礦用高承壓電磁流量計(jì)承壓特性研究

隨著煤礦開采逐漸向深部發(fā)展，電磁流量計(jì)安全應(yīng)用于煤礦取決于其承壓。研究了高承壓電磁流量計(jì)的承壓特性。建立了有限元仿真模型，對(duì)承壓特性進(jìn)行了仿真分析，得到了高承壓電磁流量計(jì)的應(yīng)力應(yīng)變。為煤礦井下設(shè)備的承壓特性研究提供了理論基礎(chǔ)與分析方法。

1 .引言

隨著淺部煤炭資源的日益枯竭，我國(guó)煤礦開采逐漸向深部發(fā)展，相繼進(jìn)入深部開采[1]。煤礦生產(chǎn)用水一般從地面通過管路系統(tǒng)從地面輸送到工作面，那么大垂深產(chǎn)生的高靜壓對(duì)管路系統(tǒng)上的設(shè)備的承壓提出了更高的要求。礦井降溫工藝系統(tǒng)中的冷凍水和冷卻水同樣面臨大垂深帶來的高靜壓。因此，研究高承壓、準(zhǔn)確計(jì)量的礦用電磁流量計(jì)對(duì)礦井的安全、高效生產(chǎn)起到重要的作用[2]。

德國(guó) EI 公司研制除了礦用本安型的電磁流量計(jì)，在國(guó)內(nèi)唐山大方匯中儀表有限公司開發(fā)出了礦用隔爆型分體式電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)應(yīng)用與煤礦除了解決防爆的問題，在高承壓和井下復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中，對(duì)其壓力特性的研究也是重要的問題[3]。

2. 礦用高承壓電磁流量計(jì)承壓特性

2.1 電磁流量計(jì)原理

電磁流量計(jì)所依據(jù)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，

法拉第電磁感應(yīng)定律是導(dǎo)體周圍變動(dòng)的磁場(chǎng)使導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)[4]，如圖 1 所示。

流體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被位于管子徑向兩端的一對(duì)電極拾取，該信號(hào)電壓 Ue 與磁場(chǎng)強(qiáng)度 B、電極間距 L 和平均流速 V 成正比。而磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 和電極距離 D 為常數(shù)，所以信號(hào)電壓 Ue 與平均流速 V 成正比。

式中 Ue 為感應(yīng)電壓；B 為磁感應(yīng)磁場(chǎng)；V 為液體流速；

為液體流量；A 為管道截面面積；L 為電極間距。

電磁流量計(jì)承壓特性

處于井下高承壓的電磁流量計(jì)，其承壓特性主要取決于管腔所用的材料和尺寸結(jié)構(gòu)。管腔中間可以看成一段柔性梁，取其中一段微元進(jìn)行分析，如圖 2 所示距中性層為 y0 處的縱向應(yīng)變?yōu)?/span>

式中r 為距中性層為 y0 處曲率半徑，Mz 為該截面的彎矩，E 為材料的楊氏模量，Iz 為橫截面對(duì) z 軸慣性矩，慣性矩為I   = bh 3 ，其中 l，b 和 h 分別為柔性梁的長(zhǎng)、寬、高。

根據(jù)均勻收壓強(qiáng)的簡(jiǎn)支梁最大彎矩如式（4）所示

式中 q 為這微端梁所受的均布載荷。綜合式（3）與式（4）可以得到最大應(yīng)變與承壓的關(guān)系為

式中可以看出，電磁流量計(jì)管腔承壓最大應(yīng)變與其承受的壓力呈線性關(guān)系，最大應(yīng)變出現(xiàn)在管腔的中間，同時(shí)也是流量計(jì)的最大變形處。

礦用高承壓電磁流量計(jì)的承壓還與流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，主要的結(jié)構(gòu)尺寸包括管徑和壁厚。流量計(jì)的承壓與其結(jié)構(gòu)尺寸管徑和壁厚的關(guān)系為

式中 P 為流量計(jì)承壓，S 為流量計(jì)壁厚，D 為流量計(jì)管徑；[s ] 為設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，E 為調(diào)整系數(shù)。分析可知，流量計(jì)的承壓與管徑呈反比關(guān)系，與壁厚成正比關(guān)系。當(dāng)壁厚一定時(shí)，流量計(jì)的承壓隨著管徑的增大線性減??；當(dāng)管徑一定時(shí)，流量計(jì)的承壓隨著壁厚的增大而線性增大。

3 .有限元仿真與分析

3.1 ANSYS 建模

為了模擬礦用高承壓電磁流量計(jì)的承壓特性，以 DN200 的電磁流量計(jì)為例對(duì)其進(jìn)行 ANSYS 仿真分析。電磁流量計(jì)的二維圖如圖 3 所示，結(jié)構(gòu)尺寸如表 1 所示。為了方便建模，也為了更關(guān)注于流量計(jì)結(jié)構(gòu)承壓的部分，對(duì)其信號(hào)處理殼體及其他組成部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，取其結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行建模。

3.2 承壓特性分析

模擬井下電磁流量計(jì)與地面垂直高差 1000 m，電磁流量計(jì)承受的靜壓為 10 MPa。在 ANSYS 模型基礎(chǔ)上，對(duì)流量計(jì)法蘭面的螺栓孔施加邊界條件，對(duì)流量計(jì)的內(nèi)表面施加10Mpa載荷，得到高承壓電磁流量計(jì)von Mises等效應(yīng)變，如圖5所示。