微型轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical System,簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS)是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。自1987年第一臺(tái)基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)、制造的微型電機(jī)誕生以來(lái),微機(jī)電系統(tǒng)被認(rèn)為將引導(dǎo)21世紀(jì)的一場(chǎng)新的技術(shù)革命。由此微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械,如微型電機(jī)、微型渦輪等,作為能量轉(zhuǎn)換以及大幅運(yùn)動(dòng)位移的執(zhí)行器件成為微機(jī)電系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。
　　 微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實(shí)

2、現(xiàn)不僅僅是宏觀旋轉(zhuǎn)機(jī)械的簡(jiǎn)單的微型化,它具有其自身的特性。由于器件尺寸的減小,尺度效應(yīng)將給微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)以及動(dòng)力學(xué)特性帶來(lái)影響:首先尺度效應(yīng)使得器件所受的表面力相對(duì)體積力增大,從而使得在宏觀機(jī)械中不考慮的相互作用力,如范德華力、靜電作用力、毛細(xì)作用力等不再可以忽略。其次,微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作環(huán)境和受力狀態(tài)不同于宏觀旋轉(zhuǎn)機(jī)械,制成微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的材料也有別于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械,其材料特性隨著尺度的變化也有很大的不同。微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的摩擦、磨損以及

3、潤(rùn)滑問(wèn)題相比宏觀旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言表現(xiàn)得更加突出。由于尺度的減小,潤(rùn)滑油產(chǎn)生聚合作用而使得微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生很大的不同,甚至由于在微小尺度下液體的粘度增大而使得傳統(tǒng)油膜軸承不再適用,因此氣體軸承在微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用。同樣,由于尺度的減小以及受當(dāng)前微加工工藝的限制微型氣體軸承相比傳統(tǒng)氣體軸承具有努森數(shù)大,長(zhǎng)徑比小、隙徑比大等特點(diǎn),傳統(tǒng)的針對(duì)氣體軸承的研究方法以及由此得到的系統(tǒng)特性不再適用。本文針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了研究,主要

4、內(nèi)容如下:
　　 首先概述了MEMS微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了各種不同形式的微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特點(diǎn)；總結(jié)了微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承動(dòng)力潤(rùn)滑形式,重點(diǎn)討論了微型氣體軸承在微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用；介紹了MEMS器件中的摩擦、磨損問(wèn)題,并探討了由于器件尺寸縮小帶來(lái)的尺度效應(yīng)對(duì)MEMS器件,特別是微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力學(xué)行為特性的影響。
　　 在微小尺度下,由于尺度效應(yīng)的作用,傳統(tǒng)機(jī)械中忽略不計(jì)的一些器件間的相互作用力,比如作用在器件表面或表

5、面間的力,以及由分子間相互作用引起的部件間的相互作用力以及靜電力等微觀作用力變得不可忽略。這些微觀作用力對(duì)MEMS器件以及微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生影響,甚至決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。針對(duì)微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中存在的范德華作用力,建立了其在微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上建立微觀作用力作用下微型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的平衡點(diǎn)特性、頻率響應(yīng),動(dòng)態(tài)響應(yīng)等動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行研究。分析結(jié)果表明:在范德華力作用條件下,微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的平衡點(diǎn)

6、穩(wěn)定性隨著范德華力相對(duì)大小的變化而不同,同時(shí)由于范德華力的作用,微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)剛度“軟化”現(xiàn)象。
　　 受尺度效應(yīng)的影響,在微觀條件下微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)中的的摩擦磨損的問(wèn)題與傳統(tǒng)機(jī)械存在較大的差異。通過(guò)對(duì)靜電微電機(jī)電刷與基板間的接觸進(jìn)行載荷分析,充分考慮尺度效應(yīng)的影響,針對(duì)靜電微電機(jī)半球形電刷的磨損問(wèn)題建立了基于Archard磨損定律的數(shù)學(xué)模型?；谠撃Ｐ头治隽税?xì)作用力、靜電吸引力在內(nèi)的表面力以及電刷的幾何參數(shù)對(duì)微型轉(zhuǎn)

