考虑表面因素的气体动压与挤压悬浮特性研究
发布时间：2021-07-21 04:54
非接触悬浮技术在医疗器械、精密制造和航空航天等领域有着广泛的应用价值。该技术给机械行业的发展带来了巨大的机遇和挑战。气体悬浮技术因其具有摩擦阻力小、结构简单、易于维护和散热性好等优点被认为是适用于高精密、高转速和高温情况下的理想非接触悬浮技术。尽管气体悬浮技术的优点很明显,但是气体较小的粘度使得其承载能力相对较低。另外气体悬浮技术对加工精度要求较高,其性能容易受到表面加工特性的影响。针对上述问题,本文提出在相对运动的表面刻槽来改善气体动压与挤压悬浮的承载能力和悬浮性能。同时,建立表面粗糙度和表面加工误差模型来分析表面加工精度对微型尺寸下的气体动压悬浮特性的影响。本文的主要研究内容和成果概括为如下几点:以微型球面刻槽轴承为对象,研究微观尺寸下的气体动压悬浮特性。根据微型球面刻槽轴承的形状和结构特点,选择合适的滑移流速度边界条件,建立稀薄气体润滑的雷诺方程。为了降低表面刻槽所带来的气膜厚度不连续对求解精度的影响,首先通过两次坐标变化将雷诺方程转换到斜坐标系下,使槽的边界平行于求解域的边界,以确保在网格划分的时候槽的边界正好处在网格线上。然后对雷诺方程在求解域内的单位面积上进行积分,并用格林...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
常见的无油润滑与悬浮方法
4图 1.2 气体悬浮模型动压气体悬浮的原理如图1.2（a）所示。两个相对运动的表面之间形成锲形。当相对运动的速度升高时，气体由于粘性效应也随之快速流入大间隙并快速通过锲形，最后从小间隙处流出。在这个过程中气体的体积快速地由大变小导致气体发生压缩，使得锲形中形成一层高压气膜以悬浮起物体。该原理通常被用来设计为动压气浮轴承以用于支承高速旋转机械。挤压气体悬浮的原理如图1.2（b）所示。它是指两个平面在法向高频地相对运动使得这两个平面之间的气体受到高频挤压以悬浮起上端的平面。前面提到的近场声悬浮就属于这种类型。而且这种悬浮方式结构紧凑，只需要一个高频的平面振子就可以作为输入源。悬浮板浮起来后在水平方向上既可以保持静止也可以通过施加外力使其在水平方向高速移动。另外，通过改变悬浮板的尺寸既可以实现对MEMS级别的微小尺寸物体悬浮也可以实现对宏观尺寸的物体悬浮。静压气体悬浮的原理如图1.2（c）所示。它是利用外部通入到气膜间隙内的高压气体来支承悬浮物体。节流器起到连接外部气源和控制流量的作用。静压气体悬浮是一种非常好的非接触悬浮方式。不同于动压和挤压气体悬浮，这种悬浮方式不依赖于相对运动。而且，其刚度大，运动精度极高。通过提高外界供气压理论上可以让静压气体悬浮的承载能力达到无限大。但是为了提高承载能力
[41]教授牵头研究硅基MEMS能源系统，如图1.3（a）所示，并加工出了微型动压气浮轴承来满足转速高达百万转每分钟的使用要求。2011年，韩国的Son等人[42]研究通过光刻技术制造了一款适用于MEMS能源系统的箔片气浮轴承，如图1.3（b）所示。2016年，美国的Fang和Liu[43]开发了一种原位测量方案，如图1.3（c）所示，通过使用敏感的MEMS微型力传感器准确地测量出微型气浮轴承启动阶段以及稳定运行状态下的摩擦力矩。实验证明这种方法可以被广泛地使用来测量各种微型径向气浮轴承的摩擦力矩。图 1.3 动压气浮轴承的相关实验研究[41-43]早在1954年，Tipei[44]就发表了关于气体挤压膜理论的相关研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermoelastohydrodynamic behaviour of inclined-ellipse dimpled gas face seals[J]. DING ShaoPeng,BAI ShaoXian. Science China（Technological Sciences）. 2017(04)
