克服傳統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)方法的不足，以DNl00彎管流量計(jì)為例，對彎管流量計(jì)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量及其評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究。利用有限元分析軟件ANSYS分析現(xiàn)場環(huán)境溫度、管內(nèi)介質(zhì)溫度和前后直管段長度對彎管流量計(jì)幾何形狀的影響，并得出各工況下的彎管結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及其質(zhì)量指數(shù)的變化規(guī)律?；谟邢拊治龅膹澒芰髁坑?jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)已在某熱電廠得到應(yīng)用，并且取得了預(yù)期的使用效果。

0.引言

目前，傳統(tǒng)的質(zhì)量評價(jià)理論仍然是產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)的主體，它主要是規(guī)定某個(gè)參數(shù)的公差范圍，通過判斷該項(xiàng)參數(shù)是否落在給定區(qū)間內(nèi)來評定產(chǎn)品是否合格：如果參數(shù)落在給定區(qū)間內(nèi)，則一律認(rèn)為產(chǎn)品“合格，否則就不合格。隨著制造技術(shù)的不斷提高，和人們消費(fèi)水平的提高，這種質(zhì)量評價(jià)方法受到了前所未有的挑戰(zhàn)。1996年，Cen Yongting嵋1指出質(zhì)量具有模糊屬性，而且模糊質(zhì)量和清晰質(zhì)量之間可以相互轉(zhuǎn)換。2006年，Li Chaona提出了產(chǎn)品靜態(tài)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)質(zhì)量的概念以及基于模糊數(shù)學(xué)的產(chǎn)品數(shù)字化質(zhì)量評價(jià)體系，認(rèn)為任何產(chǎn)品的質(zhì)量都由靜態(tài)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)質(zhì)量構(gòu)成。靜態(tài)質(zhì)量包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造質(zhì)量，其中，設(shè)計(jì)質(zhì)量指產(chǎn)品的幾何特征參數(shù)設(shè)計(jì)和公差分配等；制造質(zhì)量指實(shí)際制造出的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)指標(biāo)的符合度。動(dòng)態(tài)質(zhì)量指產(chǎn)品在使用過程中受環(huán)境影響所表現(xiàn)出的實(shí)時(shí)質(zhì)量。

彎管流量計(jì)以結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、無附加阻力損失、測量精度高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)而深受用戶的青睞，在冶金、石油和供熱等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。對于彎管流量計(jì)來說，其質(zhì)量也包括靜態(tài)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)質(zhì)量兩個(gè)方面，其中，動(dòng)態(tài)質(zhì)量主要是指彎管在使用過程中，由于受到周圍環(huán)境溫度、管內(nèi)介質(zhì)溫度和安裝位置等因素的影響而產(chǎn)生的質(zhì)量變化。

1.彎管流量計(jì)測量原理

彎管流量計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)的90。彎管作為傳感器件，是一種將流體動(dòng)量轉(zhuǎn)換成壓力的動(dòng)壓式流量儀表。根據(jù)流體強(qiáng)制旋流理論，當(dāng)具有一定流速的流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，流體被迫在彎管內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生慣性離心力。在此離心力的作用下，彎管截面壓力呈不均勻分布，由此在彎管的內(nèi)外側(cè)壁上產(chǎn)生壓力差。經(jīng)理論研究和試驗(yàn)分析，管內(nèi)流體的流速與壓差、流體密度及彎管幾何尺寸有關(guān)，即：

式中：穢為流體的平均速度；口為流量系數(shù)；尺為彎管的曲率半徑；D為彎管的內(nèi)徑；R／D為彎管的彎徑比；△p為彎管內(nèi)外側(cè)壁的壓力差；p。為管內(nèi)流體的密度。、

由此可見，在彎管流量計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定之后，只要測取流體流經(jīng)彎管時(shí)內(nèi)外側(cè)壁的壓力差和流體密度，就可以確定管道內(nèi)流體的平均流速，進(jìn)而計(jì)算出流體的流量H“j。

2.彎管流量計(jì)變形機(jī)理研究

2．1彎管流量計(jì)熱應(yīng)力有限元分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，不同的約束條件將對彎管流量計(jì)的變形產(chǎn)生不同的影響。本文以DNl00彎管流量計(jì)為例，并借助ANSYS軟件平臺(tái)，采用間接耦合方法，對管內(nèi)介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度和前后直管段長度對彎管流量計(jì)變形所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。7J。具體的熱應(yīng)力分析結(jié)果如下。當(dāng)彎管流量計(jì)的環(huán)境溫度正=一30。C、管內(nèi)介質(zhì)溫度疋=20℃，以及前后直管段長度L分別為4D(用4D-4D表示前后兩個(gè)直管段長度均為4D)、8D(8D．8D)、10D(10D一10D)時(shí)，其熱應(yīng)力形變分析圖分別如圖1、圖2、圖3所示。當(dāng)彎管流量計(jì)的環(huán)境溫度TI=20％、管內(nèi)介質(zhì)溫度疋=150％，以及前后直管段長度三分別為40(40-40)、8D(8D．8D)、10D(10D．10D)時(shí)，其熱應(yīng)力形變分析圖分別如圖4、圖5、圖6所示。圖4一圖6中，箭頭表示熱應(yīng)力產(chǎn)生的方向。由圖1～圖3所示可知，不同直管段長度時(shí)彎管流量計(jì)熱應(yīng)力形變***大應(yīng)力值應(yīng)為0．234 698、0．406 939、0．419  143。

