微型軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的研究.pdf

1、1987年，加州大學(xué)伯克利分校研制成功第一臺(tái)靜電微馬達(dá)，標(biāo)志著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)時(shí)代的到來(lái)。MEMS的出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)微小型化革命，以加工微/納米旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)為目的的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，促進(jìn)了微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的長(zhǎng)足發(fā)展，并逐漸成為MEMS研究的熱點(diǎn)。作為MEMS的動(dòng)力源，微馬達(dá)一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。大功率、高轉(zhuǎn)速馬達(dá)的發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)子和軸承間的潤(rùn)滑技術(shù)提出了更高的要求。氣浮軸承能夠滿足其相應(yīng)的要求，如工作轉(zhuǎn)速高、運(yùn)行阻力低、運(yùn)行時(shí)

2、幾乎沒(méi)有磨損等。因此氣浮軸承在微型高速轉(zhuǎn)子的支撐系統(tǒng)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。國(guó)際上，諸多著名院所正致力與該領(lǐng)域的理論研究與實(shí)用探索。當(dāng)前微旋轉(zhuǎn)機(jī)械的研究主要集中在微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的加工工藝與制造、靜態(tài)特性分析和測(cè)量方法等方面。而針對(duì)微轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，尤其是振動(dòng)特性、摩擦磨損特性、動(dòng)力潤(rùn)滑特性、動(dòng)態(tài)測(cè)試和控制技術(shù)及可靠性等方面的研究還很少或尚未涉及。與常規(guī)宏觀機(jī)械理論研究不同，MEMS系統(tǒng)具有突出的微尺度效應(yīng)。它的問(wèn)世和發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)子-軸承

3、的動(dòng)力學(xué)提出新的挑戰(zhàn)，加強(qiáng)對(duì)微轉(zhuǎn)子-軸承動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究是一個(gè)迫切的課題。因此，本課題的研究對(duì)促進(jìn)微轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)發(fā)展，加快微旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的步伐，提高使用效率和可靠性具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。本研究分為五個(gè)部分： 第一章概述了微旋轉(zhuǎn)機(jī)械的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹微機(jī)械的發(fā)展歷史和背景。分析微觀條件下各種不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，介紹微馬達(dá)研究的情況，特別是介紹動(dòng)力MEMS的發(fā)展，重點(diǎn)探討微尺度效應(yīng)對(duì)各種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)特性的影響。針

4、對(duì)微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，分析MEMS情況下的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及其非線性特性，討論微旋轉(zhuǎn)機(jī)械中出現(xiàn)的摩擦磨損與潤(rùn)滑問(wèn)題。根據(jù)對(duì)微型氣浮軸承在MEMS環(huán)境下應(yīng)用現(xiàn)狀的總結(jié)，分析了微型氣浮軸承的設(shè)計(jì)與制造、力學(xué)特性以及微觀效應(yīng)對(duì)微型氣浮軸承的影響。 第二章討論了微觀狀態(tài)下摩擦與磨損特性的改變及其對(duì)微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能的影響。隨著尺度變小，彈性接觸時(shí)的摩擦系數(shù)呈近似指數(shù)增大，塑性接觸時(shí)的摩擦系數(shù)呈近似指數(shù)增大或減小；磨損系數(shù)隨著尺度減小而減小。針對(duì)微轉(zhuǎn)子平

5、端樞軸模型、錐形樞軸模型和球形樞軸模型三種模型，根據(jù)Archard定律，分析不同模型下的摩擦磨損特性及摩擦力矩對(duì)微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)各種樞軸模型的線磨損率和體積磨損率與操作變量和形狀參數(shù)有關(guān)。針對(duì)微電機(jī)中典型的轉(zhuǎn)子軸襯摩擦磨損問(wèn)題，以半球形軸襯為研究對(duì)象，分析了微轉(zhuǎn)子軸襯的摩擦磨損特性和軸襯-極板接觸副的接觸動(dòng)力學(xué)特性，研究了接觸副幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參量對(duì)微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損特性的影響，研究結(jié)果表明：微轉(zhuǎn)子軸襯偏離轉(zhuǎn)子中心的距離和轉(zhuǎn)子軸

