氣浮支承動(dòng)態(tài)特性及其微振動(dòng)研究.pdf

1、超精密制造裝備代表著精密制造業(yè)的最高發(fā)展水平，是衡量一個(gè)國家精密制造實(shí)力的重要標(biāo)志之一。面對超精密制造裝備的重大需求，隨之發(fā)展起來的氣浮支承技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械接觸或液體潤滑式支承技術(shù)，成為制造裝備實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的有效手段。氣浮支承因其具有近零摩擦、無發(fā)熱、有效隔離振動(dòng)傳遞等優(yōu)點(diǎn)，從根本上避免了接觸碰撞、摩擦發(fā)熱等復(fù)雜非線性問題帶來的不利影響，廣泛應(yīng)用于光刻機(jī)、超精密機(jī)床等代表最高水平的尖端制造裝備。然而，隨著制造裝備中運(yùn)動(dòng)速度/

2、加速度的不斷提高以及定位精度逐漸趨近納米甚至亞納米級，使得氣浮支承在強(qiáng)擾動(dòng)作用下的非線性動(dòng)態(tài)特性、內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)引起的微小振動(dòng)特性不再可以忽略，這對高性能氣浮支承的設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。本文依托國家重大科研項(xiàng)目，面向重大工程的實(shí)際需求，研究氣浮支承在外界擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性、氣流引起的微振動(dòng)特性及其抑制方法。該研究對促進(jìn)我國高端精密制造裝備的基礎(chǔ)創(chuàng)新、技術(shù)突破具有重要意義。
　　基于非穩(wěn)態(tài)氣膜潤滑的力學(xué)模型，從理論上分析了氣浮支承法向擾動(dòng)

3、下的非線性動(dòng)態(tài)特性。采用CFD動(dòng)網(wǎng)格建模方法建立了氣浮支承的擾動(dòng)作用計(jì)算模型，計(jì)算了不同擾動(dòng)頻率下氣浮支承的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼參數(shù)，闡述了動(dòng)態(tài)剛度及阻尼與頻率的非線性相關(guān)性。研究了擾動(dòng)幅值、供氣壓力、氣膜間隙等工作參數(shù)對氣膜支承動(dòng)剛度及阻尼特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)幅值的影響很小、而供氣壓力增加或氣膜間隙減小時(shí)頻率相關(guān)性越顯著。借鑒粘彈性材料的力學(xué)特性及Maxwell模型，建立了表征氣浮支承頻率相關(guān)動(dòng)態(tài)特性的等效力學(xué)模型，并對比分析了線性定常

4、等效力學(xué)模型忽略頻率相關(guān)性引入的誤差。
　　采用大渦模擬方法對氣浮支承的瞬態(tài)流場進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，同時(shí)比較了2D大渦模擬和3D大渦模擬的準(zhǔn)確性。對其湍流脈動(dòng)的研究發(fā)現(xiàn)，有腔氣浮支承在供氣壓力較大時(shí)節(jié)流孔出口周圍存在氣旋渦脫現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明該氣旋渦脫現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致氣膜間隙內(nèi)的壓力波動(dòng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究討論了不同供氣壓力、有腔/無腔結(jié)構(gòu)對氣旋渦脫、壓力波動(dòng)、氣浮支承微振動(dòng)的影響，定性闡述了三者間的內(nèi)在關(guān)系。發(fā)現(xiàn)供氣壓力越大時(shí)，氣旋渦脫現(xiàn)象

5、越顯著，表現(xiàn)在氣旋渦量及壓力波動(dòng)幅值的增大，同時(shí)氣浮支承的微振動(dòng)強(qiáng)度也越大。
　　為了抑制氣浮支承的微振動(dòng)，提出了一種新型微孔陣列節(jié)流結(jié)構(gòu)。針對微孔陣列節(jié)流及傳統(tǒng)小孔節(jié)流氣浮支承，對比分析了靜態(tài)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)同樣的供氣壓力下二者具有近乎相同的靜承載力和剛度特性。研究了微孔陣列節(jié)流結(jié)構(gòu)對氣旋渦脫、壓力波動(dòng)的影響，闡明了其對微振動(dòng)抑制的本質(zhì)原因，即其中氣旋渦脫及壓力波動(dòng)受到明顯的抑制。通過實(shí)驗(yàn)對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了微孔陣列節(jié)流結(jié)構(gòu)對微