微氣體軸承-剛性轉子系統(tǒng)動力特性稀薄效應研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、近年來微動力機電系統(tǒng)(Power MEMS)研究引人關注。本文以Power MEMS中微氣體徑向軸承-剛性轉子系統(tǒng)為研究對象,采用數值方法,分析了微氣體軸承-剛性轉子系統(tǒng)動力特性的稀薄效應,主要內容包括:
   第1章,首先給出課題研究的意義,然后對微型旋轉機械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-剛性轉子系統(tǒng)動力特性研究等現狀進行了詳細的闡述分析,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,然后根據氣體動理論,推導得出稀薄氣體有效粘度的計算模型,在此基礎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的定義,然后根據氣體粘性與溫度、壓力的關系,給出微氣體徑向軸承參考努森數的數值范圍,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果與FK模型更接近,驗證了第2章的結論;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(轉速)、偏心率和參考努森數等參數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,參考努森數越大,軸承承載力越小,偏位角越大;相同參考努森數時,相同軸承數條件下,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)流率試驗數據表明了微氣體軸承中存在氣體稀薄效應,盡管MIT研究人員分析中并沒有考慮氣體稀薄效應。
   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,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方程構成的線性代數方程組,采用追趕法求解;聯(lián)立修正的動態(tài)

6、Reynolds方程和轉子運動方程,采用4階Runge-Kutta算法求解,利用轉子軸心軌跡、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-剛性轉子系統(tǒng)的不平衡響應。研究表明,與無滑移邊界情形相比,在較小的偏心質量時,考慮速度滑移邊界時微氣體軸承-剛性轉子系統(tǒng)中轉子不平衡響應較大,表明此時轉子系統(tǒng)受轉子自身不平衡質量的影響較大;同時考慮速度滑移時,轉子可以達到的最大轉速較大

7、,這與MIT微動力渦輪中轉子的試驗數據是一致的。
   第5章,首先給出典型Maxwell速度滑移邊界模型的簡單推導;其次從稀薄氣體動力學Grad十三矩近似的速度分布函數出發(fā),根據氣固界面Kn層外緣處氣體分子動量通量守恒定律,經詳細推導,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-剛性轉子系統(tǒng)動力特性的擠壓滑移邊界效應。研究表明,擠壓滑移邊界對氣體軸承-剛性轉子系統(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-剛性轉子系統(tǒng)的不平衡響應較小。
   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,因而其不再關于軸向中間斷面對稱,而弓形間隙時軸承壓力分布仍關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、轉速(軸承數),偏心率、參考努森數有關,而且還與軸向間隙變化率有關。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,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,對論文研究內容進行了總結,同時對微氣體徑向軸承-剛性轉子系統(tǒng)中需要進一步研究的內容進行了展望。
   本文的研究方法和結論對研究微機電系統(tǒng)(MEMS)中氣固界面速

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