6、襯的半徑對(duì)線磨損率和體積磨損率的變化都有一定的影響，改變微轉(zhuǎn)子軸襯的幾何結(jié)構(gòu)可用于改變系統(tǒng)的摩擦磨損行為，減小軸襯半徑或增大軸襯偏離轉(zhuǎn)子中心的距離可以減少摩擦磨損，但同時(shí)也會(huì)引起線磨損率和體積磨損率增大。 第三章利用微觀效應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)Reynolds方程進(jìn)行修正，并對(duì)氣流的無(wú)量綱流量進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)微加工工藝的特性，微型氣浮軸承軸承與轉(zhuǎn)子間的最小間隙達(dá)到微米量級(jí)甚至更小，在該尺度下，氣膜厚度與氣體分子的自由行程相當(dāng)。氣流連續(xù)的假設(shè)

7、在MEMS系統(tǒng)中遇到新的問(wèn)題，相比之下，滑移流機(jī)制更符合實(shí)際情況，此時(shí)氣流在固體邊界上發(fā)生速度滑移現(xiàn)象。此外，為了提高模擬分析精度，可變硬球分子模型(variablehardsphere，VHS)和可變軟球分子模型(variablesoftsphere，VSS)成為微觀流體力學(xué)中兩個(gè)主要的分子動(dòng)力學(xué)模型。將VHS模型和VSS模型與滑移流模型結(jié)合，得到一階滑移流、二階滑移流和1.5階滑移流情況下修正的Reynolds方程。利用解析法對(duì)微流

8、體的無(wú)量綱流量進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各種流體模型的流量與逆努森數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)逆努森數(shù)減小時(shí)，連續(xù)流得到的結(jié)果存在明顯誤差。幾種模型在不同逆努森數(shù)范圍下將分別得到最佳模擬結(jié)果。 第四章研究了微型氣浮軸承(包括微型氣浮徑向軸承和微型氣浮推力軸承)的力學(xué)特性，重點(diǎn)分析了滑移流效應(yīng)對(duì)軸承性能的影響。利用有限差分法對(duì)修正的Reynolds方程進(jìn)行求解，可以得到微型氣浮軸承的氣壓、承載能力、偏位角。根據(jù)第三章分析的結(jié)論，針對(duì)徑向軸承和推力軸承，

9、分別選取二階滑移流和1.5階滑移流進(jìn)行分析，并與連續(xù)流與一階滑移流模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，討論滑移流效應(yīng)對(duì)軸承力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)滑移流效應(yīng)明顯降低了氣壓分布，由此導(dǎo)致承載能力降低。在微型氣浮推力軸承的分析中，發(fā)現(xiàn)滑塊尾部的擴(kuò)散作用導(dǎo)致低于環(huán)境氣壓區(qū)域的存在；另一方面由于滑塊表面速度隨半徑而發(fā)生變化，因此引起氣壓分布峰值和谷值略微向半徑增大的方向偏移。 第五章主要研究微型氣浮徑向軸承支撐的微型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。微型馬達(dá)依靠穩(wěn)定的工

10、作狀態(tài)來(lái)提供平穩(wěn)的功率輸出，因此要求軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠高速旋轉(zhuǎn)并能抵抗輕微的擾動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到輕微擾動(dòng)時(shí)，認(rèn)為軸承力增量與擾動(dòng)位移成線性關(guān)系，由此給出系統(tǒng)線性運(yùn)動(dòng)方程，并根據(jù)方程右端矩陣的特征值來(lái)得到失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。為了得到準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用非線性軸承力對(duì)受擾轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性起決定性作用，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速不低于線性失穩(wěn)轉(zhuǎn)速時(shí)才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。受多種因素制約，實(shí)際轉(zhuǎn)子總會(huì)存在質(zhì)量偏心。對(duì)于高速工作的微型轉(zhuǎn)子，質(zhì)量偏