硬盘磁头超薄气膜润滑研究进展

介绍硬盘磁头发展状况以及超薄气膜润滑理论的研究现状，提出超薄气膜润滑研究中存在的问题，如10nm以下一毪行间隙的润滑理论模型、超薄气膜润滑有效的数值计算方法，以及建立飞行高度试验台和开发磁头气体轴承设计分析软件模块等问题，并介绍一种新型有效的计算磁失磁盘超薄气膜的数值计算方法。     

求解磁头/磁盘超薄气膜润滑性能的有效有限差分算法

首先给出超薄气膜润滑的基本方程.通过对方程的分析指出,在纳米尺度下工作的磁头/磁盘具有轴承数很大和剪切流项含有压力的两个特点.提出对剪切流项进行主元迭代求解可压缩气体雷诺方程的新计算方法.在推导出该方法所用的差分公式和误差分析公式基础上,利用这些公式对双轨和多轨两种磁头在5 nm和10 nm下工作压力分布进行计算.计算过程表明该方法对超薄条件下的气膜润滑计算是有效的,该方法能够有效解决大轴承数条件下容易出现失稳的现象,避免计算中数值振荡的发生,成功地将普通有限差分算法用于求解大轴承数的气体润滑数值计算中.计算结果的误差分析表明:该算法对大轴承数气体润滑问题的收敛十分有效,并具有编程简单、计算速度快等优点.     

基于分形几何理论的微气体轴承承载特性研究

为了研究微机电系统(MEMS)中气体轴承的流动特性,通过综合考虑分形粗糙表面与稀薄气体的耦合效应,推导出引入速度滑移边界的超薄气膜润滑雷诺方程,并使用有限差分法对其进行离散求解,数值分析了粗糙表面情况下不同参数对气膜压力分布、承载能力的影响,并与光滑表面的数值结果进行对比。结果表明:微尺度条件下,表面粗糙度与气体稀薄的耦合作用对压力的影响不可忽略,同时压力分布呈现一定的随机性;气膜厚度越小,表面粗糙度效应越显著,压力波动也愈强烈;台阶深度对光滑表面气膜压力几乎无影响;轴承间隙越小,转速越大,其承载力的相对变化幅度越显著。     

计算机磁头/磁盘超薄气膜润滑稳定性

以任意拉森数的超薄气体润滑方程为基础,给出磁头刚体小扰动对空气轴承滑块 (ABS)气膜压强摄动方程。采用算子分裂法求解气膜压强和非结构三角网格的有限元法解压强摄动方程,得到气膜的刚度系数和阻尼系数矩阵。模态分析得到磁头气固耦合系统的固有频率,衰减率和振型。以Ω型磁头为例,分析了在不同气膜厚度和磁盘转速下的磁头稳定性。研究结果表明,磁头稳定性对气膜厚度很敏感,在小气膜厚度运行时,系统固有频率高,稳定性好;磁头升沉和纵倾运动的动力耦合,使磁头系统固有频率和衰减率降低,对稳定性不利;高转速的磁盘对磁头稳定性不利,但影响不大。     

应用有限体积法研究空气静压导轨力学特性

研究了润滑气膜的主要力学参数.引入有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下导轨工作面上的压强分布规律.数值结果表明:导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律并非按雷诺润滑方程均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500μm的负压区;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素.本项研究为导轨自激振动抑制、气膜振幅减小乃至空气静压导轨整体精度提高等工作做了有益探索.     

带式气垫输送机气膜承载能力的有限元分析

本文将带式气垫输送机的气膜承载问题简化为雷诺方程表示的二维气体润滑问题,用有限元法加以计算求解,得出气膜压力分布、承载能力、供气量等技术指标与进气压力、节流孔直径和排数、气膜厚度等设计参数的数值关系,以及带式气垫输送机的一般性设计原则。     

飞机仔磁碟界面润滑方程的建立及其应用

基于广义超薄气体润滑FK方程,本文提出了采用分段二次拟合的方法优化新模型,给出了基于新模型RFK的有限差分法离散及迭代公式。以目前市场上典型的ABS为例,计算和对比了磁头滑块的压力分布及其他物理特性,数据表明该方法对超薄气体条件下的气膜润滑计算是可靠和高效的。     