[2]箔片动压气体轴承在低温透平膨胀机中的应用[J]. 侯予,杨山举,陈兴亚,陈汝刚,赖天伟,陈双涛. 哈尔滨工程大学学报. 2015(04)
[3]径向气体轴承-柔性转子耦合系统动力学研究[J]. 张广辉,刘占生. 航空动力学报. 2010(06)
[4]新型润滑技术研究进展[J]. 盛丽萍,李芬芳,范成凯. 润滑油. 2009(01)
[5]微转子系统径向气体轴承特性[J]. 张文明,孟光,陈迪. 机械工程学报. 2008(05)
[6]静电悬浮技术研究进展[J]. 胡亮,鲁晓宇,侯智敏. 物理. 2007(12)
[7]气体润滑技术及其研究进展[J]. 靳兆文. 通用机械. 2007(03)
[8]基于光压原理的微堆积制造技术[J]. 陈立峰,张人佶. 物理. 2003(12)
[9]介质微粒的光捕陷、光悬浮和光操纵[J]. 蔡惟泉. 物理学进展. 1997(01)
[10]低温空气透平膨胀机的气体槽式动压轴承[J]. 郭有仪,叶士禄,邵平,郁彪,周宗瑾. 西安交通大学学报. 1989(03)
博士论文
[1]微涡轮发动机气体轴承—转子系统非线性动力学研究[D]. 张小青.北京理工大学 2014
[2]超声悬浮/气浮的混合悬浮及其行波驱动机理及实验研究[D]. 刘家郡.吉林大学 2013
[3]近场超声非接触支撑与传输系统的理论与实验研究[D]. 李锦.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]半球型动压气浮轴承润滑机理研究与性能优化[D]. 黄争.湖南大学 2016
[2]涡轮机械模拟实验台的设计与实验研究[D]. 张俊.湖南大学 2016
[3]精密离心机气体轴承承载特性及稳定性研究[D]. 陈建伟.电子科技大学 2016
[4]仿生表面波箔气体推力轴承性能研究[D]. 张昭东.南京航空航天大学 2016
[5]超声波近场悬浮稳定性与悬浮高度研究[D]. 魏剑宇.大连理工大学 2015
[6]大负载球形气浮轴承设计及流场特性的数值模拟研究[D]. 陈路.哈尔滨工业大学 2013
[7]织构化表面的润滑特性及推力轴承应用研究[D]. 朱敏.武汉理工大学 2013
[8]超声悬浮夹具的基础性研究[D]. 凌宏.大连理工大学 2009
本文编号：3294353
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
常见的无油润滑与悬浮方法
4图 1.2 气体悬浮模型动压气体悬浮的原理如图1.2（a）所示。两个相对运动的表面之间形成锲形。当相对运动的速度升高时，气体由于粘性效应也随之快速流入大间隙并快速通过锲形，最后从小间隙处流出。在这个过程中气体的体积快速地由大变小导致气体发生压缩，使得锲形中形成一层高压气膜以悬浮起物体。该原理通常被用来设计为动压气浮轴承以用于支承高速旋转机械。挤压气体悬浮的原理如图1.2（b）所示。它是指两个平面在法向高频地相对运动使得这两个平面之间的气体受到高频挤压以悬浮起上端的平面。前面提到的近场声悬浮就属于这种类型。而且这种悬浮方式结构紧凑，只需要一个高频的平面振子就可以作为输入源。悬浮板浮起来后在水平方向上既可以保持静止也可以通过施加外力使其在水平方向高速移动。另外，通过改变悬浮板的尺寸既可以实现对MEMS级别的微小尺寸物体悬浮也可以实现对宏观尺寸的物体悬浮。静压气体悬浮的原理如图1.2（c）所示。它是利用外部通入到气膜间隙内的高压气体来支承悬浮物体。节流器起到连接外部气源和控制流量的作用。静压气体悬浮是一种非常好的非接触悬浮方式。不同于动压和挤压气体悬浮，这种悬浮方式不依赖于相对运动。而且，其刚度大，运动精度极高。通过提高外界供气压理论上可以让静压气体悬浮的承载能力达到无限大。但是为了提高承载能力
