摘要:氣體渦輪流(liu)量計 主軸承大多(duo)采用油潤滑的滑(hua)動軸承或滾動軸(zhóu)承，存在較大的局(ju)限性。采用螺旋槽(cao)氣體軸承，設計了(le)一種氣體渦輪流(liú)量計。按最大穩定(dìng)性的原則，利用MAILAB軟(ruǎn)件，系統地分析了(le)在氣體渦輪流量(liang)計中動壓氣體軸(zhou)承的結構形式對(dui)其載荷及穩定性(xing)的影響，得到了氣(qi)體渦輪流量計中(zhong)動壓氣體軸承的(de)可行工作範圍。
　　流(liu)量測量儀表種類(lèi)繁多，測量方法也(ye)很多。迄今爲止，可(ke)供工業用的流量(liàng)測量儀表種類達(da)60種之多。在如此衆(zhong)多流量測量儀表(biao)中，氣體渦輪流量(liang)計以其精度佳、重(zhòng)複性好、抗幹擾能(neng)力好、測量範圍寬(kuan)、結構緊湊等優點(diǎn)而廣泛用于工業(ye)生産中。但是由于(yu)其主軸承使用滑(hua)動軸承或滾動軸(zhóu)承的局限性，使得(dé)氣體渦輪流量計(ji)存在不能長期保(bao)持校準特性以及(ji)流體物性對流量(liàng)特性有較大影響(xiang)等缺陷。我國中科(kē)院有一些學者曾(ceng)嘗試将氣體軸承(chéng)應用于流量計中(zhōng)，不過大多是選用(yòng)可傾瓦動壓氣體(tǐ)軸承。由于可傾瓦(wǎ)動壓氣體軸承不(bu)但體積大，而且成(chéng)本極高，很難用于(yu)民用工業中，所以(yǐ)僅僅停留在試驗(yan)階段。迄今爲止國(guo)外尚無此類問題(tí)的研究“4。綜合制造(zao)成本、使用壽命以(yi)及精度提高等因(yin)素，本文作者設計(ji)了一種氣體渦輪(lún)流量計用螺旋槽(cáo)動壓氣體軸承(以(yǐ)下統稱螺旋槽軸(zhou)承)。
1氣體渦輪流量(liàng)計的結構及工作(zuò)原理
　　渦輪流量計(jì) 的結構如圖1所示(shì)。在管道中心安放(fang)一個渦輪，兩端由(yóu)軸承支撐。當流體(tǐ)通過管道時，沖擊(ji)渦輪葉片，對渦輪(lun)産生驅動力矩，使(shi)渦輪克服摩擦力(li)矩和流體阻力矩(ju)而産生旋轉。在一(yi)定的流量範圍内(nèi),對一定的流體介(jiè)質粘度，渦輪的旋(xuan)轉角速度與流體(tǐ)流速成正比。由此(cǐ)，流體流速可通過(guo)渦輪的旋轉角速(sù)度得到，從而可以(yǐ)計算得到通過管(guan)道的流體流量。渦(wo)輪的轉速通過裝(zhuāng)在機殼外的傳感(gan)線圈來檢測。當渦(wō)輪葉，片切割由殼(ke)體内永久磁鋼産(chan)生的磁力線時，就(jiù)會引起傳感線圈(quān)中的磁通變化。傳(chuán)感線圈将檢測到(dao)的磁通周期變化(hua)信号送入前置放(fàng)大器，對信号進行(háng)放大、整形，産生與(yu)流速成正比的脈(mo)沖信号。再将脈沖(chòng)信号轉換成模拟(nǐ)電流量，進而指示(shì)瞬時流量值。由于(yu)流體通過渦輪時(shi)會對渦輪産生--個(gè)軸向推力，使軸承(cheng)的摩擦轉矩增大(da)，加速軸承磨損，爲(wèi)了消除軸向力，需(xū)在.結構.上采取水(shuǐ)力平衡措施，這裏(li)不再贅述。從圖1中(zhōng)也不難看出工作(zuo)主軸的性能對流(liú)量計有很大的影(ying)響。
 
