微型軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的研究.pdf

1、1987年，加州大學伯克利分校研制成功第一臺靜電微馬達，標志著微機電系統(tǒng)(MEMS)時代的到來。MEMS的出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機械領域帶來了一場微小型化革命，以加工微/納米旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構和系統(tǒng)為目的的技術應運而生，促進了微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的長足發(fā)展，并逐漸成為MEMS研究的熱點。作為MEMS的動力源，微馬達一直是研究的熱點問題。大功率、高轉(zhuǎn)速馬達的發(fā)展，對轉(zhuǎn)子和軸承間的潤滑技術提出了更高的要求。氣浮軸承能夠滿足其相應的要求，如工作轉(zhuǎn)速高、運行阻力低、運行時

2、幾乎沒有磨損等。因此氣浮軸承在微型高速轉(zhuǎn)子的支撐系統(tǒng)中具有獨特優(yōu)勢。國際上，諸多著名院所正致力與該領域的理論研究與實用探索。當前微旋轉(zhuǎn)機械的研究主要集中在微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構的加工工藝與制造、靜態(tài)特性分析和測量方法等方面。而針對微轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學特性，尤其是振動特性、摩擦磨損特性、動力潤滑特性、動態(tài)測試和控制技術及可靠性等方面的研究還很少或尚未涉及。與常規(guī)宏觀機械理論研究不同，MEMS系統(tǒng)具有突出的微尺度效應。它的問世和發(fā)展對轉(zhuǎn)子-軸承

3、的動力學提出新的挑戰(zhàn)，加強對微轉(zhuǎn)子-軸承動力學的理論和實驗研究是一個迫切的課題。因此，本課題的研究對促進微轉(zhuǎn)子動力學發(fā)展，加快微旋轉(zhuǎn)機械應用和產(chǎn)業(yè)化的步伐，提高使用效率和可靠性具有重要的學術和應用價值。本研究分為五個部分： 第一章概述了微旋轉(zhuǎn)機械的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹微機械的發(fā)展歷史和背景。分析微觀條件下各種不同動力驅(qū)動方式的特點，介紹微馬達研究的情況，特別是介紹動力MEMS的發(fā)展，重點探討微尺度效應對各種動力驅(qū)動特性的影響。針

4、對微型旋轉(zhuǎn)機械，分析MEMS情況下的轉(zhuǎn)子動力學及其非線性特性，討論微旋轉(zhuǎn)機械中出現(xiàn)的摩擦磨損與潤滑問題。根據(jù)對微型氣浮軸承在MEMS環(huán)境下應用現(xiàn)狀的總結(jié)，分析了微型氣浮軸承的設計與制造、力學特性以及微觀效應對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微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能的影響。隨著尺度變小，彈性接觸時的摩擦系數(shù)呈近似指數(shù)增大，塑性接觸時的摩擦系數(shù)呈近似指數(shù)增大或減?。荒p系數(shù)隨著尺度減小而減小。針對微轉(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。針對微電機中典型的轉(zhuǎn)子軸襯摩擦磨損問題，以半球形軸襯為研究對象，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力學特性，研究了接觸副幾何結(jié)構參數(shù)和操作參量對微轉(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，但同時也會引起線磨損率和體積磨損率增大。 第三章利用微觀效應對傳統(tǒng)Reynolds方程進行修正，并對氣流的無量綱流量進行對比分析。根據(jù)微加工工藝的特性，微型氣浮軸承軸承與轉(zhuǎn)子間的最小間隙達到微米量級甚至更小，在該尺度下，氣膜厚度與氣體分子的自由行程相當。氣流連續(xù)的假設

7、在MEMS系統(tǒng)中遇到新的問題，相比之下，滑移流機制更符合實際情況，此時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)成為微觀流體力學中兩個主要的分子動力學模型。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。利用解析法對微流

8、體的無量綱流量進行對比分析，發(fā)現(xiàn)各種流體模型的流量與逆努森數(shù)密切相關。當逆努森數(shù)減小時，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)的力學特性，重點分析了滑移流效應對軸承性能的影響。利用有限差分法對修正的Reynolds方程進行求解，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階滑移流進行分析，并與連續(xù)流與一階滑移流模型結(jié)果進行對比，討論滑移流效應對軸承力學性能的影響。發(fā)現(xiàn)滑移流效應明顯降低了氣壓分布，由此導致承載能力降低。在微型氣浮推力軸承的分析中，發(fā)現(xiàn)滑塊尾部的擴散作用導致低于環(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)定性問題。微型馬達依靠穩(wěn)定的工

10、作狀態(tài)來提供平穩(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。當轉(zhuǎn)子受到輕微擾動時，認為軸承力增量與擾動位移成線性關系，由此給出系統(tǒng)線性運動方程，并根據(jù)方程右端矩陣的特征值來得到失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。為了得到準確的動態(tài)響應，采用非線性軸承力對受擾轉(zhuǎn)子進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)穩(wěn)定性起決定性作用，當工作轉(zhuǎn)速不低于線性失穩(wěn)轉(zhuǎn)速時才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。受多種因素制約，實際轉(zhuǎn)子總會存在質(zhì)量偏心。對于高速工作的微型轉(zhuǎn)子，質(zhì)量偏