摘要:氣體渦輪流量計(jì)主軸承大多采用油潤滑的滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承，存在較大的局限性。采用螺旋槽氣體軸承，設(shè)計(jì)了一種氣體渦輪流量計(jì)。按最大穩(wěn)定性的原則，利用MAILAB軟件，系統(tǒng)地分析了在氣體渦輪流量計(jì)中動(dòng)壓氣體軸承的結(jié)構(gòu)形式對(duì)其載荷及穩(wěn)定性的影響，得到了氣體渦輪流量計(jì)中動(dòng)壓氣體軸承的可行工作范圍。
　　流量測(cè)量儀表種類繁多，測(cè)量方法也很多。迄今為止，可供工業(yè)用的流量測(cè)量儀表種類達(dá)60種之多。在如此眾多流量測(cè)量儀表中，氣體渦輪流量計(jì)以其精度佳、重復(fù)性好、抗干擾能力好、測(cè)量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是由于其主軸承使用滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承的局限性，使得氣體渦輪流量計(jì)存在不能長期保持校準(zhǔn)特性以及流體物性對(duì)流量特性有較大影響等缺陷。我國中科院有一些學(xué)者曾嘗試將氣體軸承應(yīng)用于流量計(jì)中，不過大多是選用可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承。由于可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承不但體積大，而且成本極高，很難用于民用工業(yè)中，所以僅僅停留在試驗(yàn)階段。迄今為止國外尚無此類問題的研究“4。綜合制造成本、使用壽命以及精度提高等因素，本文作者設(shè)計(jì)了一種氣體渦輪流量計(jì)用螺旋槽動(dòng)壓氣體軸承(以下統(tǒng)稱螺旋槽軸承)。
1氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理
　　渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐。當(dāng)流體通過管道時(shí)，沖擊渦輪葉片，對(duì)渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi),對(duì)一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計(jì)算得到通過管道的流體流量。渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的傳感線圈來檢測(cè)。當(dāng)渦輪葉，片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時(shí)，就會(huì)引起傳感線圈中的磁通變化。傳感線圈將檢測(cè)到的磁通周期變化信號(hào)送入前置放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號(hào)。再將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時(shí)流量值。由于流體通過渦輪時(shí)會(huì)對(duì)渦輪產(chǎn)生--個(gè)軸向推力，使軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，加速軸承磨損，為了消除軸向力，需在.結(jié)構(gòu).上采取水力平衡措施，這里不再贅述。從圖1中也不難看出工作主軸的性能對(duì)流量計(jì)有很大的影響。
 
2氣體潤滑的特點(diǎn)
　　從氣體固有的特點(diǎn)來看，氣體作為潤滑劑具有以下特點(diǎn):
(1)粘度小。在15~20℃時(shí)，其粘度約為油的1/1000，摩擦力亦為油的1/1000;當(dāng)溫度從20℃上升到80℃,其粘度增加約16%，而相同條件下油的粘度下降1/14。氣體由于粘度小，它所引起的摩擦力矩比油引起的小3個(gè)數(shù)量級(jí)。加上氣體具有均化作用，所以用氣膜潤滑支承的回轉(zhuǎn)精度比油膜高2個(gè)數(shù)量級(jí)。
(2)適應(yīng)性好。油在極高或極低溫下，都不起潤滑作用。氣體潤滑劑在高低溫時(shí)，化學(xué)性能穩(wěn)定，不受原子輻射的影響;加之空氣的對(duì)流作用，即使在高溫下，也可把氣膜看成恒溫。因此用氣體潤滑，排除了與邊界有關(guān)的一些問題。
(3)清潔無污染。氣體作為潤滑劑其排放出來的氣體，對(duì)環(huán)境無任何污染;且排氣壓力大于大氣壓力，外界污物不易進(jìn)入機(jī)器，保持機(jī)器清潔。氣膜潤滑使機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)，不存在振動(dòng)和噪聲的污染。
(4)壽命長。壽命分布離散是普通軸承尤其是高速軸承致命的弱點(diǎn)，工作壽命只有幾十到幾百小時(shí)。氣體軸承正常工作時(shí)，無金屬接觸，即使考慮其它條件的限制，壽命仍比普通軸承高得多，而且能始終保持精度不變。
綜上所述，氣體軸承的引入，無疑將會(huì)使氣體渦輪流量計(jì)產(chǎn)生一次革命。
3氣體動(dòng)壓潤滑
　　如圖2所示，旋轉(zhuǎn)件1受載后將與固定件2產(chǎn)生偏心。當(dāng)旋轉(zhuǎn)件1以轉(zhuǎn)速n運(yùn)動(dòng)時(shí)，其間隙為和H，且H1>H2過濾后的氣體從H流向H2氣體在楔形間隙中形成壓力F1。氣體是可壓縮的，在間隙H2處形成低壓區(qū)，結(jié)果在偏心方向也產(chǎn)生支承力F2則總支承力F為矢量相加即
F=F1+F2
F用來平衡外載荷W.
　　動(dòng)壓氣膜，是靠自生壓力來支承外載荷的，故適應(yīng)性差。轉(zhuǎn)速越高，形成動(dòng)壓越好。但無論轉(zhuǎn)速如何增加，或使油膜厚度h減到最小，氣體動(dòng)壓潤滑所產(chǎn)生的壓強(qiáng)分布和承載能力都有其限制。
4螺旋槽軸承的設(shè)計(jì)
　　螺旋槽軸承以其承載大(特別是在高速下).功耗低、高速穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，遠(yuǎn)優(yōu)于其它類型的動(dòng)壓氣體軸承。由于按最大穩(wěn)定性優(yōu)化的螺旋槽軸承，與按最大承載優(yōu)化的螺旋槽軸承相比較，其穩(wěn)定性提高近千倍，而其承載能力最多損失77%，因此本文選用按最大穩(wěn)定性原則設(shè)計(jì)。
　　根據(jù)窄槽原理，同時(shí)充分考慮可壓縮性，由最大穩(wěn)定性原則可以得出以下結(jié)論:
 