由圖1、圖4所示可見，在TI=一30℃和疋=20℃的情況下，整個(gè)彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)發(fā)生收縮變形，在T，=200C和疋=150。C的情況下則發(fā)生膨脹變形。由于直管段長度尺寸較短，前后直管段長度對彎管的熱變形影響較小。此時(shí)，彎管流量計(jì)的彎管段上各點(diǎn)的位移不均勻，因此彎管將產(chǎn)生較大且復(fù)雜的變形：在正=一300C和疋=200C的情況下，彎管曲率半徑將變小，而內(nèi)徑的變形非常小，如果忽略內(nèi)徑的變化，此時(shí)彎徑比將變小；在T，=20cC和乃=150℃的情況下，彎管曲率半徑將變大，如仍忽略內(nèi)徑的變化，則彎徑比將變大，熱應(yīng)力使彎管形變變大。

 由圖2、圖5所示可見，在8D一8D的情況下，由于彎管流量計(jì)直管段長度增加，前后直管段的熱伸長量變大，且向彎管處集中，因此對彎管變形的影響進(jìn)一步增大。同時(shí)，在彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)發(fā)生變形時(shí)，彎管段對直管段產(chǎn)生如圖5所示的熱應(yīng)力，直管段由于彎矩作用將向內(nèi)側(cè)彎曲，而且彎管上各點(diǎn)的位移接近相等，且其變形源于連續(xù)位移，從而減小了對彎管變形復(fù)雜程度的影響。

 由圖3、圖6所示可見，10D—IOD彎管流量計(jì)在環(huán)境溫度為一30℃或20。C和管內(nèi)介質(zhì)溫度為20。C或1500C情況下，當(dāng)彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)發(fā)生熱變形時(shí)，由于受到彎管的反作用，直管段將產(chǎn)生更大的彎曲，并向直管段集中，從而減小了彎管的熱變形，說明溫度對彎管的影響變小。另外，彎管上各點(diǎn)的位移變化進(jìn)一步縮小，因此彎管的變形將更為理想。

2．2彎管流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸變化研究彎管流量計(jì)曲率半徑變化分析如圖7所示，圖7中，分別取直管段上兩點(diǎn)A、B，AC和BE段為管線的直管段(點(diǎn)A、點(diǎn)B固定)，CE段為管線的彎管段，冷態(tài)下管線的直管段與彎管段分別相切于點(diǎn)C、點(diǎn)E，做AC的垂直線與BE的垂直線相交于點(diǎn)0，確立圓心為0。由于溫度變化的影響，彎管發(fā)生形變，同理可確定變形后的圓心為0．，彎管直徑變大，彎管直管段伸長，且均向彎管處集中，彎徑比發(fā)生變化。彎徑比就是彎管的中心曲率半徑與彎管內(nèi)徑的比值，它是描述彎管幾何特征的重要參數(shù)。彎徑比的大小準(zhǔn)確地描述了彎管的彎曲程度，隨著彎管彎徑比的增加，彎管的彎曲程度將減小。

為了使問題簡化，對彎管流量計(jì)做出如下假設(shè)¨J。1)變形后的彎管仍然為圓弧形，與兩側(cè)管線分別相切于點(diǎn)C．和點(diǎn)E。。2)變形后，彎管的橫截面仍為圓形且內(nèi)徑不變。

考慮溫升所引起的熱伸長，彎管的弧長z為：

f=(0．51『+0．5,rrr／AT)R (2)

式中：叼為彎管材料的熱膨脹系數(shù)；△r為環(huán)境溫度與管內(nèi)介質(zhì)溫度的差值；R為彎管變形前的曲率半徑。

考慮安裝條件的影響，彎管的弧長2’為：

根據(jù)式(4)計(jì)算，并結(jié)合有限元分析結(jié)果，可得到不同溫度和安裝條件下DNl00彎管流量計(jì)的曲率半徑的比值R’／R與實(shí)際彎徑比R’／D，如表1所示

3.彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)

況下，DNl00彎管流量計(jì)的質(zhì)量指數(shù)隨著直管段長度的增加而有所降低，而在其他溫度下，質(zhì)量指數(shù)均有所提高，這說明在實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種因素的影響，彎管流量計(jì)的質(zhì)量將發(fā)生不同程度的改變。

4.結(jié)語

目前，彎管流量計(jì)已在許多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用場合不同，管內(nèi)介質(zhì)溫度和外界環(huán)境溫度之間存在很大的差別，而且安裝條件也可能有很大差異。根據(jù)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)研究的結(jié)果，通過對現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析，可以判斷出彎管彎徑比的實(shí)際變化，當(dāng)彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)溫度升高時(shí)(圖4一圖6對比圖1一圖3應(yīng)力結(jié)果)，彎管殼體之間的不同熱膨脹以及結(jié)構(gòu)相互作用，會(huì)使彎管處于高應(yīng)力狀態(tài)，選取不同彎管彎徑比對彎管撓曲變形有較大影響，圖1一圖3分析結(jié)果顯示，彎管流量計(jì)熱應(yīng)力形變***大應(yīng)力值分別為0．234 698、0．406  939、0．419 143MPa，在相同溫度環(huán)境和管內(nèi)介質(zhì)溫度下，彎徑比越大，應(yīng)力數(shù)值越大，反之彎管變曲應(yīng)力數(shù)值變小，其受力狀況好轉(zhuǎn)。對于彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)而言，重要的是彎徑比變化，而對于變形方向并無太多考慮，減小彎管變形就是為了減小彎徑比變化，從而選擇***為合適的彎管流量計(jì)，而不是簡單地選擇彎徑比***接近于1．5的彎管流量計(jì)。這樣既可以降低彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)成本，又能夠降低生產(chǎn)企業(yè)的加工難度，制造出質(zhì)量***好的產(chǎn)品。也是進(jìn)行彎管流量計(jì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量評價(jià)研究的意義所在。