微轉子系統(tǒng)動力特性的研究.pdf

1、1987年,首臺靜電微電機由加州大學伯克利分校研制成功,從而標志著MEMS時代的到來,MEMS技術的巨大成功在旋轉機械領域引發(fā)了一場微小型化革命,以加工微/納米旋轉機械結構和系統(tǒng)為目的的技術在此背景下應運而生,促進了微轉子系統(tǒng)的長足發(fā)展,一直成為MEMS研究中的熱點. 目前,微旋轉機械的研究主要集中在微轉子系統(tǒng)結構的加工工藝與制造、靜態(tài)特性分析和測量方法等方面,而在微轉子系統(tǒng)的動力學特性,尤其是在振動特性、摩擦磨損特性、動力潤滑

2、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.MEMS的問世和發(fā)展對轉子動力學提出了新的挑戰(zhàn),加強對微轉子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子動力學的發(fā)展,加快微旋轉機械應用和產業(yè)化的步伐,提高使用的工作效率和可靠性具有重要的學術和應用價值. 論文的研究內容涉及到微型旋轉機械動力驅動及微尺度效應分析、不同類型微轉子樞軸的摩擦磨損特性分析、典型靜電微電機的微轉子接觸問題分析、微轉子系

3、統(tǒng)局部碰摩的非線性動力特性分析和微型徑向氣體軸承的動力特性分析.此外,對微尺度下的壓膜阻尼特性、機電耦合作用和滑移機制等進行了相關的理論探討和數值仿真,并對電磁型薄膜微電機的振動特性進行了相關的實驗研究. 論文首先概述了微旋轉機械的國內外研究現狀,分析了各種不同動力驅動方式的特點,探討了微尺度效應對各種動力驅動特性的影響,介紹了微旋轉機械中可能出現的摩擦磨損問題及相關的解決方法,總結了微旋轉機械的軸承動力潤滑問題,分別分析了微型

4、干摩擦軸承、電磁軸承和氣體軸承的性能特性,并簡述了微旋轉機械的可靠性分析方法. 在微尺度下,靜電、電磁、壓電和熱力驅動的動力驅動機理與傳統(tǒng)的動力驅動相比具有較大的差異性.靜電力具有較強的非線性特性,具體表現在其有吸合(Pull.in)效應、固有非線性特性、剛度軟化特性和耦合非線性效應.以靜電驅動為研究對象,建立了靜電耦合驅動系統(tǒng)的動力學模型,分別以加載電壓、頻率比、壓膜阻尼比等系統(tǒng)參數為控制參數,詳細分析了系統(tǒng)的非線性動力學特性

5、,結果表明,在參數激勵和外激勵耦合作用下,靜電耦合非線性系統(tǒng)的響應呈現出較為豐富的非線性動力特性,隨著激勵電壓加載大小與方式的不同,系統(tǒng)響應表現出周期運動、擬周期運動和混沌運動交替演變的過程.隨著工作頻率的增大,氣膜阻尼系數逐漸減小,氣膜剛度系數逐漸增大,滑流效應也會使氣膜阻尼與剛度系數變小;另外,增大穿孔孔徑可以減小氣膜壓力,氣膜阻尼和剛度系數也相應減小,且壓膜阻尼特性對耦合系統(tǒng)動力特性有著較大的影響.建立了壓電驅動微型懸臂梁系統(tǒng)的動

6、力學模型,采用Rayleigh-Ritz法對系統(tǒng)動力學方程進行降階,對系統(tǒng)的前10階模態(tài)頻率和振型進行了有限元分析,分析結果表明:在微尺度下,MEMS懸臂梁具有高固有頻率和質量因子的特性,在有無PZT作用時系統(tǒng)的前10階模態(tài)頻率和振型基本相似.此外,針對懸臂梁這一分布參數控制系統(tǒng),進一步提出一種具有高增益觀測器的反饋控制器,并通過數值仿真分析了在不同載荷電壓、反饋增益及PZT位置等情況下的梁振動主動控制系統(tǒng)的頻響特性,結果表明振動控制有

7、較好的效果,驗證了理論研究和控制器設計的合理性和有效性. 微尺度效應對摩擦與磨損特性都有一定的影響,隨著尺度變小,彈性接觸時的摩擦系數呈近似指數增大,塑性接觸時的摩擦系數呈近似指數增大或減小:磨損系數隨著尺度減小而減小,同一尺度時,隨著分形維數D的增大,磨損系數也相應增大;當分形維數D逐漸趨于2時,隨著尺度的增大,磨損系數近似于同一數值.為了研究微樞軸的動力特性,建立了微轉子平端樞軸模型、錐形樞軸模型和球形樞軸模型等三種磨損模型

8、,根據Archard定律,分析不同模型下的摩擦磨損特性,研究了不同工況下磨損率和摩擦力矩對微轉子系統(tǒng)的影響,結果表明:平端樞軸模型所得線磨損率h/R和體積磨損率v/R<,3>.都和操作變量成線性關系,比例因子分別為π和π<'2>;錐形樞軸模型所得線磨損率h/R著錐度θ的增大而增加,體積磨損率v/R<'3>隨著錐度θ的增大而減小,且當β<,0>變?yōu)?0°時,線磨損率和體積磨損率與操作變量KPN成線性關系,系統(tǒng)等同于平端樞軸模型,變成線性的