(1)軸承有槽面旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，總好于無槽面旋轉(zhuǎn)的情形。
(2)在λ-1(λ-1=L/D)時(shí)，有槽面旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性最佳。
(3)軸承的穩(wěn)定性對(duì)槽參數(shù)β、B1、Y和δ十分敏感。
(4)當(dāng)槽面旋轉(zhuǎn)時(shí)，Y=1為最佳值，δ=4和B1=6是上限值。.
(5)窄槽假設(shè)的界限為:Ng>^/5.
(6)相對(duì)間隙e/R=0.0002~0.0004。
(7)相對(duì)偏心率:正常工作下，Ɛ=0.1~0.5;極限狀態(tài)下，e-0.8~0.9。
　　綜合上述結(jié)論，本文取有槽面旋轉(zhuǎn)，且λ=1。
 
 
　　設(shè)計(jì)本軸承，最重要的就是核算其承載能力。在上述前提下有以下公式:
最大穩(wěn)定承載w-W/(psLD)
可壓縮數(shù)A=6μɷε2/ps
式中:pa為環(huán)境壓力:μ為潤滑氣體動(dòng)力粘度;D為軸承直徑;ɷ為軸承轉(zhuǎn)速。
　　由于各無量綱參數(shù)都與可壓縮數(shù)^有密切關(guān)系,所以要核算其承載能力，就必須先求得^。從上面公式可以看出，A由μ、ɷ、ε和ps共同決定。一般來說，氣體動(dòng)力粘度可取2X10-5Pa·s環(huán)境壓力可取1.5X10-5Pa;考慮到制造的成本，e可取1.75X10-6m,而本文在前面已經(jīng)取λ=1,所以經(jīng)過計(jì)算可得:.
A=65.3ɷD²
　　用MAILAB軟件分析以上式子，可以得到圖4。
 
　　根據(jù)最大穩(wěn)定承載w=εW/(εp,LD)=7.5X104D2W/Ɛ，通過對(duì)表1的分析，同樣利用MAILAB軟件分析最大穩(wěn)定承載w與參數(shù)徑向承載w/ε以及軸承直徑D的相互關(guān)系，可以得到圖5。
5結(jié)論
　　從圖4和圖5中不難看出，倘若需要?dú)怏w渦輪流量計(jì)的正常工作速度在4500r/min以上時(shí)，在各參.數(shù)都取本文參數(shù)，其最大穩(wěn)定載荷會(huì)在5N左右。況且本文的許多參數(shù)是取近似值，如果能夠?qū)⒏鱾�(gè)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，正常工作速度比較大的氣體渦輪流量計(jì)的主軸承完全可以用螺旋槽軸承。

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