新型行波擠壓膜軸承及其性能的研究.pdf

1、非接觸流體潤(rùn)滑軸承由于其摩擦副沒(méi)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(rùn)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(wú)法承受外載荷。為了克服軸承體積和性能之間的矛盾，1964

2、年，Salbu首次開(kāi)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(kāi)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(wú)法實(shí)現(xiàn)非接觸潤(rùn)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(rùn)滑液膜，提出了一種新型的行波擠壓膜液體軸承，并通過(guò)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

3、面上傳播的行波將潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑流體流向封閉區(qū)域、潤(rùn)滑流體的流動(dòng)方向隨時(shí)間變化、潤(rùn)滑油膜或潤(rùn)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(zhǎng)度和高度的比值極大。因此，行波擠壓膜軸承中潤(rùn)滑流體的流動(dòng)十分復(fù)雜

4、，難以建立潤(rùn)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(rùn)滑流體流動(dòng)的仿真模型。并使用開(kāi)源計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真軟件openFOAM，基于C++語(yǔ)言，編寫(xiě)了行波擠壓膜軸承中潤(rùn)滑流體流動(dòng)的仿真模型和求解器。利用這一仿真模

5、型可以對(duì)不同工作條件下的行波擠壓膜軸承潤(rùn)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(rùn)滑流體的流動(dòng)過(guò)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(rùn)滑

6、。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(lái)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(guò)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(rùn)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

7、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(guò)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(cè)，檢測(cè)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

8、用這一行波變形可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑流體的蠕動(dòng)傳輸。
　　為了驗(yàn)證所開(kāi)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(cè)。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??；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(kāi)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(kāi)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