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(jì)以其高精度、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(diǎn)而廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是由于其主軸承使用滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承的局限性,使得氣體渦輪流量計(jì)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(jì)中,不過大多是選用可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承。由于可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承不但體積大,而且成本很高,很難用于民用工業(yè)中,所以僅僅停留在試驗(yàn)階段。迄今為止國外尚無此類問題的研究。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(jì)了一種氣體渦輪流量計(jì)用螺旋槽動(dòng)壓氣體軸承(以下統(tǒng)稱螺旋槽軸承)。

1.氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在管道中心安放一個(gè)渦輪,兩端由軸承支撐。當(dāng)流體通過管道時(shí),沖擊渦輪葉片,對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)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(jì)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)久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時(shí),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、整理,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(shí)流量值。由于流體通過渦輪時(shí)會對渦輪產(chǎn)生一個(gè)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)上釆取水力平衡措施,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(jì)有很大的影響。

2.氣體潤滑的特點(diǎn)

從氣體固有的特點(diǎn)來看,氣體作為潤滑劑具有以下特點(diǎn)

(1)粘度小。在15-20℃時(shí),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(gè)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(gè)數(shù)量級。

(2)適應(yīng)性好。油在及高或及低溫下,都不起潤滑作用。氣體潤滑劑在高低溫時(shí),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。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)人機(jī)器,保持機(jī)器清潔。氣膜潤滑使機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn),不存在振動(dòng)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(diǎn),工作壽命只有幾十到幾百小時(shí)。氣體軸承正常工作時(shí),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,而且能終保

持精度不變。
綜上所述,氣體軸承的引人,無疑將會使氣體渦輪流量計(jì)產(chǎn)生一次革新

3.氣體動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí),其間隙為H1和H2,且H1>H2。過濾后的氣體從H1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(dòng)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(dòng)壓越好。但無論轉(zhuǎn)速如何增加,或使油膜厚度h減到ZUI小,氣體動(dòng)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(jì)

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(diǎn),遠(yuǎn)優(yōu)于其它類型的動(dòng)壓氣體軸承。由于按ZUI大穩(wěn)定性優(yōu)化的螺旋槽軸承,與按ZUI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ZUI多損失77%,因此本文選用按ZUI大穩(wěn)定性原則設(shè)計(jì)。根據(jù)窄槽原理,同時(shí)充分考慮可壓縮性,由ZUI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)在入=1(入=L/D)時(shí),有槽面旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性佳。

(3)軸承的穩(wěn)定性對槽參數(shù)ß、B1、Y和δ很敏感

(4)當(dāng)槽面旋轉(zhuǎn)時(shí),Y=1為*值,δ=4和B1=6是上限值。

(5)窄槽假設(shè)的界限為:Ng>A/5。

(6)相對間隙e/R=0.0002~0.0004

(7)相對偏心率:正常工作下,E=0.1~0.5;極狀態(tài)下,E=0.8~0.9。

綜合上述結(jié)論,本文取有槽面旋轉(zhuǎn),且入=1。圖3為螺旋槽軸承結(jié)構(gòu);表1為λ=1時(shí)有槽面旋轉(zhuǎn)的軸承參數(shù)。其中δ=hg/h,lg=L1,l=L/2,

Y=lg/(l-lg),B=bg/br,。

設(shè)計(jì)本軸承,ZUI重要的就是核算其承載能力。在上述前提下有以下公式:

ZUI大穩(wěn)定承載W=W/(PaLD)

可壓縮數(shù)A=6uwe2/P

式中:P為環(huán)境壓力;μ為潤滑氣體動(dòng)力粘度;D為軸承直徑;a為軸承轉(zhuǎn)速。

由于各無量綱參數(shù)都與可壓縮數(shù)A有密切關(guān)系,所以要核算其承載能力,就必須先求得A。從上面公式可以看出,A由μ、、ε和p,共同決定。一般來說,氣體動(dòng)力粘度可取2×103Pa·s,環(huán)境壓力可取1.5×103Pa;考慮到制造的成本,e可取1.75×10°m,而本文在前面已經(jīng)取A=1,所以經(jīng)過計(jì)算可得:
A=65.3aD

用 MATLAB軟件分析以上式子,可以得到圖4。

根據(jù)ZUI大穩(wěn)定承載W=eW/(epa,LD)=7.5*10的4次方*D2W/e,通過對表1的分析,同樣利用 MATLAB軟件分析ZUI大穩(wěn)定承載W與參數(shù)徑向承載W/g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(jì)的正常工作速度在4500r/min以上時(shí),在各參數(shù)都取本文參數(shù),其ZUI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€(gè)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(jì)的主軸承全可以用螺旋槽軸承。