2氣體潤滑的特(tè)點
　　從氣體固有的(de)特點來看，氣體作(zuo)爲潤滑劑具有以(yi)下特點:
(1)粘度小。在(zai)15~20℃時，其粘度約爲油(you)的1/1000，摩擦力亦爲油(you)的1/1000;當溫度從20℃上升(sheng)到80℃,其粘度增加約(yue)16%，而相同條件下油(you)的粘度下降1/14。氣體(ti)由于粘度小，它所(suǒ)引起的摩擦力矩(ju)比油引起的小3個(ge)數量級。加上氣體(tǐ)具有均化作用，所(suo)以用氣膜潤滑支(zhī)承的回轉精度比(bǐ)油膜高2個數量級(jí)。
(2)适應性好。油在極(jí)高或極低溫下，都(dou)不起潤滑作用。氣(qì)體潤滑劑在高低(dī)溫時，化學性能穩(wěn)定，不受原子輻射(shè)的影響;加之空氣(qì)的對流作用，即使(shi)在高溫下，也可把(ba)氣膜看成恒溫。因(yin)此用氣體潤滑，排(pái)除了與邊界有關(guān)的一些問題。
(3)清潔(jié)無污染。氣體作爲(wei)潤滑劑其排放出(chu)來的氣體，對環境(jìng)無任何污染;且排(pai)氣壓力大于大氣(qì)壓力，外界污物不(bu)易進入機器，保持(chí)機器清潔。氣膜潤(run)滑使機器運行平(ping)穩，不存在振動和(he)噪聲的污染。
(4)壽命(mìng)長。壽命分布離散(sàn)是普通軸承尤其(qi)是高速軸承緻命(ming)的弱點，工作壽命(ming)隻有幾十到幾百(bai)小時。氣體軸承正(zhèng)常工作時，無金屬(shu)接觸，即使考慮其(qí)它條件的限制，壽(shou)命仍比普通軸承(cheng)高得多，而且能始(shi)終保持精度不變(bian)。
綜上所述，氣體軸(zhou)承的引入，無疑将(jiang)會使氣體渦輪流(liú)量計産生一次革(gé)命。
3氣體動壓潤滑(huá)
　　如圖2所示，旋轉件(jian)1受載後将與固定(ding)件2産生偏心。當旋(xuan)轉件1以轉速n運動(dòng)時，其間隙爲和H，且(qiě)H1>H2過濾後的氣體從(cong)H流向H2氣體在楔形(xíng)間隙中形成壓力(li)F1。氣體是可壓縮的(de)，在間隙H2處形成低(dī)壓區，結果在偏心(xīn)方向也産生支承(chéng)力F2則總支承力F爲(wèi)矢量相加即
F=F1+F2
F用來(lái)平衡外載荷W.
　　動壓(yā)氣膜，是靠自生壓(ya)力來支承外載荷(he)的，故适應性差。轉(zhuan)速越高，形成動壓(yā)越好。但無論轉速(sù)如何增加，或使油(you)膜厚度h減到最小(xiǎo)，氣體動壓潤滑所(suo)産生的壓強分布(bù)和承載能力都有(yǒu)其限制。
4螺旋槽軸(zhóu)承的設計
　　螺旋槽(cáo)軸承以其承載大(da)(特别是在高速下(xia)).功耗低、高速穩定(ding)性好等優點，遠優(you)于其它類型的動(dòng)壓氣體軸承。由于(yu)按最大穩定性優(yōu)化的螺旋槽軸承(cheng)，與按最大承載優(yōu)化的螺旋槽軸承(cheng)相比較，其穩定性(xìng)提高近千倍，而其(qi)承載能力最多損(sun)失77%，因此本文選用(yòng)按最大穩定性原(yuán)則設計。
　　根據窄槽(cáo)原理，同時充分考(kao)慮可壓縮性，由最(zui)大穩定性原則可(kě)以得出以下結論(lùn):
 
(1)軸承有槽面旋轉(zhuǎn)的穩定性，總好于(yú)無槽面旋轉的情(qíng)形。
(2)在λ-1(λ-1=L/D)時，有槽面旋(xuan)轉的穩定性最佳(jia)。
(3)軸承的穩定性對(duì)槽參數β、B1、Y和δ十分敏(min)感。
(4)當槽面旋轉時(shi)，Y=1爲最佳值，δ=4和B1=6是上(shàng)限值。.
(5)窄槽假設的(de)界限爲:Ng>^/5.
(6)相對間隙(xi)e/R=0.0002~0.0004。
(7)相對偏心率:正常(cháng)工作下，Ɛ=0.1~0.5;極限狀态(tai)下，e-0.8~0.9。
　　綜合上述結論(lùn)，本文取有槽面旋(xuan)轉，且λ=1。
 
 
　　設計本軸承(cheng)，最重要的就是核(hé)算其承載能力。在(zai)上述前提下有以(yǐ)下公式:
最大穩定(ding)承載w-W/(psLD)
可壓縮數A=6μɷε2/ps
式(shi)中:pa爲環境壓力:μ爲(wèi)潤滑氣體動力粘(zhan)度;D爲軸承直徑;ɷ爲(wei)軸承轉速。
　　由于各(gè)無量綱參數都與(yu)可壓縮數^有密切(qiē)關系,所以要核算(suàn)其承載能力，就必(bi)須先求得^。從上面(mian)公式可以看出，A由(yóu)μ、ɷ、ε和ps共同決定。一般(bān)來說，氣體動力粘(zhan)度可取2X10-5Pa·s環境壓力(lì)可取1.5X10-5Pa;考慮到制造(zao)的成本，e可取1.75X10-6m,而本(ben)文在前面已經取(qǔ)λ=1,所以經過計算可(kě)得:.
A=65.3ɷD²
　　用MAILAB軟件分析以(yi)上式子，可以得到(dào)圖4。
 
　　根據最大穩定(dìng)承載w=εW/(εp,LD)=7.5X104D2W/Ɛ，通過對表1的(de)分析，同樣利用MAILAB軟(ruǎn)件分析最大穩定(dìng)承載w與參數徑向(xiàng)承載w/ε以及軸承直(zhí)徑D的相互關系，可(ke)以得到圖5。
5結論
　　從(cóng)圖4和圖5中不難看(kan)出，倘若需要氣體(ti)渦輪流量計的正(zhèng)常工作速度在4500r/min以(yi)上時，在各參.數都(dōu)取本文參數，其最(zui)大穩定載荷會在(zai)5N左右。況且本文的(de)許多參數是取近(jìn)似值，如果能夠将(jiang)各個參數進一步(bu)優化，正常工作速(sù)度比較大的氣體(ti)渦輪流量計的主(zhǔ)軸承完全可以用(yòng)螺旋槽軸承。

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