摘要:氣體渦輪(lun)流量計 主軸承(cheng)大多采用油潤(run)滑的滑動軸承(chéng)或滾動軸承，存(cun)在較大的局限(xiàn)性。采用螺旋槽(cáo)氣體軸承，設計(ji)了一種氣體渦(wō)輪流量計。按最(zuì)大穩定性的原(yuan)則，利用MAILAB軟件，系(xì)統地分析了在(zai)氣體渦輪流量(liàng)計中動壓氣體(ti)軸承的結構形(xíng)式對其載荷及(jí)穩定性的影響(xiǎng)，得到了氣體渦(wō)輪流量計中動(dong)壓氣體軸承的(de)可行工作範圍(wei)。
　　流量測量儀表(biǎo)種類繁多，測量(liàng)方法也很多。迄(qi)今爲止，可供工(gong)業用的流量測(ce)量儀表種類達(dá)60種之多。在如此(cǐ)衆多流量測量(liàng)儀表中，氣體渦(wo)輪流量計以其(qí)精度佳、重複性(xing)好、抗幹擾能力(li)好、測量範圍寬(kuān)、結構緊湊等優(you)點而廣泛用于(yú)工業生産中。但(dàn)是由于其主軸(zhóu)承使用滑動軸(zhou)承或滾動軸承(cheng)的局限性，使得(dé)氣體渦輪流量(liàng)計存在不能長(zhang)期保持校準特(te)性以及流體物(wù)性對流量特性(xìng)有較大影響等(deng)缺陷。我國中科(ke)院有一些學者(zhe)曾嘗試将氣體(tǐ)軸承應用于流(liu)量計中，不過大(da)多是選用可傾(qing)瓦動壓氣體軸(zhóu)承。由于可傾瓦(wǎ)動壓氣體軸承(cheng)不但體積大，而(ér)且成本極高，很(hěn)難用于民用工(gong)業中，所以僅僅(jin)停留在試驗階(jiē)段。迄今爲止國(guo)外尚無此類問(wen)題的研究“4。綜合(he)制造成本、使用(yòng)壽命以及精度(dù)提高等因素，本(běn)文作者設計了(le)一種氣體渦輪(lún)流量計用螺旋(xuan)槽動壓氣體軸(zhóu)承(以下統稱螺(luó)旋槽軸承)。
1氣體(tǐ)渦輪流量計的(de)結構及工作原(yuan)理
　　渦輪流量計(jì) 的結構如圖1所(suǒ)示。在管道中心(xīn)安放一個渦輪(lún)，兩端由軸承支(zhī)撐。當流體通過(guò)管道時，沖擊渦(wo)輪葉片，對渦輪(lun)産生驅動力矩(jǔ)，使渦輪克服摩(mo)擦力矩和流體(ti)阻力矩而産生(sheng)旋轉。在一定的(de)流量範圍内,對(duì)一定的流體介(jie)質粘度，渦輪的(de)旋轉角速度與(yǔ)流體流速成正(zhèng)比。由此，流體流(liu)速可通過渦輪(lun)的旋轉角速度(dù)得到，從而可以(yǐ)計算得到通過(guo)管道的流體流(liú)量。渦輪的轉速(sù)通過裝在機殼(ke)外的傳感線圈(quān)來檢測。當渦輪(lun)葉，片切割由殼(ké)體内永久磁鋼(gang)産生的磁力線(xian)時，就會引起傳(chuan)感線圈中的磁(ci)通變化。傳感線(xian)圈将檢測到的(de)磁通周期變化(huà)信号送入前置(zhi)放大器，對信号(hào)進行放大、整形(xing)，産生與流速成(chéng)正比的脈沖信(xin)号。再将脈沖信(xìn)号轉換成模拟(nǐ)電流量，進而指(zhi)示瞬時流量值(zhí)。由于流體通過(guo)渦輪時會對渦(wo)輪産生--個軸向(xiàng)推力，使軸承的(de)摩擦轉矩增大(dà)，加速軸承磨損(sun)，爲了消除軸向(xiàng)力，需在.結構.上(shàng)采取水力平衡(héng)措施，這裏不再(zai)贅述。從圖1中也(yě)不難看出工作(zuo)主軸的性能對(duì)流量計有很大(da)的影響。
 
