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氣體渦輪流量計中動壓氣體軸承的研究分析

作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
流量測量儀表種類繁多,測量方法也很多。迄今為止,可供工業用的流量測量儀表種類達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高精度、重復性好、抗干擾能力好、測量范圍寬、結構
緊湊等優點而廣泛用于工業生產中。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者曾嘗試將氣體軸承應用于流量計中,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,而且成本很高,很難用于民用工業中,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。綜合制造成本、使用壽命以及精度提高等因素,本文作者設計了一種氣體渦輪流量計用螺旋槽動壓氣體軸承(以下統稱螺旋槽軸承)。
 
1.氣體渦輪流量計的結構及工作原理
渦輪流量計的結構如圖1所示。在管道中心安放一個渦輪,兩端由軸承支撐。當流體通過管道時,沖擊渦輪葉片,對渦輪產生驅動力矩,使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產生旋轉。在一定的流量范圍內,對一定的流體介質粘度,渦輪的旋轉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。渦輪的轉速通過裝在機殼外的傳感線圈來檢測。當渦輪葉片切割由殼體內久磁鋼產生的磁力線時,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,對信號進行放大、整理,產生與流速成正比的脈沖信號。再將脈沖信號轉換成模擬電流量,進而指示瞬時流量值。由于流體通過渦輪時會對渦輪產生一個軸向推力,使軸承的摩擦轉矩增大,加速軸承磨損,為了消除軸向力,需在結構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個數量級。加上氣體具有均化作用,所以用氣膜潤滑支承的回轉精度比油膜高2個數量級。
(2)適應性好。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,化學性能穩定,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,對環境無任何污染;且排氣壓力大于大氣壓力,外界污物不易進人機器,保持機器清潔。氣膜潤滑使機器運行平穩,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產生一次革新
 
3.氣體動壓潤滑
如圖2所示,旋轉件1受載后將與固定件2產生偏心。當旋轉件1以轉速n運動時,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,結果在偏心方向也產生支承力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,故適應性差。轉速越高,形成動壓越好。但無論轉速如何增加,或使油膜厚度h減到ZUI小,氣體動壓潤滑所產生的壓強分布和承載能力都有其限制。

4.螺旋槽軸承的設計
螺旋槽軸承以其承載大(特別是在高速下)、功耗低、高速穩定性好等優點,遠優于其它類型的動壓氣體軸承。由于按ZUI大穩定性優化的螺旋槽軸承,與按ZUI大承載優化的螺旋槽軸承相比較,其穩定性提高近千倍,而其承載能力ZUI多損失77%,因此本文選用按ZUI大穩定性原則設計。根據窄槽原理,同時充分考慮可壓縮性,由ZUI大穩定性原則可以得出以下結論:
1)軸承有槽面旋轉的穩定性,總好于無槽面旋轉的情形。
(2)在入=1(入=L/D)時,有槽面旋轉的穩定性佳。
(3)軸承的穩定性對槽參數ß、B1、Y和δ很敏感
(4)當槽面旋轉時,Y=1為ZUI佳值,δ=4和B1=6是上限值。
(5)窄槽假設的界限為: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。
綜合上述結論,本文取有槽面旋轉,且入=1。圖3為螺旋槽軸承結構;表1為λ=1時有槽面旋轉的軸承參數。其中δ=hg/h,lg=L1,l=L/2,
Y=lg/(l-lg),B=bg/br,。
設計本軸承,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大穩定承載W=W/(PaLD)
可壓縮數A=6uwe2/P
式中:P為環境壓力;μ為潤滑氣體動力粘度;D為軸承直徑;a為軸承轉速。
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軟件分析以上式子,可以得到圖4。
根據ZUI大穩定承載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大穩定承載W與參數徑向承載W/g以及軸承直徑D的相互關系,可以得到圖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度在4500r/min以上時,在各參數都取本文參數,其ZUI大穩定載荷會在5N左右。況且本文的許多參數是取近似值,如果能夠將各個參數進一步優化,正常工作速度比較大的氣體渦輪流量計的主軸承全可以用螺旋槽軸承。
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