流(liu)量(liang)測量(liang)儀表種類(lei)繁(fan)多(duo)(duo),測量(liang)方法(fa)也(ye)很(hen)多(duo)(duo)。迄今為止,可供工業用的(de)流(liu)(liu)量(liang)測量(liang)儀表種類(lei)達(da)60種之多(duo)(duo)。在(zai)如此眾多(duo)(duo)流(liu)(liu)量(liang)測量(liang)儀表中,氣(qi)體(ti)渦(wo)輪流(liu)(liu)量(liang)計以其高精(jing)度、重復性好、抗(kang)干擾(rao)能力好、測量(liang)范圍(wei)寬、結構(gou)

緊湊等(deng)優點而(er)廣泛用(yong)(yong)于(yu)(yu)工(gong)業(ye)生產中(zhong)。但是由于(yu)(yu)其主軸(zhou)(zhou)承(cheng)使用(yong)(yong)滑動軸(zhou)(zhou)承(cheng)或滾(gun)動軸(zhou)(zhou)承(cheng)的(de)局限性(xing),使得氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)渦輪(lun)流量計(ji)存在不能長期保持校準特性(xing)以(yi)及流體(ti)(ti)(ti)物性(xing)對(dui)流量特性(xing)有較大影響等(deng)缺陷(xian)。我國中(zhong)科院(yuan)有一些學者曾(ceng)嘗試將(jiang)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)軸(zhou)(zhou)承(cheng)應用(yong)(yong)于(yu)(yu)流量計(ji)中(zhong),不過大多是選(xuan)用(yong)(yong)可(ke)傾瓦動壓(ya)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)軸(zhou)(zhou)承(cheng)。由于(yu)(yu)可(ke)傾瓦動壓(ya)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)軸(zhou)(zhou)承(cheng)不但體(ti)(ti)(ti)積大,而(er)且成(cheng)本很高,很難用(yong)(yong)于(yu)(yu)民(min)用(yong)(yong)工(gong)業(ye)中(zhong),所以(yi)僅僅停留在試驗階段。迄(qi)今為止國外尚(shang)無此類問題的(de)研究。綜合制造成(cheng)本、使用(yong)(yong)壽(shou)命以(yi)及精度提(ti)高等(deng)因素,本文作者設計(ji)了一種氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)渦輪(lun)流量計(ji)用(yong)(yong)螺旋(xuan)槽動壓(ya)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(以(yi)下(xia)統稱螺旋(xuan)槽軸(zhou)(zhou)承(cheng))。

1.氣體渦(wo)輪流(liu)量計的結構及工作原理

渦輪流量計的(de)(de)(de)(de)結構(gou)(gou)如圖(tu)1所示。在管道(dao)(dao)中心安放(fang)(fang)一個渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun),兩端(duan)由(you)(you)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)支(zhi)撐。當流(liu)(liu)(liu)體(ti)通(tong)(tong)過管道(dao)(dao)時(shi),沖(chong)擊渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)葉片(pian),對渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)產生驅動力(li)(li)矩(ju)(ju),使(shi)渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)克服摩(mo)擦(ca)力(li)(li)矩(ju)(ju)和流(liu)(liu)(liu)體(ti)阻力(li)(li)矩(ju)(ju)而產生旋轉(zhuan)。在一定(ding)的(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)量范圍內(nei),對一定(ding)的(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)體(ti)介質(zhi)粘度,渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)旋轉(zhuan)角(jiao)速(su)(su)度與流(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)速(su)(su)成(cheng)(cheng)正比(bi)。由(you)(you)此(ci),流(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)速(su)(su)可通(tong)(tong)過渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)旋轉(zhuan)角(jiao)速(su)(su)度得(de)到,從而可以計算得(de)到通(tong)(tong)過管道(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)量。渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)速(su)(su)通(tong)(tong)過裝在機殼外的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感(gan)線(xian)圈(quan)來檢(jian)(jian)測。當渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)葉片(pian)切割由(you)(you)殼體(ti)內(nei)久磁(ci)鋼產生的(de)(de)(de)(de)磁(ci)力(li)(li)線(xian)時(shi),就會引起傳(chuan)感(gan)線(xian)圈(quan)中的(de)(de)(de)(de)磁(ci)通(tong)(tong)變(bian)化。傳(chuan)感(gan)線(xian)圈(quan)將檢(jian)(jian)測到的(de)(de)(de)(de)磁(ci)通(tong)(tong)周期變(bian)化信(xin)號(hao)送入前置放(fang)(fang)大(da)(da)器,對信(xin)號(hao)進行放(fang)(fang)大(da)(da)、整理,產生與流(liu)(liu)(liu)速(su)(su)成(cheng)(cheng)正比(bi)的(de)(de)(de)(de)脈(mo)沖(chong)信(xin)號(hao)。再(zai)(zai)將脈(mo)沖(chong)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換成(cheng)(cheng)模擬電流(liu)(liu)(liu)量,進而指示瞬時(shi)流(liu)(liu)(liu)量值。由(you)(you)于流(liu)(liu)(liu)體(ti)通(tong)(tong)過渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)時(shi)會對渦(wo)(wo)(wo)輪(lun)(lun)(lun)產生一個軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)向推(tui)力(li)(li),使(shi)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)的(de)(de)(de)(de)摩(mo)擦(ca)轉(zhuan)矩(ju)(ju)增大(da)(da),加速(su)(su)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)磨損(sun),為了(le)消(xiao)除軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)向力(li)(li),需在結構(gou)(gou)上釆(bian)取水力(li)(li)平衡措(cuo)施,這里不再(zai)(zai)贅述。從圖(tu)1中也(ye)不難看出工作主軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)的(de)(de)(de)(de)性能對流(liu)(liu)(liu)量計有很大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)影響。