2氣(qì)體潤滑的特點(dian)
　　從氣體固有的(de)特點來看，氣體(tǐ)作爲潤滑劑具(ju)有以下特點:
(1)粘(zhān)度小。在15~20℃時，其粘(zhan)度約爲油的1/1000，摩(mó)擦力亦爲油的(de)1/1000;當溫度從20℃上升(sheng)到80℃,其粘度增加(jiā)約16%，而相同條件(jian)下油的粘度下(xia)降1/14。氣體由于粘(zhan)度小，它所引起(qǐ)的摩擦力矩比(bi)油引起的小3個(gè)數量級。加上氣(qì)體具有均化作(zuò)用，所以用氣膜(mo)潤滑支承的回(hui)轉精度比油膜(mo)高2個數量級。
(2)适(shi)應性好。油在極(jí)高或極低溫下(xià)，都不起潤滑作(zuò)用。氣體潤滑劑(jì)在高低溫時，化(hua)學性能穩定，不(bu)受原子輻射的(de)影響;加之空氣(qi)的對流作用，即(jí)使在高溫下，也(ye)可把氣膜看成(chéng)恒溫。因此用氣(qì)體潤滑，排除了(le)與邊界有關的(de)一些問題。
(3)清潔(jie)無污染。氣體作(zuo)爲潤滑劑其排(pai)放出來的氣體(tǐ)，對環境無任何(he)污染;且排氣壓(ya)力大于大氣壓(ya)力，外界污物不(bú)易進入機器，保(bao)持機器清潔。氣(qì)膜潤滑使機器(qì)運行平穩，不存(cún)在振動和噪聲(shēng)的污染。
(4)壽命長(zhang)。壽命分布離散(san)是普通軸承尤(yóu)其是高速軸承(cheng)緻命的弱點，工(gōng)作壽命隻有幾(jǐ)十到幾百小時(shí)。氣體軸承正常(chang)工作時，無金屬(shu)接觸，即使考慮(lǜ)其它條件的限(xian)制，壽命仍比普(pǔ)通軸承高得多(duō)，而且能始終保(bǎo)持精度不變。
綜(zong)上所述，氣體軸(zhou)承的引入，無疑(yí)将會使氣體渦(wo)輪流量計産生(sheng)一次革命。
3氣體(tǐ)動壓潤滑
　　如圖(tu)2所示，旋轉件1受(shou)載後将與固定(ding)件2産生偏心。當(dang)旋轉件1以轉速(su)n運動時，其間隙(xì)爲和H，且H1>H2過濾後(hou)的氣體從H流向(xiàng)H2氣體在楔形間(jiān)隙中形成壓力(li)F1。氣體是可壓縮(suō)的，在間隙H2處形(xíng)成低壓區，結果(guo)在偏心方向也(yě)産生支承力F2則(zé)總支承力F爲矢(shǐ)量相加即
F=F1+F2
F用來(lái)平衡外載荷W.
　　動(dòng)壓氣膜，是靠自(zi)生壓力來支承(cheng)外載荷的，故适(shì)應性差。轉速越(yuè)高，形成動壓越(yue)好。但無論轉速(su)如何增加，或使(shi)油膜厚度h減到(dao)最小，氣體動壓(yā)潤滑所産生的(de)壓強分布和承(chéng)載能力都有其(qi)限制。
4螺旋槽軸(zhóu)承的設計
　　螺旋(xuán)槽軸承以其承(cheng)載大(特别是在(zai)高速下).功耗低(di)、高速穩定性好(hao)等優點，遠優于(yú)其它類型的動(dong)壓氣體軸承。由(yóu)于按最大穩定(ding)性優化的螺旋(xuan)槽軸承，與按最(zui)大承載優化的(de)螺旋槽軸承相(xiàng)比較，其穩定性(xìng)提高近千倍，而(ér)其承載能力最(zuì)多損失77%，因此本(ben)文選用按最大(dà)穩定性原則設(shè)計。
　　根據窄槽原(yuan)理，同時充分考(kao)慮可壓縮性，由(yóu)最大穩定性原(yuan)則可以得出以(yǐ)下結論:
 
(1)軸承有(you)槽面旋轉的穩(wěn)定性，總好于無(wú)槽面旋轉的情(qing)形。
(2)在λ-1(λ-1=L/D)時，有槽面(miàn)旋轉的穩定性(xìng)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)槽面旋轉時，Y=1爲(wèi)最佳值，δ=4和B1=6是上(shàng)限值。.
(5)窄槽假設(she)的界限爲:Ng>^/5.
(6)相對(duì)間隙e/R=0.0002~0.0004。
(7)相對偏心(xīn)率:正常工作下(xià)，Ɛ=0.1~0.5;極限狀态下，e-0.8~0.9。
　　綜(zong)合上述結論，本(běn)文取有槽面旋(xuán)轉，且λ=1。
 
 
　　設計本軸(zhóu)承，最重要的就(jiù)是核算其承載(zai)能力。在上述前(qian)提下有以下公(gong)式:
最大穩定承(cheng)載w-W/(psLD)
可壓縮數A=6μɷε2/ps
式(shì)中:pa爲環境壓力(li):μ爲潤滑氣體動(dòng)力粘度;D爲軸承(cheng)直徑;ɷ爲軸承轉(zhuan)速。
　　由于各無量(liàng)綱參數都與可(kě)壓縮數^有密切(qie)關系,所以要核(he)算其承載能力(li)，就必須先求得(dé)^。從上面公式可(ke)以看出，A由μ、ɷ、ε和ps共(gòng)同決定。一般來(lái)說，氣體動力粘(zhān)度可取2X10-5Pa·s環境壓(ya)力可取1.5X10-5Pa;考慮到(dao)制造的成本，e可(kě)取1.75X10-6m,而本文在前(qian)面已經取λ=1,所以(yǐ)經過計算可得(de):.
A=65.3ɷD²
　　用MAILAB軟件分析以(yi)上式子，可以得(dé)到圖4。
 
　　根據最大(da)穩定承載w=εW/(εp,LD)=7.5X104D2W/Ɛ，通過(guo)對表1的分析，同(tóng)樣利用MAILAB軟件分(fen)析最大穩定承(cheng)載w與參數徑向(xiang)承載w/ε以及軸承(chéng)直徑D的相互關(guan)系，可以得到圖(tú)5。
5結論
　　從圖4和圖(tu)5中不難看出，倘(tǎng)若需要氣體渦(wo)輪流量計的正(zheng)常工作速度在(zai)4500r/min以上時，在各參(cān).數都取本文參(can)數，其最大穩定(dìng)載荷會在5N左右(yòu)。況且本文的許(xǔ)多參數是取近(jin)似值，如果能夠(gou)将各個參數進(jìn)一步優化，正常(chang)工作速度比較(jiào)大的氣體渦輪(lun)流量計的主軸(zhou)承完全可以用(yòng)螺旋槽軸承。

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