基于非等温条件的空气静压轴承润滑问题研究

２００７年１月

第３２卷第ｌ期

润滑与密封

ＬＵＢＲＩＣＡ７ｎＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｊａｎ．２００７

Ｖ０１．３２Ｎｏ．１基于非等温条件的空气静压轴承润滑问题研究

付坤霞朱煜张鸣

（清华大学精密仪器与机械学系北京１０００８４）

臻摘要：改进了传统空气静压轴承的润滑模型，建立了考虑温度影响的空气静压轴承润滑模型，并给出一种该模型的謦器数值解算方法，即利用ＦＥＭＬＡＢ的多物理场功能，将气体的状态方程作为耦合的桥梁，求解参数形式的雷诺方程和能带譬量方程；将质量流量守恒条件作为判断收敛的条件，利用ＭＡＴＬＡＢ迭代，从而完成最终的求解计算。通过实验研究验￡互证了模型和解算方法的正确性，结果表明：气体通过节流孔后温度降低，在精密和超精密的应用场合将会引起结构非常五｜ｌ｝显著的变形；并且供气压力越大，和（或）节流孔的直径越大，温度降效应越明显。妊静关键词：空气静压轴承；压力分布；温度分布带中图分类号：ＴＨｌ３３．３文献标识码：Ａ文章编号：０２５４一０１５０（２００７）１一１１７—３

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＮｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ．ｂａｓｅｄＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅＥｘｔｅｒｎａｌｌｙＰｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄＧａｓＢｅａｒｉｎｇｓ

ＦｕＫｕｎｘｉａＺｈＵＹｕＺｈａｎｇＭｉｎｇ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｍｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｃｈａｎｏｌｏｇｙ，’ｒｓｉｎｇｈｕａｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇｌｏ００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｉｍｐｍＶｅｄ，ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｅｘｔｅｍａｌｌｙｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｇａｓｂｅａＩｉｎｇｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｄｅｒｓｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ａｋｉｎｄｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓ０１ｕｔｉｏｎｔｏｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｕｓｅｓｔｈｅｎｎｌｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓｆｈｎｃｔｉｏｎｏｆＦＥＭＬＡＢ，ｕｓｅｓｔｈｅｇａｓｓｔａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎａｓｔｈｅｂｒｉｄｇｅｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅＲｅｙｎｏｌｄｓｅｑｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｎｅｒｇｙｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｄｕｓｅｓｔｈｅｎｏｗｅｑｕａｔｉｏｎａｓｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｏｃｏｎＶｅ唱ｅｎｃｅｉｎｔｈｅＭＡＴＬ～Ｂｉｔｅｒａｔｉｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎ．‘ｒｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓＶａｌｉｄａｔｅｔｈｅｍｏｄｅｌａｎｄｉｔｓｓｏｌｕ－ｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｉｎｄｅｅｄｌｏｗｅｒｅｄｔｈｍｕｇｈｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ，ａｎｄｉｎｕｌｔｍ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｐｐｌｉｃａ上ｉｏｎｓｔｈｅｃｏｏｌ－ｉｎｇ

ｅｆｋｃｔｃａｎａｎｄｄｏｅｓｃａｕｓｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｈａｎｇｅｓ；ａｎｄｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｅｆｋｃｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓｕｐｐｌｙｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄ／ｏｒｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ．

Ｋ舒ｗｏｒｄｓ：ｅｘｔｅｍａｌｌｙｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｇａｓｂｅａＩｉｎｇ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

空气静压轴承（ＥｘｔｅｍａｌｌｙＰｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄＧ鹅Ｂｅ小ｉｎｇ，简称ＥＰＧ－Ｂｅａｒｉｎｇ），由于其突出的优点，目前已被广泛应用于精密机械、电子、仪器仪表、航空航天、医疗器械、纺织机械、各种测试设备、半导体设备等工业领域中。目前大多数空气静压轴承润滑问题的研究，是基于等温假设的。在一般工程的近似计算中，因精度要求不是很高，忽略温度变化的影响完全可以满足要求。但是在精度要求高的应用场合，就不能完全忽略温度的影响了川。

近些年，空气静压轴承已被越来越广泛地应用于精密和超精密场合中，在这些领域精度要求不断提高，这对空气静压轴承的性能提出了越来越高的要求。因此在研究空气静压轴承的润滑问题时，温度的影响已不能够被忽略。许多学者考虑温度的影响，对

收稿日期：２００６—０４—２４

作者简介：付坤霞，女，硕士研究生，主要从事超精密工作台结构设计和动力学仿真分析研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｋⅫ０３＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｒｌｇｌｌｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ．空气静压轴承进行了理论和应用研究。ＪｕｎｍｉｎｇＷａｎｇ旧１研究表明：通过节流孔后，气体的温度降低，并且气膜充当了吸热源的作用，在精密和超精密的应用场合，这将会引起结构非常显著的变形。对于这一问题，英国的ＫＪｓｈｏｕｔ等ｐ１也提出：当空气从轴承气隙向周围环境压力出口流动时，由于空气的膨胀，其温度就会降低，这样就会导致轴承气隙内局部的冷却（称为冷却效应），在精密和超精密应用场合中的空气静压轴承，必须减小这一问题的影响。

虽然目前在精密和超精密的应用中，温度对空气静压轴承润滑问题的影响研究已经有了很大的进展，但还需要从理论上深入研究这一问题。本文作者改进了传统空气静压轴承的润滑模型，建立了考虑温度影响的润滑模型，给出了该模型的一种数值解算方法，并通过实验验证了该模型和解算方法的正确性。

１控制方程（Ｇ０ｖｅｍｉｎｇＥｑｕａｔｉｏｎｓ）

在下面的分析中，是基于稳定下的情况，因此，可以将相关方程中与时间相关的项去除掉。

万方数据