2.氣體潤滑的特點

從氣體固有的特點來看,氣體作為(wei)潤滑(hua)劑具有以下特點

(1)粘度(du)(du)小。在(zai)15-20℃時,其(qi)粘度(du)(du)約為油的(de)1/1000,摩擦力(li)亦為油的(de)1/1000;當溫(wen)度(du)(du)從20℃上(shang)升(sheng)到80℃,其(qi)粘度(du)(du)增加約16%,而相同(tong)條件下油的(de)粘度(du)(du)下降(jiang)1/14。氣(qi)(qi)體由于粘度(du)(du)小,它所(suo)引起的(de)摩擦力(li)矩比(bi)油引起的(de)小3個數量(liang)級。加上(shang)氣(qi)(qi)體具(ju)有(you)均化作(zuo)用,所(suo)以用氣(qi)(qi)膜潤滑支承的(de)回(hui)轉精(jing)度(du)(du)比(bi)油膜高2個數量(liang)級。

(2)適應性好。油在(zai)及高(gao)或(huo)及低(di)溫(wen)下,都不起潤滑(hua)作(zuo)用。氣體(ti)潤滑(hua)劑在(zai)高(gao)低(di)溫(wen)時,化學性能(neng)穩定(ding),不受原子(zi)輻射的(de)影響;加(jia)之(zhi)空(kong)氣的(de)對流作(zuo)用,即使在(zai)高(gao)溫(wen)下,也可把(ba)氣膜看成恒溫(wen)。因(yin)此用氣體(ti)潤滑(hua),排除(chu)了與邊界有關的(de)一些問題。

(3)清(qing)潔無污(wu)。氣(qi)體(ti)作為潤(run)滑(hua)(hua)劑其排放出(chu)來(lai)的氣(qi)體(ti),對環境(jing)無任何(he)污(wu)染;且排氣(qi)壓力大于大氣(qi)壓力,外界污(wu)物不易進(jin)人機(ji)(ji)器,保持機(ji)(ji)器清(qing)潔。氣(qi)膜潤(run)滑(hua)(hua)使機(ji)(ji)器運行平穩,不存在振動和噪聲的污(wu)染。

(4)壽命(ming)(ming)(ming)長。壽命(ming)(ming)(ming)分布(bu)離(li)散(san)是(shi)普通軸(zhou)(zhou)承尤(you)其(qi)是(shi)高速軸(zhou)(zhou)承致命(ming)(ming)(ming)的弱點(dian),工作壽命(ming)(ming)(ming)只(zhi)有幾十到幾百小(xiao)時。氣體軸(zhou)(zhou)承正(zheng)常工作時,無金屬接觸,即(ji)使考(kao)慮其(qi)它條件的限制,壽命(ming)(ming)(ming)仍比普通軸(zhou)(zhou)承高得(de)多,而且能終保

持精度不變。
綜上所述,氣(qi)體(ti)軸承的引人,無疑將會使(shi)氣(qi)體(ti)渦輪流(liu)量計產生一次革新(xin)

3.氣體動壓潤滑

如圖2所示,旋(xuan)轉件(jian)1受載(zai)后(hou)將與固定件(jian)2產(chan)生(sheng)偏心(xin)。當旋(xuan)轉件(jian)1以轉速n運動時(shi),其間隙(xi)為H1和H2,且H1>H2。過濾后(hou)的氣(qi)體從(cong)H1流向(xiang)H2,氣(qi)體在(zai)楔形(xing)間隙(xi)中(zhong)形(xing)成壓力(li)F1。氣(qi)體是可壓縮的,在(zai)間隙(xi)H2處形(xing)成低(di)壓區,結果(guo)在(zai)偏心(xin)方向(xiang)也(ye)產(chan)生(sheng)支承力(li)F2,則總(zong)支承力(li)F為矢量相加即:

