HKT气体涡轮流量计中动压气体轴承的研究

    流量测量仪表种类繁多，测量方法也很多。迄今为止，可供工业用的流量测量仪表种类达60种之多。在如此众多流量测量仪表中，HKT气体涡轮流量计以其高精度、重复性好、抗干扰能力好、测量范围宽、结构紧凑等优点而广泛用于工业生产中。但是由于其主轴承使用滑动轴承或滚动轴承的局限性，使得HKT气体涡轮流量计存在不能长期保持校准特性以及流体物性对流量特性有较大影响等缺陷^[5-7]。我国中科院有一些学者曾尝试将气体轴承应用于流量计中，不过大多是选用可倾瓦动压气体轴承。由于可倾瓦动压气体轴承不但体积大，而且成本极高，很难用于民用工业中，所以仅仅停留在试验阶段。迄今为止国外尚无此类问题的研究^[1-4]。综合制造成本、使用寿命以及精度提高等因素，本文作者设计了一种HKT气体涡轮流量计用螺旋槽动压气体轴承（以下统称螺旋槽轴承）。

    1 HKT气体涡轮流量计的结构及工作原理

    涡轮流量计的结构如图1所示。在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号。再将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使轴承的摩擦转矩增大，加速轴承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措施，这里不再赘述。从图1中也不难看出工作主轴的性能对流量计有很大的影响。

    2 气体润滑的特点

    从气体固有的特点来看，气体作为润滑剂具有以下特点：

    （1）粘度小。

    在15~20℃时，其粘度约为油的1/1000，摩擦力亦为油的1/1000；当温度从20℃上升到80℃，其粘度增加约16%，而相同条件下油的粘度下降1/14。气体由于粘度小，它所引起的摩擦力矩比油引起的小3个数量级。加上气体具有均化作用，所以用气膜润滑支承的回转精度比油膜高2个数量级。

    （2）适应性好。

    油在极高或极低温下，都不起润滑作用。气体润滑剂在高低温时，化学性能稳定，不受原子辐射的影响；加之空气的对流作用，即使在高温下，也可把气膜看成恒温。因此用气体润滑，排除了与边界有关的一些问题。

    （3）清洁无污染。

    气体作为润滑剂其排放出来的气体，对环境无任何污染；且排气压力大于大气压力，外界污物不易进入机器，保持机器清洁。气膜润滑使机器运行平稳，不存在振动和噪声的污染。

    （4）寿命长。

    寿命分布离散是普通轴承尤其是高速轴承致命的弱点，工作寿命只有几十到几百小时。气体轴承正常工作时，无金属接触，即使考虑其它条件的限制，寿命仍比普通轴承高得多，而且能始终保持精度不变。

    综上所述，气体轴承的引入，无疑将会使HKT气体涡轮流量计产生一次革命。

    3 气体动压润滑

    如图2所示，旋转件1受载后将与固定件2产生偏心。当旋转件1以转速n运动时，其间隙为H₁和H₂，且H₁>H₂。过滤后的气体从H₁流向H₂，气体在楔形间隙中形成压力F₁。气体是可压缩的，在间隙H₂处形成低压区，结果在偏心方向也产生支承力F₂，则总支承力F为矢量相加即：

    F = F₁ + F₂

    F用来平衡外载荷W。

    动压气膜，是靠自生压力来支承外载荷的，故适应性差。转速越高，形成动压越好。但无论转速如何增加，或使油膜厚度h减到最小，气体动压润滑所产生的压强分布和承载能力都有其限制。

    4 旋槽轴承的设计

    螺旋槽轴承以其承载大（特别是在高速下）、功耗低、高速稳定性好等优点，远优于其它类型的动压气体轴承。由于按最大稳定性优化的螺旋槽轴承，与按最大承载优化的螺旋槽轴承相比较，其稳定性提高近千倍，而其承载能力最多损失77%，因此本文选用按最大稳定性原则设计。

    根据窄槽原理，同时充分考虑可压缩性，由最大稳定性原则可以得出以下结论：

    （1）轴承有槽面旋转的稳定性，总好于无槽面旋转的情形。
    （2）在λ=1（λ=L/D）时，有槽面旋转的稳定性最佳。
    （3）轴承的稳定性对槽参数、、和十分敏感。
    （4）当槽面旋转时，=1为最佳值，=4和=6是上限值。
    （5）窄槽假设的界限为：Ng>Λ/5。
    （6）相对间隙e/R=0.0002~0.0004。
    （7）相对偏心率：正常工作下，ε=0.1~0.5；极限状态下，ε=0.8~0.9。

    综合上述结论，本文取有槽面旋转，且λ=1。

    图3为螺旋槽轴承结构；表1为λ=1时有槽面旋转的轴承参数。其中=h_g/h_r，l_g=L₁，l=L/2，=l_g/（l - l_g），=b_g/b_r。

表1 最大稳定性螺旋槽径向轴承部分最佳参数值（槽面旋转且λ=1）

无量纲参数	不可压缩数	可压缩数
		1	2	5	10	20	40	80
槽深比	2.17	2.25	2.37	2.54	2.54	3.10	3.06	2.77
槽宽比	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.6	0.478
槽长比	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	0.904
槽角β/（°）	36.0	36.2	35.6	34.1	34.1	22.0	21.8	24.2
临界质量	16.6	18.4	10.6	8.61	8.61	6.44	6.39	3.94
径向承载/ε	0.0899	0.0973	0.194	0.424	0.654	0.694	0.997	2.87
稳定性比	1.10	1.39	∞	13.6	8.52	9.47	299.0	779.0
承载比	0.89	0.79	0.61	0.49	0.49	0.37	0.37	0.68

    设计本轴承，最重要的就是核算其承载能力。在上述前提下有以下公式：

    最大稳定承载  W = /（p_aLD）

    可压缩数 Λ= 6μωε²/p_a

    式中：p_a为环境压力；μ为润滑气体动力粘度；D为轴承直径；ω为轴承转速。

    由于各无量纲参数都与可压缩数Λ有密切关系，所以要核算其承载能力，就必须先求得Λ。从上面公式可以看出，Λ由μ、ω、ε和P_a共同决定。一般来说，气体动力粘度可取2×10^-5Pa·s，环境压力可取1.5×10⁵Pa；考虑到制造的成本，e可取1.75×10^-6m，而本文在前面已经取λ=1，所以经过计算可得：

    Λ = 65.3ωD²

    用MATLAB软件分析以上式子，可以得到图4。

    根据最大稳定承载

    W=ε /（εp_aLD）=7.5×10⁴D²/ε

    通过对表1的分析，同样利用MATLAB软件分析最大稳定承载W与参数径向承载/ε以及轴承直径D的相互关系，可以得到图5。

    5 结论

    从图4和图5中不难看出，倘若需要HKT气体涡轮流量计的正常工作速度在4500r/min以上时，在各参数都取本文参数，其最大稳定载荷会在5N左右。况且本文的许多参数是取近似值，如果能够将各个参数进一步优化，正常工作速度比较大的HKT气体涡轮流量计的主轴承完全可以用螺旋槽轴承。