多微通道层流式气体静压节流机理的研究

针对目前气体静压系统的精度和承载能力之间的矛盾性问题，寻求刚度和稳定性同时提高的途径，主要研究并行微通道层流式气体静压机理。应用微流动理论，探索实现层流型气膜流场的边界条件；对节流系统气膜流场速度和压力分布情况进行数值模拟，实现在节流孔主要参数改变的情况下对气膜流场的仿真分析；建立节流系统的压力阻抗模型，寻找流速、压降、阻抗间的关系，指导节流器设计；设计多微通道节流器，通过仿真确定微通道的数量和截面参数，以有效降低气膜入口处气体流速，减少气膜振动激励源的振幅；搭建流体相似性实验装置，利用液体的流动状态模拟气体流场情况，探索节流参数改变对流场的影响；通过节流器负载实验验证理论和仿真结果的正确性；分析节流热效应对流场的作用与影响；研究气源压力波动对气膜微流场的影响，设计压力可调的精密气源；进行气膜刚度和微振动同步测量实验，进一步优化系统参数，实现气体静压系统振动最小化、刚度最大化的研究目标。

我国气体静压系统存在承载力低而制约了其在中等以上负载的精密设备中的应用。针对这一问题，本项目对其关键基础部件中节流器进行了较深入的理论探索及实验研究。项目中提出采用多微通道并行节流技术，以实现提高节流器刚度的目的。利用数值仿真技术和实验测量对多微通道式节流器静态性能和气膜微流场热工参数进行了测量与分析，实现对节流器的优化，并最终完成大刚度节流器的设计与应用。另一方面，研究过程中紧密结合气体静压理论，涉及机械制造加工、流体动力学、微流体力学、空气动力学等多学科领域，从而可以实现对节流器的气阻的相关基础理论研究。项目组首先根据多微通道式节流技术设计出了几类新型节流器，并制作了相关实物。为了实现对节流器静态性能的测试分析，项目组研制了一种节流器静态性能测试装置，并利用其对多微通道式节流器的性能和两种国外同类商品节流器性能进行了对比，结果表明所设计的节流器的承载性能有了大幅度提高，证实了多微通道并行节流技术的有效性。另一方面，又对影响节流器性能的其他两个因素（热效应和供气气源）进行了分析：利用仿真和实验两种方法对静压气膜内的热工参数分布情况进行了了较为详细的分析，可对节流温降现象的解释提供实验数据；研制了一种大容量稳压气源，其可以提供一个最大0.6MPa的稳定压力源。在节流器理论研究方面，建立了节流器的相关阻抗模型，提出了一种节流器承载力计算的简化方法，为节流器的性能设计提供了便利。最后，对分体式气体静压轴系进行了有意义的探索。