摘要(yào):氣體渦輪(lún)流量計 主(zhu)軸承大多(duo)采用油潤(run)滑的滑動(dòng)軸承或滾(gǔn)動軸承，存(cun)在較大的(de)局限性。采(cai)用螺旋槽(cáo)氣體軸承(cheng)，設計了一(yī)種氣體渦(wo)輪流量計(ji)。按最大穩(wěn)定性的原(yuan)則，利用MAILAB軟(ruan)件，系統地(di)分析了在(zài)氣體渦輪(lun)流量計中(zhong)動壓氣體(tǐ)軸承的結(jié)構形式對(dui)其載荷及(jí)穩定性的(de)影響，得到(dào)了氣體渦(wō)輪流量計(jì)中動壓氣(qi)體軸承的(de)可行工作(zuò)範圍。
　　流量(liang)測量儀表(biao)種類繁多(duo)，測量方法(fa)也很多。迄(qì)今爲止，可(ke)供工業用(yòng)的流量測(cè)量儀表種(zhǒng)類達60種之(zhī)多。在如此(ci)衆多流量(liang)測量儀表(biao)中，氣體渦(wō)輪流量計(jì)以其精度(dù)佳、重複性(xìng)好、抗幹擾(rao)能力好、測(cè)量範圍寬(kuan)、結構緊湊(còu)等優點而(ér)廣泛用于(yú)工業生産(chan)中。但是由(you)于其主軸(zhou)承使用滑(huá)動軸承或(huo)滾動軸承(chéng)的局限性(xing)，使得氣體(ti)渦輪流量(liàng)計存在不(bu)能長期保(bǎo)持校準特(te)性以及流(liú)體物性對(dui)流量特性(xing)有較大影(yǐng)響等缺陷(xiàn)。我國中科(kē)院有一些(xie)學者曾嘗(chang)試将氣體(ti)軸承應用(yòng)于流量計(jì)中，不過大(dà)多是選用(yong)可傾瓦動(dong)壓氣體軸(zhou)承。由于可(kě)傾瓦動壓(yā)氣體軸承(chéng)不但體積(ji)大，而且成(cheng)本極高，很(hen)難用于民(mín)用工業中(zhōng)，所以僅僅(jin)停留在試(shì)驗階段。迄(qì)今爲止國(guó)外尚無此(cǐ)類問題的(de)研究“4。綜合(he)制造成本(běn)、使用壽命(mìng)以及精度(du)提高等因(yīn)素，本文作(zuò)者設計了(le)一種氣體(tǐ)渦輪流量(liang)計用螺旋(xuán)槽動壓氣(qi)體軸承(以(yi)下統稱螺(luó)旋槽軸承(cheng))。
1氣體渦輪(lún)流量計的(de)結構及工(gōng)作原理
　　渦(wo)輪流量計(ji) 的結構如(ru)圖1所示。在(zài)管道中心(xīn)安放一個(ge)渦輪，兩端(duan)由軸承支(zhī)撐。當流體(ti)通過管道(dao)時，沖擊渦(wo)輪葉片，對(duì)渦輪産生(sheng)驅動力矩(ju)，使渦輪克(kè)服摩擦力(li)矩和流體(ti)阻力矩而(ér)産生旋轉(zhuan)。在一定的(de)流量範圍(wéi)内,對一定(dìng)的流體介(jiè)質粘度，渦(wo)輪的旋轉(zhuan)角速度與(yu)流體流速(su)成正比。由(you)此，流體流(liu)速可通過(guo)渦輪的旋(xuán)轉角速度(dù)得到，從而(er)可以計算(suàn)得到通過(guò)管道的流(liu)體流量。渦(wo)輪的轉速(sù)通過裝在(zai)機殼外的(de)傳感線圈(quān)來檢測。當(dang)渦輪葉，片(pian)切割由殼(ke)體内永久(jiǔ)磁鋼産生(sheng)的磁力線(xian)時，就會引(yin)起傳感線(xiàn)圈中的磁(ci)通變化。傳(chuan)感線圈将(jiang)檢測到的(de)磁通周期(qī)變化信号(hào)送入前置(zhì)放大器，對(dui)信号進行(háng)放大、整形(xíng)，産生與流(liú)速成正比(bi)的脈沖信(xin)号。再将脈(mò)沖信号轉(zhuǎn)換成模拟(ni)電流量，進(jìn)而指示瞬(shun)時流量值(zhí)。由于流體(tǐ)通過渦輪(lun)時會對渦(wō)輪産生--個(ge)軸向推力(li)，使軸承的(de)摩擦轉矩(ju)增大，加速(sù)軸承磨損(sǔn)，爲了消除(chu)軸向力，需(xū)在.結構.上(shang)采取水力(lì)平衡措施(shī)，這裏不再(zai)贅述。從圖(tú)1中也不難(nan)看出工作(zuò)主軸的性(xìng)能對流量(liàng)計有很大(dà)的影響。
 
