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

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