真空環(huán)境下靜壓氣體軸承內(nèi)流場分析.pdf

1、因具有摩擦小、精度高、無污染、壽命長等優(yōu)點，氣體軸承被廣泛應用于微電子制造和超精密定位設備中，而隨著下一代光刻曝光、激光干涉測量和半導體檢測技術(shù)的發(fā)展，超精密運動定位不僅要求定位精度更高，還要求必須在真空或超潔凈環(huán)境中進行，但真空環(huán)境下靜壓氣體軸承性能與大氣環(huán)境下相比較變化顯著。目前對于真空條件下靜壓氣體軸承潤滑理論的研究比較少，而且多以單一的連續(xù)流為基礎，未考慮過渡流和分子流對軸承內(nèi)部流場的影響。針對此問題，本文以單供氣孔應用于真空環(huán)

2、境的盤型靜壓止推軸承作為研究對象，對真空環(huán)境下軸承的氣體內(nèi)流場進行了理論分析和實驗研究，主要完成了以下幾方面的工作：
　　(1)將真空環(huán)境氣體軸承內(nèi)流場分為入口區(qū)域、承載區(qū)域和密封區(qū)域三個部分分別進行分析，其中，根據(jù)氣體薄膜的潤滑原理，采用D-T模型和一階滑移模型對真空環(huán)境下氣體軸承承載區(qū)的潤滑問題進行了重點研究。將軸承的參數(shù)無量綱化后，通過D-T模型分析得到，增大承載區(qū)無量綱入口壓力、無量綱入口區(qū)域半徑，減小軸承外徑和氣膜厚度的

3、比值，可以使連續(xù)流到分子流轉(zhuǎn)變位置外移，提高了氣體軸承的相對承載能力，通過一階滑移模型分析認為，在其他條件不變的情況下，增大邊界克努森數(shù)會使軸承的承載能力下降；
　　(2)建立了以真空環(huán)境為邊界條件的仿真模型，采用COMSOL軟件模擬了入口區(qū)域、承載區(qū)域和密封區(qū)域的壓力場分布，分析認為，入口區(qū)域的流動復雜，但由于所占比重比較小，為軸承提供的承載力有限，而承載區(qū)域是軸承承載力的主要來源，與大氣環(huán)境下相比，真空環(huán)境下氣體軸承的承載能力

4、有所提高，由于氣體稀薄效應，提高量少于大氣環(huán)境時軸承上表面所受的大氣壓力，密封區(qū)域的氣體壓力由于抽氣系統(tǒng)的作用變得很稀薄，需要用分子流模塊來模擬，模擬得到了不同排氣槽尺寸和氣膜厚度是的壓力分布，結(jié)果顯示氣膜厚度增大，排氣槽處的壓力降低，減小排氣槽深度有利于提高軸承的密封性能，減小排氣槽寬度，排氣槽處的壓力會增加，對軸承的密封性能的影響需綜合考慮密封寬度的增加產(chǎn)生的結(jié)果；
　　(3)對加工的實驗真空環(huán)境氣體軸承進行了數(shù)值計算，并通過

5、搭建的真空環(huán)境下靜壓氣體軸承的性能實驗裝置，加載不同負載時，測量了氣膜厚度、承載區(qū)入口壓力、一級排氣槽軸承和兩級排氣槽軸承排氣槽處壓力相應情況下真空室的壓力，實驗結(jié)果表明，相同負載下，真空環(huán)境時的氣膜厚度比大氣環(huán)境下有了很大增加，氣膜厚度增加時，氣體軸承的泄漏量先增大后減?。?br>　　(4)將實驗結(jié)果和理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合來分析，總結(jié)了理論方法和數(shù)值仿真方法，對比結(jié)果表明一階滑移模型和COMSOL仿真結(jié)果與實驗符合得比較好，另外還

6、對真空氣體軸承的設計提出了優(yōu)化的方法，結(jié)果認為增大排氣系統(tǒng)泵的抽速有利于降低排氣槽出的壓力，提高軸承的密封性，但要兼顧實際情況和經(jīng)濟成本來選取，對于兩級排氣槽軸承，還需合理地分配第一級和第二級密封寬度。
　　通過本課題的研究，期望利用對真空環(huán)境氣體軸承的內(nèi)部流場的理論分析、仿真和實驗研究，獲得性能計算方法和減少氣體泄漏提高軸承密封性能的方法，其中主要考慮了氣體稀薄效應的影響，為氣體軸承在真空環(huán)境下的應用提供一定的理論支撐，為氣體軸