应用有限体积法空气静压导轨力学特性的研究

空气静压润滑是精密工程领域的关键技术之一,润滑气膜的压强分布、承载能力、刚度等力学特性是决定导轨稳定性的主要因素。目前,空气静压导轨设计中常采用简化雷诺方程的工程计算方法,存在静态性能误差大的特点。本文针对润滑气膜的压强分布规律、承载力等主要力学特性参数进行研究。基于节流孔出射气流为冲击射流,引入计算流体力学的有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下空气静压导轨工作面上的压强分布规律。数值结果表明：导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律非雷诺润滑方程所给出的均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500µm的负压区、峰值约为0.05MPa;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是空气静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素。     

Bow型硅微加工缺陷对动压气体轴承动态特性的影响

受硅微加工技术的限制，微气体润滑径向轴承经常产生Bow型加工缺陷，带来气膜厚度沿轴向的不一致性。将存在Bow型加工缺陷的动压气体轴承的膜厚方程与超薄气膜润滑理论相结合，推导同时考虑硅微加工缺陷及稀薄气体效应的微气体轴承润滑方程，并采用Newton Raphson方法进行求解。用“简正模”法推导系统的动特性系数及稳定性的求解模型，探讨硅微加工缺陷对轴承润滑特性及动力学特性的影响规律。结果表明，侧壁Bow型加工缺陷使得气膜中的压力分布变得平坦，降低系统的承载能力和气膜刚度，使临界质量曲线整体上移，增大轴承维持稳定运转所需的最小偏心率；此外，大偏心率时存在Bow型缺陷的轴承的高速性能差，增大轴承数有可能造成系统失稳，且缺陷程度越大，影响越明显。     

表面波纹度及粗糙度对微气体轴承性能的影响

为了探究表面粗糙度、表面波纹度以及两者同时存在时对气体滑块轴承润滑性能的影响，采用分形函数表征粗糙表面，正弦曲线表征表面波纹度，代入适用于任意努森数的超薄气膜润滑Reynolds方程，得到同时考虑表面形貌特征及稀薄效应的润滑方程，并采用有限差分法进行求解。结果表明：在轴承不发生碰磨的情况下，轴承表面粗糙度值越大，气膜压力越高，轴承承载力也越高；表面波纹度的幅值、相位角、周期对轴承性能均有较大影响，相位角φ=3π/4附近、波纹周期在0.4及0.8附近时承载力较大；对于复合形貌表面，表面粗糙度可以弥补表面波纹度可能带来的气膜压力及承载力损失，轴承数越大，效果越明显；表面粗糙度对压力中心影响较小，而波纹度对压力中心的影响较大。     

螺旋槽气体轴承动态特性及失稳分析

针对高速动静压气体轴承气膜的复杂非线性动力学行为,以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立润滑分析数学模型;采用有限差分法与导数积分法进行求解,得到动态扰动压力分布及动态特性系数,并研究切向供气条件下螺旋槽参数、径向偏心率、供气压力、转速对气膜刚度阻尼系数的影响规律;建立线性稳定性计算模型,预测气膜涡动失稳转速,分析运行参数对失稳转速的影响。结果表明:气膜阻尼是一种抑制涡动的因素,气膜的稳定性取决于气膜刚度与阻尼的协同作用;气膜刚度阻尼随着槽宽比、槽深比、螺旋角的增大,整体上呈先增大后减小的趋势;刚度随转速的升高而增大,阻尼则随转速的升高而减小;径向偏心率和供气压力越大,气膜刚度和阻尼越大;在一定范围内,提高供气压力、增大径向偏心率能够提高系统失稳转速;合理地选取轴承结构参数和运行参数,能够优化轴承动态特性,保证气体轴承较高的运行稳定性。     

变位斜齿轮的热弹流润滑数值分析

运用斜齿轮有限长线接触数学模型,对渐开线变位斜齿轮进行热弹流润滑数值分析;分析正变位、负变位、等变位3种变位系数下斜齿轮的热弹流润滑状态,计算不同变位系数下斜齿轮的油膜压力、膜厚及温升,并与标准斜齿轮传动计算结果进行比较。结果表明:热弹流润滑条件下,斜齿轮的变位对油膜压力影响不大,对膜厚有较大的影响;变位斜齿轮正传动时,随变位系数的增大,压力减小,膜厚增大;沿最长接触线时,与标准斜齿轮的传动相比,变位斜齿轮正变位系数下压力最小、膜厚最大、温度最低,因此,选择正变位系数更有利于斜齿轮的润滑。     

