硬盘纳米间隙气膜润滑的新模型及其静态特性研究
发布时间：2020-06-09 16:39
【摘要】：硬盘是当前数据存储的主要途径,并且它的尺寸持续减小、容量逐步增大、成本逐渐降低。随着磁记录密度的不断增加,硬盘中磁头与磁盘间的距离也已经减小到只有几个纳米。在这样小的间隙中,气膜中的气体不能看作严格的连续流体,传统的润滑理论不再适用,必须要考虑气体稀薄效应的影响。 为了准确模拟超薄气膜的压力分布,需要考虑气体稀薄效应及表面粗糙度等对Reynolds方程进行修正。本文基于当前广泛应用的Reynolds方程的FK模型,推出四种模拟超薄气膜润滑的简化新模型：连续FK(Continuous FK, CFK)模型、二阶FK(Second order FK, SOFK)模型、简化FK(Simplified FK, SFK)模型和高精度二阶(Precise second order, PSO)模型。采用最小二乘有限差分(Least square finite difference, LSFD)法分别对四种新模型进行了求解,并将计算结果与FK模型的计算结果进行了对比。数值结果表明,CFK模型是在不影响模拟精度的基础上修正了FK模型分段处具有较大误差的缺陷；SOFK模型和PFK模型与FK模型相比,均在不影响模拟精度的基础上,提高计算效率；PSO与FK模型相比,计算时间短、计算精度高。此外,基于所建立的四种新模型,模拟分析了几种典型二维浮动块的压力分布等气膜静态特性。 基于考虑气体稀薄效应修正Reynolds方程的简化PSO模型,采用LSFD法,求解了引入压力流因子和剪切流因子的量纲一Reynolds方程,并且研究了表面粗糙度对硬盘超低飞高(1-2纳米)气膜静态特性的影响。数值结果表明：粗糙度对超低飞高气膜压力分布和承载力的影响较大,而对压力中心的影响较小；飞行高度越低和／或粗糙度值越大,对压力分布及承载力的影响越明显；在粗糙度值相同的条件下,仅磁头粗糙且取横向粗糙度时,系统压力分布最高,气膜承载力最大；各种情况下,表面粗糙度对压力中心的变化影响不大,说明磁头飞行比较平稳,系统稳定性较好；另外,基于PSO模型研究粗糙度对硬盘气膜静态特性的影响,不仅数值结果精度高,并且具有很高的计算效率。 表面容纳系数(Accommodation coefficient, AC)是影响磁头／磁盘静态特性的重要因素。本文从Poiseuille流比和Couette流比的多项式对数方程出发,推出了 一种模拟硬盘超薄气膜的简化分子气膜润滑(Molecular gas film lubrication, MGL)方程。通过LSFD法对简化的MGL方程进行求解,研究了表面容纳系数对硬盘超低飞高(1nm)气膜静态特性的影响。数值结果表明：对称性分子交互作用时,表面容纳系数对气膜静态特性的影响明显；非对称性分子交互作用时,磁盘表面容纳系数对浮动块气膜静态特性的影响较大,而浮动块表面容纳系数的影响较小。此外,研究了自由分子区域内表面容纳系数对气膜静态特性的影响,结果表明,通过调节浮动块表面的容纳系数,可以在不影响气膜压力分布分布的同时,改变气膜的剪力分布。
【图文】：
