氣浮支承動態(tài)特性及其微振動研究.pdf

1、超精密制造裝備代表著精密制造業(yè)的最高發(fā)展水平，是衡量一個國家精密制造實力的重要標(biāo)志之一。面對超精密制造裝備的重大需求，隨之發(fā)展起來的氣浮支承技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)機械接觸或液體潤滑式支承技術(shù)，成為制造裝備實現(xiàn)高精度、高可靠性的有效手段。氣浮支承因其具有近零摩擦、無發(fā)熱、有效隔離振動傳遞等優(yōu)點，從根本上避免了接觸碰撞、摩擦發(fā)熱等復(fù)雜非線性問題帶來的不利影響，廣泛應(yīng)用于光刻機、超精密機床等代表最高水平的尖端制造裝備。然而，隨著制造裝備中運動速度/

2、加速度的不斷提高以及定位精度逐漸趨近納米甚至亞納米級，使得氣浮支承在強擾動作用下的非線性動態(tài)特性、內(nèi)部氣流運動引起的微小振動特性不再可以忽略，這對高性能氣浮支承的設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn)。本文依托國家重大科研項目，面向重大工程的實際需求，研究氣浮支承在外界擾動下的動態(tài)特性、氣流引起的微振動特性及其抑制方法。該研究對促進我國高端精密制造裝備的基礎(chǔ)創(chuàng)新、技術(shù)突破具有重要意義。
　　基于非穩(wěn)態(tài)氣膜潤滑的力學(xué)模型，從理論上分析了氣浮支承法向擾動

3、下的非線性動態(tài)特性。采用CFD動網(wǎng)格建模方法建立了氣浮支承的擾動作用計算模型，計算了不同擾動頻率下氣浮支承的動態(tài)剛度和阻尼參數(shù)，闡述了動態(tài)剛度及阻尼與頻率的非線性相關(guān)性。研究了擾動幅值、供氣壓力、氣膜間隙等工作參數(shù)對氣膜支承動剛度及阻尼特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)擾動幅值的影響很小、而供氣壓力增加或氣膜間隙減小時頻率相關(guān)性越顯著。借鑒粘彈性材料的力學(xué)特性及Maxwell模型，建立了表征氣浮支承頻率相關(guān)動態(tài)特性的等效力學(xué)模型，并對比分析了線性定常

4、等效力學(xué)模型忽略頻率相關(guān)性引入的誤差。
　　采用大渦模擬方法對氣浮支承的瞬態(tài)流場進行了數(shù)值仿真研究，同時比較了2D大渦模擬和3D大渦模擬的準(zhǔn)確性。對其湍流脈動的研究發(fā)現(xiàn)，有腔氣浮支承在供氣壓力較大時節(jié)流孔出口周圍存在氣旋渦脫現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明該氣旋渦脫現(xiàn)象會導(dǎo)致氣膜間隙內(nèi)的壓力波動。結(jié)合實驗研究討論了不同供氣壓力、有腔/無腔結(jié)構(gòu)對氣旋渦脫、壓力波動、氣浮支承微振動的影響，定性闡述了三者間的內(nèi)在關(guān)系。發(fā)現(xiàn)供氣壓力越大時，氣旋渦脫現(xiàn)象

5、越顯著，表現(xiàn)在氣旋渦量及壓力波動幅值的增大，同時氣浮支承的微振動強度也越大。
　　為了抑制氣浮支承的微振動，提出了一種新型微孔陣列節(jié)流結(jié)構(gòu)。針對微孔陣列節(jié)流及傳統(tǒng)小孔節(jié)流氣浮支承，對比分析了靜態(tài)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)同樣的供氣壓力下二者具有近乎相同的靜承載力和剛度特性。研究了微孔陣列節(jié)流結(jié)構(gòu)對氣旋渦脫、壓力波動的影響，闡明了其對微振動抑制的本質(zhì)原因，即其中氣旋渦脫及壓力波動受到明顯的抑制。通過實驗對比分析，進一步驗證了微孔陣列節(jié)流結(jié)構(gòu)對微