微尺度稀薄氣體對空氣靜壓導軌的影響

《微尺度稀薄氣體對空氣靜壓導軌的影響》是依託昆明理工大學，由龍威擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微尺度稀薄氣體對空氣靜壓導軌的影響
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：龍威
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

隨著尖端工業生產和科學研究領域的超精密測量及加工精度水平由微米量級向納米量級過渡，對超精密測量和加工系統的重要單元空氣靜壓導軌的定位精度和靜態性能也提出了更高的要求。對於微尺度空氣導軌，當工作壓力較高, 而工作間隙又非常小時（十幾微米甚至幾微米）, 潤滑氣膜會變得很稀薄。由於尺度的微細化及氣體的稀薄效應，常規的連續性方程及N-S方程等不再使用。當氣流變稀薄後, 根據稀薄氣體動力學理論, 導軌的界面上產生速度滑移, 界面速度發生變化, 進而導致整個潤滑氣膜的速度分布發生變化, 對導軌的性能將產生明顯的影響。 基於Enskog 稠密氣體理論, 通過考察不同因素對氣體物性及流動特性的影響, 分析微氣體流動中稠密性對氣體物性和巨觀流動參數的影響。從微觀角度用LBM研究滑移邊界條件的低滲透率微縫隙氣體流動機理。將反彈邊界處理和自由滑移邊界處理相結合，以微氣體流動和稀薄氣體流動的3個特徵數( K n、R e 和Ma)為表征，進一步研究氣體稀薄效應對微尺度下空氣靜壓導軌的影響，指出氣膜狹縫中稀薄氣體流動與努森數和切向動量調和係數之間的關係以及氣體滑落效應與氣體性質和氣膜狹縫寬度之間的影響。

結題摘要

隨著高端裝備製造領域的技術水平和精度要求不斷提高，當潤滑氣膜降至微米級時，氣體流態從連續流轉變為滑移流，此時稀薄效應打破了傳統氣體潤滑理論的既定規律，氣膜內的流動規律、密度分布、壓力分布、承載能力以及剛度特性等發生顯著變化。實驗進一步表明，稀薄條件下小孔節流氣浮支撐氣膜內動態特性呈現很強的非線性特徵。這種非線性的源頭是氣膜內無源自激振動引起的，不僅會影響系統動態特性，甚至會破壞氣膜系統的穩定性。因而，本項目以稀薄條件下的氣浮軸承特性為研究目標，結合氣體分子動力學和衝擊射流理論，採用格子Boltzmann方程，將理論分析、數值計算和實驗驗證有機結合，主要完成了以下工作。 在潤滑機理研究方面，基於稀薄氣體動力學和分子碰撞理論，提出氣膜分層和分區假設，建立運動模型並提出相應控制方程，分析氣膜支撐區氣體流態並計算壓力分布特徵。實驗證明稀薄效應下：隨著氣流速度的增大，邊界滑移增強，氣膜有效壓力減小，連續流層的厚度增大，稀薄層的厚度減小；稀薄層剛度大於連續流層剛度，引出氣體潤滑本質的新描述；壓力驅動區內壓力梯度變化較大，實現氣浮絕大部分的支撐效果，並伴有較牛頓摩擦區更複雜的傳熱傳質特性；當到達一定速度值時，氣膜內壓力不在分層，速度滑移現象可以忽略。 在潤滑模型方面，以氣膜分層理論為基礎，結合層內黏度的變化特徵，建立壁面滑移模型。通過LAMMPS和2DMD數值分析的方法，結合實驗測試結果發現：在稀薄層內，沿豎直方向的速度呈線性變化，越靠近壁面，速度越小；在近壁層內，由於分子與壁面的摩擦使得近壁層分子速度驟減；在連續流層內，氣體分子做全滑移運動；此外，溫度越高，黏度越小，速度滑移越大，近壁層與稀薄層速度差值越大。溫度一定時，無量綱滑移長度和Kn數成線性關係。 在動態特性方面，根據衝擊射流理論分析軸承高壓區流動狀態和傳熱特性，將供氣孔-氣膜入口區域流場劃分為自由射流區、滯止區、過渡區和出口壁面射流區；基於二維平面流函式和大渦模擬方法，確定氣膜微振動源於高壓區流場內的氣旋；利用氣體分子運動論結合表面-界面物理方法，明確了三種氣旋的產生機理，發展規律和變化趨勢，同時進一步研究了不同工況對氣膜內壓力波動的位置及強度進行分析。最後，通過搭建試驗台測試軸承氣膜的振動幅值變化和頻率回響函式，不僅驗證了三類氣旋的存在及其分布特徵，還進一步給出了影響氣膜微振動強度的影響因素及其規律。