类昆虫多足结构微型自适应弹性支承气体轴承的润滑机理研究

Bearing is the technical bottleneck for highly efficient and stable operation of micro rotating machineries. Compared to rigid gas bearings, the proposed micro gas bearings with structure similar to multi-legged insect have better lubricant properties, lower wear, higher load capacity. The damping characteristic from the elastic structure of bionics leads to better bearing stability. Meanwhile, the compliant structure reduces the accuracy requirement for processing and installing. This project will focus on the lubrication mechanism and bearing characteristics of the proposed micro gas bearings with a structure similar to multi-legged insect. 1) A nonlinear model of the structure similar to multi-legged insect will be introduced to describe the relationship between structure characteristic and vibration amplitude and frequency. 2) The effects of micro size on gas lubrication will be discussed. The coupling interaction between the deformation of compliant structure and gas film will be analyzed for the prediction of bearing performance. 3) The coupling influence of surface roughness, structure deformation, thermal growth on bearing temperature will be studied for the thermal management of the bearings. 4) A test rig supported by the micro gas bearings will be set up for the model validation. The research results from this project will enrich and develop the basic theory of fluid lubrication and solve the key technical problems for micro rotating machineries.

轴承是制约微型旋转机械发展的“瓶颈”。针对高转速、高稳定性轴承这一迫切需求，本项目提出了“类昆虫多足结构”的微型自适应弹性支承轴承。和目前广泛采用的微型刚性气体轴承相比，该轴承利用仿生学弹性结构，不仅改善了润滑特性，减少了初期磨损，提高了承载能力和稳定性，还降低了对加工和安装精度的要求。本项目将系统地研究微观尺度下微型弹性支承气体轴承的润滑机理和工作特性：1）建立类昆虫多足弹性结构非线性模型，研究其刚度和阻尼特性与振动幅值和频率之间的关系；2）分析微观尺寸效应对气体润滑的影响，揭示弹性结构微变形和稀薄气体效应的耦合作用机制，及其对轴承性能的影响；3）研究表面粗糙度、弹性结构微变形、热膨胀对轴承性能和温升的影响，形成微观弹性支承气体轴承的热管理方法；4）实验评价微观弹性气体轴承的性能，验证和修正理论分析。研究成果将丰富和发展流体润滑的基础理论，解决限制微型旋转机械高效稳定运转的关键技术问题。

微型旋转机械作为动力源正日益发展。轴承是制约微型旋转机械发展的“瓶颈”。微型旋转机械因其高功率密度和高效率的特点极其需要一个稳定的轴承转子系统。因微型箔片气体轴承具有低摩擦力，高工作转速，良好的稳定性，低的轴对中性，以及无需额外的供气源等优点。因此，本项目提出了“类昆虫多足结构”的微型自适应弹性支承轴承。和目前广泛采用的微型刚性气体轴承相比，该轴承利用仿生学弹性结构，不仅改善了润滑特性，减少了初期磨损，提高了承载能力和稳定性，还降低了对加工和安装精度的要求。.本项目系统地研究微观尺度下微型弹性支承气体轴承的润滑机理和工作特性：1）建立类昆虫多足弹性结构非线性模型，研究其刚度和阻尼特性与振动幅值和频率之间的关系；2）提出大接触面自适应弹性支承结构，并通过结构优化提高了库伦阻尼，改善了轴承的稳定性；3）建立了微尺度下考虑稀薄气体效应的气体二维滑移模型，得到考虑二阶滑移流情况下修正的Reynolds方程；4）研究微型气体轴承的温升与冷却流量和弹性结构的关系，提出微观气体轴承的热管理解决方法和策略，分析表面粗糙度、弹性结构微变形、热膨胀对轴承性能和温升的影响；5）实验评价微观弹性气体轴承的性能，验证和修正理论分析。研究成果丰富和发展了流体润滑的基础理论，解决了限制微型旋转机械高效稳定运转的关键技术问题。