提升农用灌溉水表性能的研究*

杨进意

(1.同济大学，上海 200092；2.宁波水表股份有限公司，宁波 315032)

0 引言

新实施的水表国家标准，流量特性由自定的Q3和量程比R=Q3/Q1两个数值来表示，同时缩小了低区流量测量范围。它的实施充分体现了水表技术进步、水计量管理、市场竞争的发展趋势，有利于提升水表的性能水平，扩大产品适用性，但也对水表设计带来了新的挑战。对水表生产厂家来说，既是商机也是危机，促使他们加快技术改革的步伐。

对于特定的一款表，在常用流量Q3确定的情况下，要想提升水表的性能即获得大量程比，就要使最小流量Q1尽量小，而始动流量在某种程度上决定了它的最小流量测量特性。基于低设计成本、低开模费用的设计理念，本研究将在原有农用灌溉水表的基础上，利用静平衡原理对叶轮结构进行改进，从而获得较低的始动流量提升水表的性能，达到新国家标准的要求。

1 原农用表的叶轮及流量特性

1.1 叶轮结构及特点

不锈钢叶轮轴作为嵌件与叶片一次注塑成型成为一体，将叶轮放入水中后会下沉到底，说明它的综合密度大于1，是沉体。沉体的受力情况如图1a，重力W大于浮力Fb，重心G位于浮心C下方。

图1 原叶轮受力图

当把综合密度大于1的叶轮装入水表后，因为受到轴承的约束，使叶轮轴处于水平状态，见图1b。此时，叶轮受到的重力W和浮力Fb构成一倾倒力偶，使叶轮倾斜，增大了叶轮轴与轴承的摩擦副之间的摩擦系数。这个摩擦系数越大，使叶轮开始慢慢转动并带动灵敏指针平稳、均匀地转动所需的最小流量值越大，这个最小流量值就是始动流量。

1.2 流量特性

水表的流量特性可以体现在它的流量误差特性曲线上，该曲线是以流量为横坐标，以示值误差为纵坐标绘制而成。原农用表的流量误差特性曲线见图2，其中qmin、qt、qp、qs分别为老标准的最小流量、分界流量、常用流量和最大流量，q1、q2、q3、q4分别为新标准的最小流量、分界流量、常用流量和最大流量。英国标准BS EN 14268-2005《灌溉技术-灌溉用水表》中规定，当量程比达到R25及以上时，可以在水表的度盘上显示B级标识，所以本研究的预期目标量程比达到R25(现有的农用灌溉水表的量程比为R12.5)。

图2 原农用表的流量误差特性曲线

该流量误差特性曲线的特征是：在小流量时误差急剧偏负；随着流量增至分界流量附近，误差曲线快速向正向移动，并达到一个峰值；当流量继续增大时，误差曲线又向负方向偏移。根据现行水表的误差标准：包括分界流量点在内到最大流量的误差范围为-2%～+2%，小于分界流量点误差范围为-5%～+5%，从图2中可知，符合老标准要求的农用表，做新标准流量测试时，因为量程比的扩大，最小流量点从qmin左移到q1点，此时曲线在q1点的误差就超过-5%～+5%范围，达不到新标准的要求。

2 新叶轮设计及流量特性

要让最小流量q1的误差达到新标准的要求，必须让水表有较高的测量灵敏阀(即有很小的始动流量值)，因为始动流量在某种程度上决定了它的最小流量测量特性。降低水表始动流量值的方法有很多，主要有尽量减少机械阻力和水力阻抗、增加水对叶轮的冲击力。本研究主要利用静平衡原理对叶轮结构进行改进，减小摩擦副之间的摩擦系数来实现减少机械阻力的目的(轴孔间的摩擦力)。

2.1 静平衡原理

浸入静止水中的叶轮，当重力等于浮力时，它将悬浮在水中，成为潜体；如果要求叶轮在水中不发生转动，还必须满足重力和浮力对任何一点的力矩的代数和为零，即重心和浮心在同一条铅直线上。设计水表时，为了使转动的不平衡量减小到最小，叶轮的形状是呈中心对称，因此叶轮轴水平放置后，叶轮的重心和浮心是在同一条水平线上。所以，要想达到静平衡，新设计的农用表叶轮必须满足：1)重力等于浮力，2)重心和浮心重合，如图3。

图3 静平衡原理图

2.2 结构设计

基于低设计成本、低开模费用的设计理念，在保留原有农用灌溉水表的大部分零部件的前提下，只对叶轮作结构改进，这在一定程度上限制了叶轮的形状和大小。

重力等于浮力，就是要求新设计的叶轮综合密度几乎等于1。因为不锈钢轴密度过大，这时我们可以采用无轴叶轮，即把带轴叶轮改成带孔叶轮，把两端的叶轮轴固定在下支架上，如图4。去除叶轮轴后，接下来再考虑叶轮材料，可采用与水密度接近的工程塑料，如尼龙。

图4 新叶轮结构图

图5

重心是重力作用集中的一点。浮心是浮力的作用点，就是物体浸没部分的几何形心。重心和浮心重合,就是必须满足各零件的重力对浮心的力矩的代数和为零，即W1×L1=W2×L2，如图5所示。C点为整个叶轮的浮心，G1点为叶轮的重心，G2点为叶轮衬套的重心，W1为叶轮的重力，W2为叶轮衬套的重力，L1为叶轮重心到浮心的距离，L2为衬套重心到浮心的距离。

曲线1：新叶轮结构的流量误差特性曲线曲线2：老叶轮结构的流量误差特性曲线图6

叶轮式水表的传统设计方法是建立在实验科学基础之上，在研发人员工作经验积累和现有设计思想指导下，通过对样机的大量反复试验和调整，经历长时间的修正和改进，来实现相对较好的水表性能。但传统设计存在研制周期过长的问题，因此新叶轮的设计，我们采用现代设计方法，应用三维设计软件SolidWorks构建农用灌溉水表的叶轮三维模型，在属性栏中添加各零件的密度，即可方便找到各零件的重心位置，大大缩短产品研发周期。具体操作过程，这里不作详细阐述。

2.3 流量特性和试验结果分析

针对老叶轮结构的农用表和新叶轮结构的农用表，各取样机20只进行下列流量点误差测试，取3次测试结果的平均值作为检测结果绘制流量误差特性曲线，如图6所示。

对曲线进行分析可知，根据静平衡原理对叶轮结构进行改进后，q1点的误差已经符合-5%～+5%范围的要求，而其他各流量点误差基本保持不变。

3 结语

通过对农用灌溉水表叶轮的改进和分析，获得较低的始动流量，不仅提升水表的性能即获得大量程比R，而且为进一步研究叶轮平衡技术奠定了良好的基础。

[1] GB/T 778.1—2007封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表

[2] 詹志杰.水表技术手册.北京：中国计量出版社，2004