9、傾斜度;球形樞軸模型所得線磨損率h/R隨著b的增大而增大,體積磨損率v/R<'3>隨著b的增大而減小.針對微電機中典型的轉子軸襯摩擦磨損問題,以半球形軸襯為研究對象,建立了滑動磨損模型和接觸有限元模型(FEM),分析了微轉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構參數和操作參量對微轉子系統(tǒng)摩擦磨損特性的影響,研究結果表明:微轉子軸襯偏離轉子中心的距離和轉子軸襯的半徑對線磨損率和體積磨損率的變化都有一定的

10、影響,改變微轉子軸襯的幾何結構可用于改變系統(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.基于M-B、分形磨損模型,建立了MEMS表面磨損率與分形維數之間的關系,對MEMS表面的磨損規(guī)律與表面特性進行相關研究,并就微轉子的性能指標和材料選用進行了分析與討論. 針對微轉子-軸承接觸問題,建立了微轉子-軸承接觸的數學模型和有限元分析模型,討論了不同工況及摩擦狀態(tài)下的

11、接觸應力、應變和接觸壓力分布,數值計算和有限元分析結果表明:靜電微電機中靜電力與接觸寬度、幾何參數和接觸結構材料特性之間的關系較為密切,接觸區(qū)的應力、應變呈近似半橢圓形分布,微尺度下接觸區(qū)接觸應力與應變的尺度效應均與尺度因子K無關,摩擦力是導致接觸變形的一個重要因素,隨著摩擦系數的增大,接觸區(qū)von Mises應力、應變和接觸壓力也相應地增大,且都發(fā)生在接觸區(qū)的邊緣. 以Joffcott微轉子系統(tǒng)為研究對象,建立了局部碰摩微轉子

12、系統(tǒng)的力學模型、微尺度分形摩擦模型和系統(tǒng)運動微分方程,應用微分方程穩(wěn)定性與分岔理論,分析了Jeffcott微轉子碰摩的穩(wěn)定性和和分岔特性及系統(tǒng)參數對穩(wěn)定域的影響,分別以微轉子轉速、偏心量、阻尼比、分形維數和尺度長度等系統(tǒng)參數為分岔參數及非線性碰摩力對微轉子系統(tǒng)碰摩過程中的混沌和分岔運動進行研究,仿真分析及結果表明:當微轉子發(fā)生碰摩時,微轉子系統(tǒng)響應隨著轉速、偏心量、阻尼比、分形維數和尺度長度及非線性碰摩力的變化,系統(tǒng)響應是周期運動、擬周

13、期運動和混沌運動交替變化的過程;隨著轉速的變化,系統(tǒng)在低速區(qū)和超高速區(qū)碰撞運動相對平穩(wěn),在中高速區(qū)碰摩運動較為劇烈;隨著偏心量的增大,系統(tǒng)響應以擬周期運動和混沌運動為主要運動形式,系統(tǒng)響應由周期1運動進入擬周期運動,再又從擬周期運動進入混沌運動,最后又進入擬周期運動的交替過程:微轉子響應隨著阻尼的變化,經歷了交替由擬周期運動和混沌運動進入周期運動的過程,阻尼較小時,微轉子響應以擬周期和混沌運動為.主,隨著阻尼的增大,系統(tǒng)響應從擬周期和混

14、沌演變?yōu)橹芷?運動,阻尼的增大可以加強微轉子周期運動的穩(wěn)定性;分形維數說明了微尺度下粗糙表面對碰摩微轉子系統(tǒng)響應的影響,系統(tǒng)響應經歷了由擬周期運動演變?yōu)橹芷?運動的過程,且過程中還伴隨著倍周期運動;尺度長度的變化對摩擦系數具有一定的影響,其結果直接影響碰摩擦微轉子系統(tǒng)的響應,在低尺度長度范圍內,隨著摩擦系數的增大,碰摩現象將會變得越來越明顯.因此,隨著摩擦系數的增大,微轉子系統(tǒng)發(fā)生碰摩的可能性越來越大;增大阻尼可以抑制微轉子系統(tǒng)發(fā)生碰摩

15、的可能性,減小偏心量、摩擦系數或靜子徑向剛度也可以減少微轉子系統(tǒng)碰摩的發(fā)生. 充分考慮微尺度下的滑移邊界條件,利用數值計算方法對徑向氣體軸承的雷諾方程進行修正求解,得到了軸承內部真實的氣壓分布,進而得到微型氣體軸承的承載能力和偏位角.通過與宏觀無限短軸承模型的結果進行對比分析,發(fā)現滑移效應對軸承動力特性的影響較大.宏觀無限短軸承模型和無滑移邊界模型均會高估氣體軸承的承載能力,特別是偏心率較高時(ε>0.6),產生的偏差更大;微轉

16、子系統(tǒng)在高速或超高速工況下運轉,可提高氣體軸承的氣壓和承載能力. 實驗分析結果表明:不論是2mm還是6mm的電磁型薄膜微電機,在較長時間的運轉過程中都會出現較為嚴重的摩擦,產生發(fā)熱問題,使得系統(tǒng)運行時間不能過長;隨著微轉子轉速的升高,摩擦力增大,定轉子間發(fā)生碰撞作用,未發(fā)生碰摩的時間和發(fā)生碰摩時的接觸時間越來越短,碰摩越來越頻繁,隨著碰摩的不斷加重,系統(tǒng)出現嚴重的發(fā)熱現象,轉速很難提高. 本文的研究方法和結論對認識并發(fā)展