[41]教授牵头研究硅基MEMS能源系统，如图1.3（a）所示，并加工出了微型动压气浮轴承来满足转速高达百万转每分钟的使用要求。2011年，韩国的Son等人[42]研究通过光刻技术制造了一款适用于MEMS能源系统的箔片气浮轴承，如图1.3（b）所示。2016年，美国的Fang和Liu[43]开发了一种原位测量方案，如图1.3（c）所示，通过使用敏感的MEMS微型力传感器准确地测量出微型气浮轴承启动阶段以及稳定运行状态下的摩擦力矩。实验证明这种方法可以被广泛地使用来测量各种微型径向气浮轴承的摩擦力矩。图 1.3 动压气浮轴承的相关实验研究[41-43]早在1954年，Tipei[44]就发表了关于气体挤压膜理论的相关研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermoelastohydrodynamic behaviour of inclined-ellipse dimpled gas face seals[J]. DING ShaoPeng,BAI ShaoXian. Science China（Technological Sciences）. 2017(04)
[2]箔片动压气体轴承在低温透平膨胀机中的应用[J]. 侯予,杨山举,陈兴亚,陈汝刚,赖天伟,陈双涛. 哈尔滨工程大学学报. 2015(04)
[3]径向气体轴承-柔性转子耦合系统动力学研究[J]. 张广辉,刘占生. 航空动力学报. 2010(06)
[4]新型润滑技术研究进展[J]. 盛丽萍,李芬芳,范成凯. 润滑油. 2009(01)
[5]微转子系统径向气体轴承特性[J]. 张文明,孟光,陈迪. 机械工程学报. 2008(05)
[6]静电悬浮技术研究进展[J]. 胡亮,鲁晓宇,侯智敏. 物理. 2007(12)
[7]气体润滑技术及其研究进展[J]. 靳兆文. 通用机械. 2007(03)
[8]基于光压原理的微堆积制造技术[J]. 陈立峰,张人佶. 物理. 2003(12)
[9]介质微粒的光捕陷、光悬浮和光操纵[J]. 蔡惟泉. 物理学进展. 1997(01)
[10]低温空气透平膨胀机的气体槽式动压轴承[J]. 郭有仪,叶士禄,邵平,郁彪,周宗瑾. 西安交通大学学报. 1989(03)
博士论文
[1]微涡轮发动机气体轴承—转子系统非线性动力学研究[D]. 张小青.北京理工大学 2014
[2]超声悬浮/气浮的混合悬浮及其行波驱动机理及实验研究[D]. 刘家郡.吉林大学 2013
[3]近场超声非接触支撑与传输系统的理论与实验研究[D]. 李锦.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]半球型动压气浮轴承润滑机理研究与性能优化[D]. 黄争.湖南大学 2016
[2]涡轮机械模拟实验台的设计与实验研究[D]. 张俊.湖南大学 2016
[3]精密离心机气体轴承承载特性及稳定性研究[D]. 陈建伟.电子科技大学 2016
[4]仿生表面波箔气体推力轴承性能研究[D]. 张昭东.南京航空航天大学 2016
[5]超声波近场悬浮稳定性与悬浮高度研究[D]. 魏剑宇.大连理工大学 2015
[6]大负载球形气浮轴承设计及流场特性的数值模拟研究[D]. 陈路.哈尔滨工业大学 2013
[7]织构化表面的润滑特性及推力轴承应用研究[D]. 朱敏.武汉理工大学 2013
[8]超声悬浮夹具的基础性研究[D]. 凌宏.大连理工大学 2009
本文编号：3294353
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