超精密工作檯中氣浮軸承的跨流區潤滑研究

《超精密工作檯中氣浮軸承的跨流區潤滑研究》是依託華中科技大學，由陳瀚擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超精密工作檯中氣浮軸承的跨流區潤滑研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳瀚
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

氣浮軸承由於其無接觸、近零摩擦的特性成為超精密工作檯中的重要支承方式。隨著真空預緊方式的套用和真空工作環境要求的出現，真空腔中及真空排氣道附近的非連續介質流動對氣浮軸承工作性能的影響越來越不能被忽略，而傳統理論與方法已經不能準確預測這種特殊影響規律。本項目針對超精密工作檯中氣浮軸承內的連續介質流和高Knudsen數流動，開展氣浮軸承跨流區潤滑行為研究。具體研究內容包括：建立氣浮軸承跨流區潤滑理論模型，提出相應數值計算方法；提出一種新的氣浮軸承節流孔流量係數實驗測量和計算方法；提出一種基於光彈性材料的無干擾式氣膜壓強連續分布測量方法；採用理論結合實驗的方式深入研究非連續介質流動對氣浮軸承性能的影響規律。本項目將為超精密工作檯中的氣浮軸承研究，尤其是存在跨流區流動的氣浮軸承研究，提供重要理論基礎和實驗研究手段，對超精密製造裝備和精密測量儀器產業的發展具有重要意義。

結題摘要

隨著超精密工作檯中氣浮軸承定位精度要求的不斷提升及其套用領域的不斷擴展，基於雷諾方程的傳統方法已不足以描述氣浮軸承內可能存在的高Kn數流、旋渦流、非穩態湍流等複雜流動現象。針對超精密氣浮軸承內的跨流區氣體潤滑問題，基於氣體動力學理論，推導了適用於各種Kn數的廣義質量流量-壓強梯度關係式。在此基礎上提出並實現了求解超精密氣浮軸承內跨流區流動的新型混合算法。從而建立了氣浮軸承內跨流區氣體潤滑理論體系，為超精密工作檯中氣浮軸承的設計和分析提供了理論依據和有效手段。針對氣浮軸承氣膜間隙內壓強分布的實驗測量，嘗試了三種不同的新方法：利用光彈性材料的氣膜壓強分布測量、利用壓敏分子膜的氣膜壓強分布測量、利用Fuji壓敏膠片的氣膜壓強分布測量。最終確定利用Fuji壓敏膠片，採用氣浮軸承氣膜載入的標定新方法，結合數字圖像處理技術，實現了對氣浮軸承氣膜壓強分布的高解析度、高精度、低成本、無干擾式測量，克服了傳統的氣膜內壓強測量方法逐點式、對流場有干擾、精度低等缺點。這一氣膜壓強分布測量新方法，將成為氣體軸承潤滑問題實驗研究的重要工具。採用正交實驗方法，研究了真空預緊的氣浮軸承潤滑特性；採用多元回歸分析方法，實現了對軸承剛度的準確預測。針對超精密氣浮軸承實驗研究中發現的軸承微振動現象，首次採用非穩定態大渦模擬的數值方法，捕捉到了節流孔出口處擬周期性渦脫落及壓強時空脈動的現象，揭示了軸承微振動的產生機理，並得到了實驗結果的驗證；在此基礎上提出了多孔陣列式節流器的結構設計新方法，在維持軸承承載力和剛度等特性的同時，實現了對軸承有害微振動的有效抑制。