，可广泛应用于各类粉体物料的计量系统中。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.科里奥利粉体质量流量计，包括机架(23)，所述机架(23)上设有安装板(1)，所述安装板(1)的上方连接进料装置(9)，下方连接集料斗(21)，所述机架(23)下方安装出料斗(24)，所述进料装置(9)内设有电动机(8)，所述电动机(8)的下方设有行星齿轮减速器(32)，

所述行星齿轮减速器(32)包括内齿轮套(7)、壳体(4)，沿铅垂方向布置的所述电动机(8)的输出轴伸入所述内齿轮套(7)内，所述电动机(8)上的第一外齿轮(81)位于所述内齿轮套(7)内且与所述内齿轮套(7)啮合，所述壳体(4)内设有水平布置的内齿圈(5)，所述内齿圈(5)内设有与其啮合的水平布置的行星轮(14)，所述行星轮(14)支撑在行星架(16)上，所述壳体(4)的中心处设有水平布置的且与所述行星轮(14)啮合的太阳轮(11)，所述太阳轮(11)和所述第一外齿轮(81)中间设第二外齿轮(111)，所述太阳轮(11)通过所述第二外齿轮(111)与所述内齿轮套(7)连接，

其特征在于：所述行星齿轮减速器(32)还包括固定在所述壳体(4)下方的下端盖(3)，所述下端盖(3)与所述内齿圈(5)的相邻面上分布有凹陷的盲孔(301)，所述盲孔(301)中设有钢球(15)，所述钢球(15)沿垂直方向的最大高度大于所述盲孔(301)沿垂直方向的最大孔深，且所述钢球(15)和所述盲孔(301)间隙配合，

所述内齿圈(5)的外侧面上固设向外突出的挡块(27)，所述挡块(27)的中心、所述内齿圈(5)的中心、所述太阳轮(11)的轴线位于同一铅垂面上，与所述挡块(27)临近的壳体(4)的内壁上开有凹槽(41)，所述挡块(27)伸入到所述凹槽(41)中，所述挡块(27)的右侧安装有压电式传感器(31)，所述压电式传感器(31)通过第一信号电缆(311)依次连接电荷放大器(29)和信号处理器(30)，

所述下端盖(3)的下端面上设有凸台(302)，光电传感器(33)固定安装在所述下端面上，所述光电传感器(33)通过第二信号电缆(331)连接信号处理器(30)，

所述行星齿轮减速器(32)还包括输出轴(17)，所述输出轴(17)的下端安装有叶轮(22)，所述叶轮(22)位于所述集料斗(21)和所述出料斗(24)之间。

2.根据权利要求1所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述挡块(27)的左侧表面与所述壳体(4)的内壁之间安装有弹簧(26)。

3.根据权利要求2所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述挡块(27)的根部(271)和所述壳体(4)的内壁之间的缝隙内安装有挡油板(25)，所述挡油板(25)能够完全覆盖所述凹槽(41)。

4.根据权利要求3所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述凹槽(41)外侧的槽口上设有完全覆盖所述槽口的盖板(28)。

5.根据权利要求4所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述输出轴(17)的轴承上加设有轴承盖(20)，所述轴承盖(20)中安装有油封(18)和防尘圈(19)。

6.根据权利要求5所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述输出轴(17)上套设有密封圈(2)，所述密封圈(2)位于所述轴承盖(20)下方且嵌入所述安装板(1)内。

7.根据权利要求6所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述钢球(15)沿垂直方向的高度比所述盲孔(301)沿垂直方向的孔深高3mm。

8.根据权利要求7所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述下端盖(3)上至少均匀分布3对所述盲孔(301)和钢球(15)。

9.根据权利要求8所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述输出轴(17)通过齿轮花键(171)与所述行星架(16)连接。

10.根据权利要求9所述的科里奥利粉体质量流量计，其特征在于：所述压电式传感器(31)的压电材料为压电单晶体或多晶压电陶瓷。