2氣體潤(run)滑的特點(dian)
　　從氣體固(gù)有的特點(diǎn)來看，氣體(tǐ)作爲潤滑(huá)劑具有以(yǐ)下特點:
(1)粘(zhan)度小。在15~20℃時(shi)，其粘度約(yue)爲油的1/1000，摩(mó)擦力亦爲(wèi)油的1/1000;當溫(wēn)度從20℃上升(sheng)到80℃,其粘度(dù)增加約16%，而(ér)相同條件(jiàn)下油的粘(zhān)度下降1/14。氣(qì)體由于粘(zhān)度小，它所(suǒ)引起的摩(mó)擦力矩比(bǐ)油引起的(de)小3個數量(liang)級。加上氣(qi)體具有均(jun)化作用，所(suǒ)以用氣膜(mó)潤滑支承(chéng)的回轉精(jing)度比油膜(mo)高2個數量(liang)級。
(2)适應性(xìng)好。油在極(ji)高或極低(dī)溫下，都不(bú)起潤滑作(zuo)用。氣體潤(rùn)滑劑在高(gao)低溫時，化(hua)學性能穩(wen)定，不受原(yuán)子輻射的(de)影響;加之(zhi)空氣的對(dui)流作用，即(ji)使在高溫(wēn)下，也可把(ba)氣膜看成(cheng)恒溫。因此(ci)用氣體潤(run)滑，排除了(le)與邊界有(yǒu)關的一些(xie)問題。
(3)清潔(jie)無污染。氣(qi)體作爲潤(rùn)滑劑其排(pái)放出來的(de)氣體，對環(huan)境無任何(hé)污染;且排(pai)氣壓力大(da)于大氣壓(ya)力，外界污(wū)物不易進(jin)入機器，保(bao)持機器清(qīng)潔。氣膜潤(run)滑使機器(qì)運行平穩(wěn)，不存在振(zhèn)動和噪聲(sheng)的污染。
(4)壽(shou)命長。壽命(mìng)分布離散(san)是普通軸(zhou)承尤其是(shì)高速軸承(chéng)緻命的弱(ruò)點，工作壽(shou)命隻有幾(ji)十到幾百(bai)小時。氣體(ti)軸承正常(chang)工作時，無(wu)金屬接觸(chu)，即使考慮(lü)其它條件(jian)的限制，壽(shòu)命仍比普(pǔ)通軸承高(gāo)得多，而且(qiě)能始終保(bao)持精度不(bú)變。
綜上所(suo)述，氣體軸(zhóu)承的引入(rù)，無疑将會(hui)使氣體渦(wo)輪流量計(ji)産生一次(cì)革命。
3氣體(tǐ)動壓潤滑(huá)
　　如圖2所示(shì)，旋轉件1受(shòu)載後将與(yǔ)固定件2産(chan)生偏心。當(dāng)旋轉件1以(yi)轉速n運動(dòng)時，其間隙(xì)爲和H，且H1>H2過(guo)濾後的氣(qì)體從H流向(xiàng)H2氣體在楔(xiē)形間隙中(zhong)形成壓力(lì)F1。氣體是可(ke)壓縮的，在(zài)間隙H2處形(xing)成低壓區(qū)，結果在偏(pian)心方向也(ye)産生支承(cheng)力F2則總支(zhi)承力F爲矢(shi)量相加即(jí)
F=F1+F2
F用來平衡(héng)外載荷W.
　　動(dòng)壓氣膜，是(shì)靠自生壓(ya)力來支承(cheng)外載荷的(de)，故适應性(xìng)差。轉速越(yue)高，形成動(dòng)壓越好。但(dan)無論轉速(sù)如何增加(jiā)，或使油膜(mó)厚度h減到(dào)最小，氣體(tǐ)動壓潤滑(hua)所産生的(de)壓強分布(bu)和承載能(neng)力都有其(qí)限制。
4螺旋(xuán)槽軸承的(de)設計
　　螺旋(xuán)槽軸承以(yǐ)其承載大(dà)(特别是在(zài)高速下).功(gōng)耗低、高速(sù)穩定性好(hǎo)等優點，遠(yuan)優于其它(ta)類型的動(dong)壓氣體軸(zhóu)承。由于按(an)最大穩定(ding)性優化的(de)螺旋槽軸(zhóu)承，與按最(zuì)大承載優(yōu)化的螺旋(xuán)槽軸承相(xiang)比較，其穩(wěn)定性提高(gāo)近千倍，而(er)其承載能(neng)力最多損(sǔn)失77%，因此本(běn)文選用按(an)最大穩定(dìng)性原則設(shè)計。
　　根據窄(zhǎi)槽原理，同(tóng)時充分考(kao)慮可壓縮(suō)性，由最大(da)穩定性原(yuán)則可以得(de)出以下結(jie)論:
 