F=F1 +F2

F用來(lai)平衡外載(zai)(zai)(zai)荷W。動(dong)壓(ya)氣膜,是靠自生(sheng)壓(ya)力來(lai)支承(cheng)外載(zai)(zai)(zai)荷的,故適應性差。轉速越高,形(xing)成動(dong)壓(ya)越好。但(dan)無(wu)論轉速如何增加,或使油膜厚度h減到(dao)ZUI小,氣體動(dong)壓(ya)潤滑(hua)所產生(sheng)的壓(ya)強分布(bu)和承(cheng)載(zai)(zai)(zai)能(neng)力都有其限制。

4.螺旋(xuan)槽軸承的設(she)計

螺(luo)旋(xuan)槽軸承(cheng)(cheng)以其承(cheng)(cheng)載大(da)(da)(特別是在(zai)高速下)、功耗低、高速穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)好等優(you)點(dian),遠(yuan)優(you)于(yu)其它類型的(de)(de)(de)動壓氣體軸承(cheng)(cheng)。由于(yu)按(an)ZUI大(da)(da)穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)優(you)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)螺(luo)旋(xuan)槽軸承(cheng)(cheng),與按(an)ZUI大(da)(da)承(cheng)(cheng)載優(you)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)螺(luo)旋(xuan)槽軸承(cheng)(cheng)相比較,其穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)提(ti)高近千倍,而(er)其承(cheng)(cheng)載能力ZUI多損失77%,因此本文選用按(an)ZUI大(da)(da)穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)原(yuan)則設計。根據(ju)窄槽原(yuan)理,同時充分(fen)考慮可壓縮性(xing),由ZUI大(da)(da)穩(wen)定(ding)(ding)性(xing)原(yuan)則可以得出(chu)以下結論：

1)軸承有槽面旋轉的穩定(ding)性,總(zong)好于無槽面旋轉的情形(xing)。

(2)在入(ru)=1(入(ru)=L/D)時,有槽面旋轉的穩定性(xing)佳。

(3)軸承的穩(wen)定性對槽參數ß、B1、Y和δ很(hen)敏感

(4)當槽(cao)面(mian)旋轉(zhuan)時,Y=1為*值,δ=4和B1=6是上限(xian)值。

(5)窄(zhai)槽假設的界限為: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;極狀態下,E=0.8~0.9。

綜合(he)上述結論,本文(wen)取有槽面旋轉(zhuan),且(qie)入(ru)=1。圖3為螺旋槽軸承結構;表1為λ=1時有槽面旋轉(zhuan)的軸承參數(shu)。其中δ=hg/h,lg=L1,l=L/2,

Y=lg/(l-lg),B=bg/br,。

設(she)計本軸承,ZUI重要的就是核算其承載能(neng)力。在上(shang)述前(qian)提下有以下公式:

ZUI大穩定承載W=W/(PaLD)

可壓縮數A=6uwe2/P

式中:P為環(huan)境壓力;μ為潤滑氣體動力粘度;D為軸(zhou)承直徑;a為軸(zhou)承轉(zhuan)速。

由于各無量綱參數都與可壓縮數A有密切關系,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,氣體動力粘度可取2×103Pa·s,環境壓力可取1.5×103Pa;考慮到制造的成本,e可取1.75×10°m,而本文在前面已經取A=1,所以經過計算可得:
A=65.3aD

用 MATLAB軟件分(fen)析以上式子(zi),可(ke)以得(de)到(dao)圖4。

根(gen)據ZUI大(da)穩定承載(zai)W=eW/(epa,LD)=7.5*10的(de)(de)4次方*D2W/e,通過對表1的(de)(de)分析(xi),同樣利用 MATLAB軟件分析(xi)ZUI大(da)穩定承載(zai)W與參數徑向承載(zai)W/g以(yi)及軸承直徑D的(de)(de)相互關系,可以(yi)得到圖5。

5.結論

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(su)度(du)在4500r/min以上時(shi),在各(ge)參數(shu)(shu)都取本(ben)文參數(shu)(shu),其ZUI大(da)穩定載荷(he)會在5N左右。況且(qie)本(ben)文的許多參數(shu)(shu)是取近(jin)似(si)值,如(ru)果(guo)能夠將各(ge)個參數(shu)(shu)進一步優化(hua),正常工作速(su)度(du)比較(jiao)大(da)的氣體渦輪(lun)流量計的主軸承(cheng)全可以用螺旋槽軸承(cheng)。