微氣體軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性稀薄效應(yīng)研究.pdf

1、近年來微動力機(jī)電系統(tǒng)(Power MEMS)研究引人關(guān)注。本文以Power MEMS中微氣體徑向軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象,采用數(shù)值方法,分析了微氣體軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的稀薄效應(yīng),主要內(nèi)容包括:
　　 第1章,首先給出課題研究的意義,然后對微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械Powe MEMS類型及其所用軸承類型、MEMS微流動、氣體軸承研究方法和微氣體軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性研究等現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的闡述分析,指出了以往研究存在的不足,給出了

2、課題研究的主要內(nèi)容及其創(chuàng)新點。
　　 第2章,首先給出了非稀薄條件下氣體潤滑模型；其次詳細(xì)闡述了稀薄氣體潤滑模型:1階、2階、1.5階、Wu滑移邊界模型和基于線性Boltzmann方程的FK模型,然后根據(jù)氣體動理論,推導(dǎo)得出稀薄氣體有效粘度的計算模型,在此基礎(chǔ)上提出考慮有效粘度的1階速度滑移邊界模型；再次,針對不同氣體潤滑模型,分別計算軸承氣膜斷面流率、壓力和承載力,并進(jìn)行了比較。分析表明,在氣體滑移流區(qū),考慮有效粘度的1階速度

3、滑移邊界模型優(yōu)于其它潤滑模型,其流率、壓力和承載力更接近FK模型。
　　 第3章,針對微氣體徑向軸承,首先給出參考努森數(shù)的定義,然后根據(jù)氣體粘性與溫度、壓力的關(guān)系,給出微氣體徑向軸承參考努森數(shù)的數(shù)值范圍,表明微氣體軸承氣膜流動處于滑移流區(qū)域；其次采用考慮有效粘度的1階速度滑移邊界模型修正Reynolds方程,采用有限差分法求解,比較不同速度滑移邊界模型時微氣體徑向軸承的承載力和偏位角,分析表明速度滑移邊界條件下,軸承承載力降低,

4、偏位角增大,且考慮有效粘度的1階速度滑移邊界模型的計算結(jié)果與FK模型更接近,驗證了第2章的結(jié)論；再次,基于考慮有效粘度的1階速度滑移邊界,分析不同軸承數(shù)(轉(zhuǎn)速)、偏心率和參考努森數(shù)等參數(shù)條件下微氣體徑向軸承的靜態(tài)特性。分析表明,微氣體徑向軸承中,參考努森數(shù)越大,軸承承載力越小,偏位角越大；相同參考努森數(shù)時,相同軸承數(shù)條件下,偏心率越大,軸承承載力減小,偏位角增大的幅度越大；相同偏心率條件下,軸承數(shù)越大,軸承承載力減小、偏位角增大的幅度越

5、大。MIT微動力渦輪靜態(tài)流率試驗數(shù)據(jù)表明了微氣體軸承中存在氣體稀薄效應(yīng),盡管MIT研究人員分析中并沒有考慮氣體稀薄效應(yīng)。
　　 第4章,首先采用壓力微擾法,求解微氣體徑向軸承剛度和阻尼系數(shù),并與無滑移條件下相比,分析滑移條件下微氣體徑向軸承剛度和阻尼特性；其次采用雙向隱式差分算法,求解考慮有效粘度的1階速度滑移邊界修正的動態(tài)Reynolds方程,針對離散動態(tài)Reynolds方程構(gòu)成的線性代數(shù)方程組,采用追趕法求解；聯(lián)立修正的動態(tài)

6、Reynolds方程和轉(zhuǎn)子運動方程,采用4階Runge-Kutta算法求解,利用轉(zhuǎn)子軸心軌跡、軸心位置時間歷程、功率譜、相圖、Poincare映射等方式,分析無滑移邊界和滑移邊界兩種情形下微氣體徑向軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)。研究表明,與無滑移邊界情形相比,在較小的偏心質(zhì)量時,考慮速度滑移邊界時微氣體軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)較大,表明此時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受轉(zhuǎn)子自身不平衡質(zhì)量的影響較大；同時考慮速度滑移時,轉(zhuǎn)子可以達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速較大

7、,這與MIT微動力渦輪中轉(zhuǎn)子的試驗數(shù)據(jù)是一致的。
　　 第5章,首先給出典型Maxwell速度滑移邊界模型的簡單推導(dǎo)；其次從稀薄氣體動力學(xué)Grad十三矩近似的速度分布函數(shù)出發(fā),根據(jù)氣固界面Kn層外緣處氣體分子動量通量守恒定律,經(jīng)詳細(xì)推導(dǎo),給出了適合微氣體徑向軸承潤滑氣流運動情形的廣義Maxwell速度滑移邊界模型。在不考慮軸頸對潤滑氣流的擠壓運動時,該廣義Maxwell速度滑移邊界模型與典型Maxwell速度滑移邊界模型是一致的

8、。
　　 第6章,首先基于廣義Maxwell速度滑移邊界,推導(dǎo)得到修正的Reynolds方程；其次采用雙向隱式差分算法求解,分析有限長軸承模型和無限短軸承模型兩種情形下微氣體徑向軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的擠壓滑移邊界效應(yīng)。研究表明,擠壓滑移邊界對氣體軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性有明顯影響。相比無擠壓速度滑移邊界情形,考慮擠壓速度滑移邊界時微氣體軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)較小。
　　 第7章,首先針對MEMS加工工藝

9、引起微氣體軸承軸向間隙變化的兩種形式:錐形間隙和弓形間隙,基于考慮有效粘度的1階滑移邊界模型,推導(dǎo)得到修正的Reynolds方程,研究軸向間隙變化對微氣體軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜態(tài)特性的影響。分析表明,兩種軸向間隙變化形式均會使微氣體軸承承載力降低,其中弓形間隙的影響要大一些。錐形間隙時軸承壓力分布向最小間隙一端偏移,因而其不再關(guān)于軸向中間斷面對稱,而弓形間隙時軸承壓力分布仍關(guān)于軸向中間斷面對稱.軸向間隙變化時,微氣體徑向軸承靜態(tài)性能不僅與

10、轉(zhuǎn)速(軸承數(shù)),偏心率、參考努森數(shù)有關(guān),而且還與軸向間隙變化率有關(guān)。隨著軸向間隙變化率的增大,軸承承載力減小,偏位角增大.其次采用壓力微擾法,分別得到錐形間隙和弓形間隙時微氣體軸承的剛度和阻尼系數(shù),分析軸向間隙變化時微氣體徑向軸承的剛度和阻尼特性
　　 第8章,對論文研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),同時對微氣體徑向軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容進(jìn)行了展望。
　　 本文的研究方法和結(jié)論對研究微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中氣固界面速