考虑挤压速度滑移的微气体轴承动力特性研究

微气体轴承研究涉及动力学与控制、微流体力学和摩擦学等多学科领域，正成为研究中的热点。微气体轴承中，润滑气流不仅会受到轴承壁面的剪切作用，而且还受到轴承壁面的挤压作用，使得润滑气流同时具有剪切速度和挤压速度，这是微气体轴承润滑气流区别于微通道气流的显著特征。而目前微气体轴承研究中忽略了这一点，在润滑气流滑移边界仍采用与微通道气流相同的滑移边界，这使得微气体轴承特性分析中存在偏差，阻碍了微气体轴承研究的发展。本项目首先根据稀薄气体动力学理论，推导剪切和挤压速度同时并存时稀薄流场气固界面速度滑移边界；其次根据推导出的速度滑移边界，建立修正的微气体轴承Reynolds方程，采用双向隐式差分数值算法，研究挤压速度滑移对不同结构型式的微气体轴承动力特性的影响；最后搭建微气体轴承试验平台，与数值分析结果比较，分析微气体轴承挤压速度滑移效应，为完善微气体轴承的设计提供相应的理论及分析方法。

本课题根据稀薄气体动力学理论，推导了稀薄流场广义Maxwell气固界面速度滑移边界；基于速度滑移边界，修正微气体轴承Reynolds 方程，采用双向隐式差分数值算法，分析了不同结构型式的微气体轴承动力特性；基于矩方法和直接模拟蒙特卡洛模拟（direct simulation Mente Carlo, DSMC），分析了微气体滑块轴承稀薄效应，完善了微气体轴承的设计相应的理论及分析方法。主要工作如下：.（１）针对存在挤压速度情形的近连续滑移流区微轴承内气体流动，基于气固界面Knudsen层内动量和能量通量的守恒，利用Grad十三矩近似的速度分布函数，详细推导广义Maxwell速度滑移边界模型，给出了其与典型Maxwell速度滑移边界的差别。研究表明在不考虑壁面温度梯度和挤压速度影响时，所得到的广义Maxwell速度滑移边界模型与典型Maxwell速度滑移模型是一致的；通过在微尺度气体轴承流动控制方程应用，获得一套适于气体轴承内流动气固表面速度滑移边界数学模型。.（２）为研究气体稀薄效应对微机电系统（MEMS）气体轴承-转子系统不平衡响应的影响，给出了MEMS气体轴承-转子系统运动方程和MEMS气体轴承的Reynolds方程；利用双向隐式差分算法，给出了修正Reynolds方程的详细数值求解过程；将转子运动方程与Reynolds方程相结合，采用4阶Rounge-Kutta方法，计算分析了稀薄效应对MEMS气体轴承-转子系统不平衡响应的影响。研究结果表明，考虑气体稀薄效应后，较大的质量偏心距时，MEMS气体轴承-转子系统的失稳转速较大，表明合适的偏心质量有助于改善系统的稳定性；在相同的质量偏心距下，考虑气体稀薄效应时气体轴承-转子系统在较低转速处出现峰值，表明此时不平衡偏心质量对气体轴承-转子系统运动的影响增大。.（3）在MEMS微位移领域，杠杆式柔性铰链机构常被用来放大压电陶瓷驱动器产生的微小位移。在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上，本文推导出杠杆式柔性铰链机构的放大率的计算公式，并采用有限元分析和实验测试进行验证。通过公式计算、有限元仿真分析和实验测试得到的放大率分别为8.31、8.38和8.20，有限元仿真值和公式计算值之间的误差为1%，实验测试值和公式计算值之间的误差为1.3%，三者的结果非常接近。