真空环境下静压气体轴承润滑机理及设计理论和实验方法的研究

The flow characteristics, performance calculation, structural design and parameters optimization method of aerostatic bearing with seal system working in vacuum condition will be researched in this project. Moreover, the aerostatic lubrication theory in vacuum condition will be contructed and the performance test and error compensating method will be elpored. 1) In order to discolure the reason that the performance of aerostatic bearing alterate greatly in vcacuum condition, the flow characteristic will be analysed by using Neynolds Equation combined with Monte Carlo Method, Lattice Boltzmann Method and Boltzmann equation. Then, the transitional position and prerequisite of different flow region are determined, so the flow parameters after the transition can be calculated. 2) According to the performance and gas leakage of the bearing with different parameters and restricted by different method, considering the gas adsorption characteristics of the surface coating materials and process technology, establish the design theory and parameters optimization method of ultra-precision aerostatic bearing working in vacuum condition. 3) Compensate the straightness and angle error real timely through controllable preload and controllable restrictor by establish the relationship between bearing geometrical error, structural deformation, straightness, angle error and position accuracy. 4) Research the directly measure method for gas pressure and velocity, and construct the experimental system for performance test by analyzing the electromechanical performance of measuring equipment working in vacuum condition. Develop the software of performance calculation and parameters optimization for the aerostatic bearing working in vacuum condition.

研究真空中静压气体轴承及密封结构内气体流动、性能计算、结构设计和参数优化方法，形成真空环境下静压气体润滑理论；探索轴承性能检测及误差补偿方法：1)研究雷诺方程、蒙特卡罗法、格子玻尔兹曼法和玻尔兹曼方程相结合表征气体流动特性，分析不同流动区域转变的位置和转变条件以及转变前后流场参数变化关系，揭示真空中轴承性能发生显著变化的内在机理；2)分析不同节流方式和设计参数下轴承性能和润滑气体泄漏量，依据表面涂层材料和加工工艺对气体分子的输运作用，得出真空中超精密气体轴承的设计理论和参数优化方法；3)构建轴承几何误差、结构弹性形变与直线度、偏转角度和定位精度之间的函数关系，利用多边可控预载和主动节流实现不同位置和工况下线性度和角度误差的实时补偿；4)分析检测传感装置在真空中的机电性能，研究气体压力和流速的直接测量方法，搭建测试轴承性能的实验系统，开发真空中气体轴承及密封系统性能计算和参数优化软件。

针对真空环境下静压气体轴承内粘性流、过渡流和分子流共存，轴承性能和润滑气体泄漏量难于计算等问题，开展了真空环境下静压气体轴承及密封系统内流场特性分析、轴承性能计算和设计参数优化等方面的研究。. 采用多种流场分析方法获得了轴承内不同流动区域气体流向、分子自由程、流线等流场参数，得出了轴承内粘性流向分子流转变的临界位置和临界压力，转变位置、转变压力与轴承设计参数之间的相互制约关系；给出了轴承承载区、排气槽和密封区内气体压力、速度和气体流量变化规律，得出了真空环境下静压气体轴承承载能力、刚度、耗气量以及润滑气体泄漏量计算方法；分析了轴承设计参数和润滑气体物理性质对承载能力、刚度和润滑气体泄漏量的影响，得出了真空环境下静压气体轴承性能计算及密封系统设计参数优化方法。. 采用动态粒子追踪(Micro-Piv)技术直接测量轴承内气体流速，实现轴承内气体流场直接检测，为理论分析结果提供直接实验验证手段；提出真空环境下复合节流式静压气体轴承，轴承同时采用孔式和多孔材料节流，利用双供气系统充分发挥孔式和多孔材料节流各自的优点，增加了轴承性能优化的参数空间，使轴承在真空环境下具有更好的静动态性能；采用加热装置改变密封区域内局部温度，调整密封区域内气体压力，减少润滑气体泄漏量，形成复合密封结构，相对单级或多级由槽式回流、间隙密封组成密封单元的密封系统，复合密封具有可调参数多，可控性好的突出优点，轴承工作在真空或超洁净环境中润滑气体泄漏量显著降低。. 研制出用于真空环境下静压体轴承性能检测的真空室及相应的控制系统，真空室容积0.4m3，未烘烤空载压力1.3×10-4Pa，烘烤空载压力6×10-5Pa；研制了真空环境下静压气体轴承性能检测装置及相应的软硬件控制系统；试制了具有一级、两级排气槽的真空气体轴承；实验结果表明：研制的真空室和轴承性能检测装置达到了预期目标，满足实验要求；根据实验结果修正了真空环境下静压气体轴承性能计算和密封系统设计参数优化方法。