摘要:氣體渦輪流量計主軸承大多采用油潤滑的滑動軸承或滾動軸承，存在較大的局限性。采用螺旋槽氣體軸承，設(shè)計了一種氣體渦輪流量計。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中動壓氣體軸承的結(jié)構(gòu)形式對其載荷及穩(wěn)定性的影響，得到了氣體渦輪流量計中動壓氣體軸承的可行工作范圍。
　　流量測量儀表種類繁多，測量方法也很多。迄今為止，可供工業(yè)用的流量測量儀表種類達(dá)60種之多。在如此眾多流量測量儀表中，氣體渦輪流量計以其精度佳、重復(fù)性好、抗干擾能力好、測量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點而廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是由于其主軸承使用滑動軸承或滾動軸承的局限性，使得氣體渦輪流量計存在不能長期保持校準(zhǔn)特性以及流體物性對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)用于流量計中，不過大多是選用可傾瓦動壓氣體軸承。由于可傾瓦動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)計了一種氣體渦輪流量計用螺旋槽動壓氣體軸承(以下統(tǒng)稱螺旋槽軸承)。
1氣體渦輪流量計的結(jié)構(gòu)及工作原理
　　渦輪流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐。當(dāng)流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，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。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，就會引起傳感線圈中的磁通變化。傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號。再將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時流量值。由于流體通過渦輪時會對渦輪產(chǎn)生--個軸向推力，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流量計有很大的影響。
 
2氣體潤滑的特點
　　從氣體固有的特點來看，氣體作為潤滑劑具有以下特點:
(1)粘度小。在15~20℃時，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個數(shù)量級。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個數(shù)量級。
(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，化學(xué)性能穩(wěn)定，不受原子輻射的影響;加之空氣的對流作用，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)器運行平穩(wěn)，不存在振動和噪聲的污染。
(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，工作壽命只有幾十到幾百小時。氣體軸承正常工作時，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，無疑將會使氣體渦輪流量計產(chǎn)生一次革命。
3氣體動壓潤滑
　　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運動時，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
　　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，遠(yuǎn)優(yōu)于其它類型的動壓氣體軸承。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。
　　根據(jù)窄槽原理，同時充分考慮可壓縮性，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，有槽面旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性最佳。
(3)軸承的穩(wěn)定性對槽參數(shù)β、B1、Y和δ十分敏感。
(4)當(dāng)槽面旋轉(zhuǎn)時，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)相對間隙e/R=0.0002~0.0004。
(7)相對偏心率: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，倘若需要氣體渦輪流量計的正常工作速度在4500r/min以上時，在各參.數(shù)都取本文參數(shù)，其最大穩(wěn)定載荷會在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�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的主軸承完全可以用螺旋槽軸承。

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