如果不知道硬盘内部的工作原理就很难真正去理解那些影响硬盘性能、可靠性和磁头/磁盘界面的因素。虽然硬盘的技术不断发展，但它的许多基础部件并没有发生多大变化。现在，我们来简单认识一下硬盘的内部结构。图1.1所示为温切斯特(wenchestr)硬盘的主要内部结构，图中已给出主要部件的标注。图1.1温切斯特(wenchestr)硬盘的内部结构如图1.1所示，硬盘主要组成部件有:固定面板、磁盘盘片、主轴、主轴电机、音圈电机、传动手臂、悬臂装置、浮动块、读写磁头等。硬盘其它部件的功能以及与PC机的联系由一块控制电路板控制。磁头/磁盘组件是构成硬盘的核心，由磁头组件、磁头驱动组件、磁盘盘片、主轴驱动组件及前置读写控制电路等几部分组成。磁头组件是硬盘中最为精密的部件之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。读写磁头利用与磁盘上下表面的非接触式运动对磁盘上的数据进行读取和存储。读写磁头不仅是悬浮在磁盘表面，而且与磁盘保持的间距也要精确。同时，读写磁头能从一个磁道移动到另一个磁道从而能保证对整张磁盘的读写，而磁头安装在传动手臂上就是来保证这个运动过程的简便。
大多数用金属薄膜材料制成。前置控制电路控制磁头的感应信号、主轴电机的调速、磁头的驱动以及伺服定位等。图1.2所示为硬盘工作原理的示意图。多张磁盘盘片通过中心的轴孔叠放在主轴上，依靠连接在主轴上的主轴电机驱动而高速旋转。安装在磁头浮动块上的特殊电磁读写装置(读写磁头)往磁盘盘片上记录和读取信息。记录数据时，电磁体的线圈通入一定的电流，在其附近产生磁场，根据作用在电磁体上电流的方向磁化记录在磁介质上的磁信息。读取数据时，，运动磁信息的流量被电磁体线圈接收并产生电流脉冲，再由特定的装置翻译成数字信号[3]。磁头部件被安放在悬臂装置和传动手臂上，所有这些部件组成一个整体并依靠音圈电机驱动。磁盘片/臂//\bl\/\/人动///丈\
本文编号：2704960
【图文】：
如果不知道硬盘内部的工作原理就很难真正去理解那些影响硬盘性能、可靠性和磁头/磁盘界面的因素。虽然硬盘的技术不断发展，但它的许多基础部件并没有发生多大变化。现在，我们来简单认识一下硬盘的内部结构。图1.1所示为温切斯特(wenchestr)硬盘的主要内部结构，图中已给出主要部件的标注。图1.1温切斯特(wenchestr)硬盘的内部结构如图1.1所示，硬盘主要组成部件有:固定面板、磁盘盘片、主轴、主轴电机、音圈电机、传动手臂、悬臂装置、浮动块、读写磁头等。硬盘其它部件的功能以及与PC机的联系由一块控制电路板控制。磁头/磁盘组件是构成硬盘的核心，由磁头组件、磁头驱动组件、磁盘盘片、主轴驱动组件及前置读写控制电路等几部分组成。磁头组件是硬盘中最为精密的部件之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。读写磁头利用与磁盘上下表面的非接触式运动对磁盘上的数据进行读取和存储。读写磁头不仅是悬浮在磁盘表面，而且与磁盘保持的间距也要精确。同时，读写磁头能从一个磁道移动到另一个磁道从而能保证对整张磁盘的读写，而磁头安装在传动手臂上就是来保证这个运动过程的简便。
大多数用金属薄膜材料制成。前置控制电路控制磁头的感应信号、主轴电机的调速、磁头的驱动以及伺服定位等。图1.2所示为硬盘工作原理的示意图。多张磁盘盘片通过中心的轴孔叠放在主轴上，依靠连接在主轴上的主轴电机驱动而高速旋转。安装在磁头浮动块上的特殊电磁读写装置(读写磁头)往磁盘盘片上记录和读取信息。记录数据时，电磁体的线圈通入一定的电流，在其附近产生磁场，根据作用在电磁体上电流的方向磁化记录在磁介质上的磁信息。读取数据时，，运动磁信息的流量被电磁体线圈接收并产生电流脉冲，再由特定的装置翻译成数字信号[3]。磁头部件被安放在悬臂装置和传动手臂上，所有这些部件组成一个整体并依靠音圈电机驱动。磁盘片/臂//\bl\/\/人动///丈\
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