本文選題：非接觸流體潤滑 + 蠕動(dòng)傳輸　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：非接觸流體潤滑軸承由于其摩擦副沒有機(jī)械接觸,具有運(yùn)動(dòng)精度高、摩擦低等優(yōu)點(diǎn),在精密及超精密機(jī)械,例如:精密及超精密加工中心、液晶面板和晶圓傳送機(jī)構(gòu)等設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)非接觸流體潤滑軸承包括靜壓和動(dòng)壓軸承兩大類。靜壓軸承需要外部壓力裝置,結(jié)構(gòu)龐大、自重高,限制了其在緊湊型設(shè)備和載荷敏感領(lǐng)域的應(yīng)用;動(dòng)壓軸承不需要外部壓力裝置,但承載能力受到軸承轉(zhuǎn)速的影響,特別在啟動(dòng)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(duì)速度的影響,但其已開發(fā)的樣機(jī)承載能力均較為有限,特別是液體擠壓膜軸承無法實(shí)現(xiàn)非接觸潤滑。為了提高擠壓膜軸承的承載能力并實(shí)現(xiàn)液體擠壓膜軸承,本文首次將行波蠕動(dòng)傳輸原理應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)傳輸原理,利用彈性軸承面上傳播的行波將潤滑流體擠入軸承面和導(dǎo)軌面之間的間隙,由軸承間隙內(nèi)的高壓潤滑流體將軸承上浮,并承受外載荷,從而實(shí)現(xiàn)完全的非接觸潤滑。為了從理論上驗(yàn)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(dòng)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(fù)雜、潤滑流體流向封閉區(qū)域、潤滑流體的流動(dòng)方向隨時(shí)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(dòng)十分復(fù)雜,難以建立潤滑流體流動(dòng)的解析模型。本文在考慮軸承原理與軸承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,根據(jù)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(shù)學(xué)模型;利用有限體積法,在考慮邊界面移動(dòng)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(shí)連續(xù)性方程和內(nèi)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(dòng)的仿真模型。并使用開源計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真軟件open FOAM,基于C++語言,編寫了行波擠壓膜軸承中潤滑流體流動(dòng)的仿真模型和求解器。利用這一仿真模型可以對(duì)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(jìn)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(yàn)證行波擠壓膜軸承的可行性、并為該類軸承的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),本文利用所建立的仿真模型和求解器,對(duì)行波擠壓膜軸承中不同潤滑流體的流動(dòng)過程及其特性進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明:行波擠壓膜軸承可以產(chǎn)生周期波動(dòng)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(shí)現(xiàn)非接觸流體潤滑。行波擠壓膜軸承浮力的波動(dòng)將會(huì)引起軸承的微小振動(dòng),從而限制該軸承在精密及超精密設(shè)備中的應(yīng)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(diào)節(jié)電壓將附加的擠壓振動(dòng)引入行波變形,來主動(dòng)地控制軸承間隙的平均高度,以抑制軸承浮力波動(dòng)的軸承穩(wěn)定方法,并通過仿真實(shí)例證明了該穩(wěn)定方法的可行性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同工作參數(shù)下的軸承浮力進(jìn)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(duì)軸承浮力穩(wěn)態(tài)值的影響規(guī)律。本文的仿真研究結(jié)果為行波擠壓膜軸承原理樣機(jī)的搭建提供了技術(shù)指導(dǎo)。為了實(shí)際驗(yàn)證行波擠壓膜軸承的可行性,本文設(shè)計(jì)了一種利用薄板式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的行波擠壓膜軸承原理樣機(jī)。通過有限元仿真軟件Ansys對(duì)影響行波振幅的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用實(shí)時(shí)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(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。使用激光共聚焦距離傳感器,對(duì)軸承原理樣機(jī)的軸承面進(jìn)行了掃描檢測,檢測結(jié)果表明:軸承原理樣機(jī)可以產(chǎn)生隨著驅(qū)動(dòng)電壓變化向軸承內(nèi)部傳播的行波變形。利用這一行波變形可以實(shí)現(xiàn)潤滑流體的蠕動(dòng)傳輸。為了驗(yàn)證所開發(fā)的行波擠壓膜軸承原理樣機(jī)的可用性,本文首先對(duì)軸承原理樣機(jī)的上浮性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:行波擠壓膜軸承可以實(shí)現(xiàn)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(shí)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(dǎo)軌面的不平行度,本文采用差動(dòng)螺紋機(jī)構(gòu)開發(fā)了軸承傾斜和軸承間隙高度的調(diào)整裝置。為了驗(yàn)證所開發(fā)的仿真模型的正確性,本文實(shí)驗(yàn)研究了驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率和軸承間隙高度對(duì)軸承浮力穩(wěn)態(tài)值的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為符合。對(duì)軸承浮力的實(shí)驗(yàn)研究表明:軸承原理樣機(jī)可以產(chǎn)生周期波動(dòng)的軸承浮力且軸承浮力的穩(wěn)態(tài)值大于零,基于這一大于零的軸承浮力穩(wěn)態(tài)值可以支撐載荷,實(shí)現(xiàn)非接觸軸承;但是由于浮力的周期波動(dòng),軸承存在大約數(shù)十納米的周期振動(dòng)。為了抑制軸承的周期振動(dòng)以提高軸承的精度,本文實(shí)際驗(yàn)證了所提出的軸承穩(wěn)定方法的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:調(diào)節(jié)電壓顯著地降低了軸承原理樣機(jī)的周期振動(dòng)。
[Abstract]:In order to overcome the contradiction between bearing volume and performance , it is necessary to study the pressure law of lubricating fluid under the action of travelling wave . In order to overcome the contradiction between bearing volume and performance , the bearing capacity of the lubricating fluid is limited , especially in the starting and stopping stages . In order to improve the accuracy of the bearing , this paper presents a prototype of the bearing principle of the bearing principle prototype . The results show that the bearing principle prototype can produce the bearing buoyancy of the bearing principle prototype . The experimental results show that the bearing principle prototype can produce the bearing buoyancy of the bearing principle prototype .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TH133.3
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本文編號(hào)：1731666