(1)軸承有(you)槽面旋轉(zhuǎn)的穩定性(xing)，總好于無(wu)槽面旋轉(zhuǎn)的情形。
(2)在(zai)λ-1(λ-1=L/D)時，有槽面(mian)旋轉的穩(wěn)定性最佳(jiā)。
(3)軸承的穩(wěn)定性對槽(cao)參數β、B1、Y和δ十(shi)分敏感。
(4)當(dāng)槽面旋轉(zhuǎn)時，Y=1爲最佳(jiā)值，δ=4和B1=6是上(shang)限值。.
(5)窄槽(cáo)假設的界(jiè)限爲:Ng>^/5.
(6)相對(duì)間隙e/R=0.0002~0.0004。
(7)相對(duì)偏心率:正(zhèng)常工作下(xià)，Ɛ=0.1~0.5;極限狀态(tai)下，e-0.8~0.9。
　　綜合上(shàng)述結論，本(běn)文取有槽(cáo)面旋轉，且(qiě)λ=1。
 
 
　　設計本軸(zhou)承，最重要(yào)的就是核(he)算其承載(zǎi)能力。在上(shàng)述前提下(xià)有以下公(gong)式:
最大穩(wěn)定承載w-W/(psLD)
可(kě)壓縮數A=6μɷε2/ps
式(shì)中:pa爲環境(jing)壓力:μ爲潤(run)滑氣體動(dòng)力粘度;D爲(wèi)軸承直徑(jìng);ɷ爲軸承轉(zhuǎn)速。
　　由于各(ge)無量綱參(cān)數都與可(ke)壓縮數^有(you)密切關系(xi),所以要核(he)算其承載(zǎi)能力，就必(bi)須先求得(de)^。從上面公(gong)式可以看(kàn)出，A由μ、ɷ、ε和ps共(gong)同決定。一(yi)般來說，氣(qì)體動力粘(zhān)度可取2X10-5Pa·s環(huan)境壓力可(kě)取1.5X10-5Pa;考慮到(dào)制造的成(chéng)本，e可取1.75X10-6m,而(ér)本文在前(qián)面已經取(qǔ)λ=1,所以經過(guò)計算可得(de):.
A=65.3ɷD²
　　用MAILAB軟件分(fèn)析以上式(shi)子，可以得(de)到圖4。
 
　　根據(ju)最大穩定(dìng)承載w=εW/(εp,LD)=7.5X104D2W/Ɛ，通過(guo)對表1的分(fen)析，同樣利(li)用MAILAB軟件分(fen)析最大穩(wěn)定承載w與(yu)參數徑向(xiàng)承載w/ε以及(ji)軸承直徑(jing)D的相互關(guān)系，可以得(dé)到圖5。
5結論(lùn)
　　從圖4和圖(tu)5中不難看(kàn)出，倘若需(xu)要氣體渦(wo)輪流量計(ji)的正常工(gōng)作速度在(zai)4500r/min以上時，在(zai)各參.數都(dōu)取本文參(cān)數，其最大(da)穩定載荷(he)會在5N左右(you)。況且本文(wen)的許多參(cān)數是取近(jin)似值，如果(guo)能夠将各(ge)個參數進(jin)一步優化(hua)，正常工作(zuò)速度比較(jiao)大的氣體(tǐ)渦輪流量(liàng)計的主軸(zhóu)承完全可(ke)以用螺旋(xuán)槽軸承。

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