7、子系統(tǒng)的磨損特性的影響。
　　 微型氣體軸承是微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常用的潤(rùn)滑方式。根據(jù)微加工工藝的特點(diǎn),在微型氣體軸承中軸承壁與轉(zhuǎn)子間的最小間隙可達(dá)微米甚至更小的量級(jí)。在這樣的尺度條件下,氣膜厚度與氣體分子的平均自由程相當(dāng),傳統(tǒng)氣體軸承研究中對(duì)工作氣體所作的連續(xù)流假設(shè)不再適用。根據(jù)微型氣體軸承的工作條件,本文引入了氣體分子模型滑移流邊界條件,得到可壓縮氣體非線(xiàn)性修正Reynolds方程,用以描述氣膜內(nèi)的氣體壓力分布。為兼顧數(shù)值計(jì)算的精

8、度和效率,根據(jù)動(dòng)壓氣體軸承壓力分布的特點(diǎn),采用頻域配點(diǎn)法,分別以Chebyshev多項(xiàng)式和三角多項(xiàng)式作為軸承軸向和周向的基函數(shù),對(duì)上述修正Reynolds方程進(jìn)行離散化求解?；陔x散化修正Reynolds方程,分析了微型氣體軸承的靜態(tài)特性,研究了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、軸承偏心率、長(zhǎng)徑比以及努森數(shù)等參數(shù)對(duì)微型氣體軸承的氣膜壓力分布、承載能力以及載荷相位角的影響。結(jié)果表明:在長(zhǎng)徑比和轉(zhuǎn)子偏心率較小時(shí),可采用不可壓縮短軸承理論進(jìn)行近似計(jì)算；隨著轉(zhuǎn)子偏心率

9、的增大,軸承承載能力隨著軸承數(shù)的增大而非線(xiàn)性增長(zhǎng),載荷偏位角亦隨軸承數(shù)的增大由萬(wàn)/2逐漸減小,即軸承力方向從與轉(zhuǎn)子位移垂直逐漸變化至沿軸承位移方向；微型氣體軸承的載荷參數(shù)隨著努森的增大呈指數(shù)衰減,載荷偏位角呈線(xiàn)性衰減。在工作氣體溫度較低時(shí),承載能力隨溫度的升高而增大；當(dāng)溫度高于一定值時(shí),承載能力隨溫度的升高而降低；隨著溫度的進(jìn)一步升高,承載能力受溫度的影響逐漸減弱。
　　 進(jìn)一步引入轉(zhuǎn)子受軸承力以及外載荷激勵(lì)力作用時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程

10、,與離散瞬態(tài)修正Reynolds方程耦合,采用軸心軌跡法(Orbit Method)建立微型氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,用以描述系統(tǒng)在任意時(shí)刻的位移和速度。采用數(shù)值積分法求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,研究各系統(tǒng)參數(shù)對(duì)微型氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡點(diǎn)穩(wěn)定性、系統(tǒng)受迫響應(yīng)分岔行為特性、以及動(dòng)態(tài)軸承系數(shù)的影響,結(jié)果表明:系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速條件下存在平衡點(diǎn)穩(wěn)定最小和最大偏心率,分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)不穩(wěn)定和徑向發(fā)散不穩(wěn)定；平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性與軸承長(zhǎng)徑比以及系統(tǒng)努森數(shù)有

11、關(guān)。隨著軸承長(zhǎng)徑比的減小,系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域向低偏心率方向偏移。氣體的滑移流邊界條件增強(qiáng)了系統(tǒng)的平衡點(diǎn)穩(wěn)定性。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軸承系數(shù)與系統(tǒng)的擾動(dòng)頻率、軸承數(shù)以及努森數(shù)有關(guān)。隨著軸承長(zhǎng)徑比、努森數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子質(zhì)量以及轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心量等參數(shù)的改變,系統(tǒng)受迫響應(yīng)出現(xiàn)同步周期解、倍頻解以及擬周期解等豐富的非線(xiàn)性特性。
　　 以探索微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試方法,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性為目的,分別對(duì)采用微型球軸承、轉(zhuǎn)軸直徑為2 mm的氣動(dòng)微轉(zhuǎn)子