球面螺旋槽气体动压轴承静态特性分析

以球面螺旋槽气体动压轴承为研究对象,建立了球面螺旋槽气体动压轴承的润滑分析数学模型,基于CFD技术,采用流体动力学Fluent软件,对球面螺旋槽气体动压轴承的三维气膜压力场进行分析,揭示不同转速下,轴承槽宽比、槽深比、螺旋角、气膜间隙对稳态轴承气膜压力以及承载能力的影响规律,并在此基础上,对轴承的结构参数进行了优化。结果表明,应用Fluent软件进行数值分析可以精确地模拟区域内气膜的复杂流场特性,并且转速越高,气体轴承内部的动压效应就越明显,因此合理地选择轴承结构参数和运行参数有助于改善润滑性能,提高轴承的稳态承载特性。     

Measurements of Compressibility Effects in Stepped Thrust Gas Film Bearings

Hydrodynamic gas film bearings are used for supporting high-speed, lightly loaded rotating machinery. Stepped-type gas film bearings are often used for such machinery because of theïr simple structure, high stability and load carrying capacity. This paper describes the measurements of compressibility effects on the static and dynamic characteristics of stepped thrust gas film bearings. In the experiments, the minimum film thickness, friction torque on the bearing surface and stiffness and damping coefficients of gas films are measured for a range of rotational speed from 10,000 rpm to 20,000 rpm under a constant stator mass and a fixed step height. The measured data are compared with the theoretical results and the gas film compressibility effects on the static and dynamic characteristics of the bearings are discussed. The experimental results agree well with the predicted results based on the compressible lubrication theory.     

机械密封浮动环处O形密封圈动态刚度和阻尼的测量

利用INSTRON高频疲劳试验机对O形辅助密封圈进行松弛试验,获得气体和水润滑2种状态下O形辅助密封圈载荷随时间的变化曲线,通过数据处理获得其轴向动态刚度和阻尼,根据经验公式进一步确定其角向刚度和阻尼。分析O形辅助密封圈在气体和水润滑下动态刚度和阻尼随着加载频率、位移、转速的变化规律。结果表明:在气体和水润滑下,在一定范围内辅助密封圈的动态刚度和阻尼值随加载频率的升高而增大;在水润滑状态下,随着加载位移量的增大,辅助密封圈的动态刚度和阻尼值逐渐变小;在气体和水润滑下,都存在一转速临界值,在临界值之前,随转速的增加,轴向动态刚度增大,轴向动态阻尼减小;在临界值之后,轴向动态刚度和阻尼值不再变化,稳定在某一值。     

Influence of load and lubricants on EHD film thickness and rolling-contact fatigue lives of AISI 52100 steel balls

This work has evaluated the influence of load and type of lubricant on the thickness of the elastohydrodynamic (EHD) film and the rolling-contact fatigue lives of AISI 52100 steel balls. The lubricants studied have various viscosities and included two mineral oils and five synthetic oils from three families. Firstly, the central film thickness was determined in order to predict the lubrication regime. The stress—number of cycles fatigue curves were then calculated by means of Weibull plots, and the fatigue mechanism was evaluated. The test machine used for the analysis was a Seta-Shell 1980 four-ball EP lubricant tester. The 12.7 mm diameter test balls were made from a single batch of carbon-vacuum-deoxidised AISI 52100 steel with hardness RC65. Elastohydrodynamic film thickness estimation was carried out using pressure—viscosity coefficients (a). In this study, to calculate (X), a new interferometric technique, ultrathin film interferometry, was employed to measure the film thickness. A practical method was developed for evaluating EHD, mixed film, and solid lubrication processes. Micrographic mapping and energy dispersive spectroscopy (EDS) were used to analyse the rolling track of the test balls.     

以制冷剂为工作介质的止推气体轴承静态特性分析*

针对离心式压缩机润滑问题,提出以R134a为润滑工质的动压气浮轴承,基于流体润滑的雷诺方程,从制冷剂与空气的流动对比出发,通过理论假设实现气体轴承的建模与分析,采用数值分析对气膜流场进行三维设计计算分析,得到动压止推轴承的气膜厚度分布、气膜压力分布、承载力、功率损耗等特性。结果表明:在相同的情况下以R134a为工质的气体轴承的承载力是空气的50%左右,两者的承载力都随着扇形瓦张角、转速的增大而增大,随倾斜面高度和节距比的增大而先增大后减小,随最小初始气膜厚度的增大而减小;在相同的情况下以R134a为工质的系统的功率损耗是空气的60%左右,两者系统的功率损耗受最小初始气膜厚度和速度的影响最大,转速越高、最小初始气膜厚度越小,两者的功率损耗越大。