新型行波擠壓膜軸承及其性能的研究.pdf

1、非接觸流體潤滑軸承由于其摩擦副沒有機械接觸，具有運動精度高、摩擦低等優(yōu)點，在精密及超精密機械，例如：精密及超精密加工中心、液晶面板和晶圓傳送機構等設備中有著廣泛的應用。傳統非接觸流體潤滑軸承包括靜壓和動壓軸承兩大類。靜壓軸承需要外部壓力裝置，結構龐大、自重高，限制了其在緊湊型設備和載荷敏感領域的應用；動壓軸承不需要外部壓力裝置，但承載能力受到軸承轉速的影響，特別在啟動和停止階段，無法承受外載荷。為了克服軸承體積和性能之間的矛盾，1964

2、年，Salbu首次開發(fā)出了擠壓膜氣體軸承。擠壓膜氣體軸承不需要外部壓力裝置且其承載能力不受摩擦面相對速度的影響，但其已開發(fā)的樣機承載能力均較為有限，特別是液體擠壓膜軸承無法實現非接觸潤滑。為了提高擠壓膜軸承的承載能力并實現液體擠壓膜軸承，本文首次將行波蠕動傳輸原理應用于潤滑液膜，提出了一種新型的行波擠壓膜液體軸承，并通過仿真和實驗研究了這種新型軸承原理的可行性及其性能。
　　行波擠壓膜軸承是基于流體的行波蠕動傳輸原理，利用彈性軸承

3、面上傳播的行波將潤滑流體擠入軸承面和導軌面之間的間隙，由軸承間隙內的高壓潤滑流體將軸承上浮，并承受外載荷，從而實現完全的非接觸潤滑。為了從理論上驗證行波擠壓膜軸承的可行性，需要研究潤滑流體在行波蠕動傳輸作用下的壓力變化規(guī)律。行波擠壓膜軸承的行波變形較為復雜、潤滑流體流向封閉區(qū)域、潤滑流體的流動方向隨時間變化、潤滑油膜或潤滑氣膜的厚度隨著行波變形發(fā)生顯著地變化、且軸承間隙的長度和高度的比值極大。因此，行波擠壓膜軸承中潤滑流體的流動十分復雜

4、，難以建立潤滑流體流動的解析模型。本文在考慮軸承原理與軸承結構的基礎上，根據歐拉-伯努力梁變形理論建立了彈性軸承面上行波變形的數學模型；利用有限體積法，在考慮邊界面移動和求解區(qū)域變形的情況下，基于可變控制體上的二維瞬時連續(xù)性方程和內維爾-斯托克斯方程，建立了行波擠壓膜軸承中潤滑流體流動的仿真模型。并使用開源計算流體力學（CFD）仿真軟件openFOAM，基于C++語言，編寫了行波擠壓膜軸承中潤滑流體流動的仿真模型和求解器。利用這一仿真模

5、型可以對不同工作條件下的行波擠壓膜軸承潤滑油膜或氣膜的流速與壓力分布進行仿真分析，為后續(xù)軸承性能的仿真研究提供了研究工具。
　　為了驗證行波擠壓膜軸承的可行性、并為該類軸承的設計提供理論依據，本文利用所建立的仿真模型和求解器，對行波擠壓膜軸承中不同潤滑流體的流動過程及其特性進行了仿真研究。仿真結果表明：行波擠壓膜軸承可以產生周期波動的軸承浮力且軸承浮力的穩(wěn)態(tài)值大于零。利用這一大于零的軸承浮力穩(wěn)態(tài)值可以支撐外載荷，實現非接觸流體潤滑

6、。行波擠壓膜軸承浮力的波動將會引起軸承的微小振動，從而限制該軸承在精密及超精密設備中的應用。為了提高行波擠壓膜軸承的精度，本文提出了一種利用調節(jié)電壓將附加的擠壓振動引入行波變形，來主動地控制軸承間隙的平均高度，以抑制軸承浮力波動的軸承穩(wěn)定方法，并通過仿真實例證明了該穩(wěn)定方法的可行性。在此基礎上，對不同工作參數下的軸承浮力進行了仿真研究，獲得了行波振幅、行波頻率、軸承間隙高度和潤滑液體粘度對軸承浮力穩(wěn)態(tài)值的影響規(guī)律。本文的仿真研究結果為行

7、波擠壓膜軸承原理樣機的搭建提供了技術指導。
　　為了實際驗證行波擠壓膜軸承的可行性，本文設計了一種利用薄板式壓電陶瓷驅動器的行波擠壓膜軸承原理樣機。通過有限元仿真軟件 Ansys對影響行波振幅的主要結構參數進行了優(yōu)化設計。采用實時仿真器和高速電壓放大器搭建了行波擠壓膜軸承原理樣機的驅動裝置。使用激光共聚焦距離傳感器，對軸承原理樣機的軸承面進行了掃描檢測，檢測結果表明：軸承原理樣機可以產生隨著驅動電壓變化向軸承內部傳播的行波變形。利

8、用這一行波變形可以實現潤滑流體的蠕動傳輸。
　　為了驗證所開發(fā)的行波擠壓膜軸承原理樣機的可用性，本文首先對軸承原理樣機的上浮性能進行了實驗檢測。實驗結果表明：行波擠壓膜軸承可以實現軸承上浮；但是由于軸承面和行波波形的誤差，軸承在上浮時發(fā)生了顯著的傾斜。軸承傾斜降低了軸承精度和承載能力。為了抑制軸承面和導軌面的不平行度，本文采用差動螺紋機構開發(fā)了軸承傾斜和軸承間隙高度的調整裝置。為了驗證所開發(fā)的仿真模型的正確性，本文實驗研究了驅動電