真空環(huán)境下靜壓氣體軸承內(nèi)流場分析.pdf

1、因具有摩擦小、精度高、無污染、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，氣體軸承被廣泛應(yīng)用于微電子制造和超精密定位設(shè)備中，而隨著下一代光刻曝光、激光干涉測量和半導(dǎo)體檢測技術(shù)的發(fā)展，超精密運(yùn)動定位不僅要求定位精度更高，還要求必須在真空或超潔凈環(huán)境中進(jìn)行，但真空環(huán)境下靜壓氣體軸承性能與大氣環(huán)境下相比較變化顯著。目前對于真空條件下靜壓氣體軸承潤滑理論的研究比較少，而且多以單一的連續(xù)流為基礎(chǔ)，未考慮過渡流和分子流對軸承內(nèi)部流場的影響。針對此問題，本文以單供氣孔應(yīng)用于真空環(huán)

2、境的盤型靜壓止推軸承作為研究對象，對真空環(huán)境下軸承的氣體內(nèi)流場進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，主要完成了以下幾方面的工作：
　　(1)將真空環(huán)境氣體軸承內(nèi)流場分為入口區(qū)域、承載區(qū)域和密封區(qū)域三個(gè)部分分別進(jìn)行分析，其中，根據(jù)氣體薄膜的潤滑原理，采用D-T模型和一階滑移模型對真空環(huán)境下氣體軸承承載區(qū)的潤滑問題進(jìn)行了重點(diǎn)研究。將軸承的參數(shù)無量綱化后，通過D-T模型分析得到，增大承載區(qū)無量綱入口壓力、無量綱入口區(qū)域半徑，減小軸承外徑和氣膜厚度的

3、比值，可以使連續(xù)流到分子流轉(zhuǎn)變位置外移，提高了氣體軸承的相對承載能力，通過一階滑移模型分析認(rèn)為，在其他條件不變的情況下，增大邊界克努森數(shù)會使軸承的承載能力下降；
　　(2)建立了以真空環(huán)境為邊界條件的仿真模型，采用COMSOL軟件模擬了入口區(qū)域、承載區(qū)域和密封區(qū)域的壓力場分布，分析認(rèn)為，入口區(qū)域的流動復(fù)雜，但由于所占比重比較小，為軸承提供的承載力有限，而承載區(qū)域是軸承承載力的主要來源，與大氣環(huán)境下相比，真空環(huán)境下氣體軸承的承載能力

4、有所提高，由于氣體稀薄效應(yīng)，提高量少于大氣環(huán)境時(shí)軸承上表面所受的大氣壓力，密封區(qū)域的氣體壓力由于抽氣系統(tǒng)的作用變得很稀薄，需要用分子流模塊來模擬，模擬得到了不同排氣槽尺寸和氣膜厚度是的壓力分布，結(jié)果顯示氣膜厚度增大，排氣槽處的壓力降低，減小排氣槽深度有利于提高軸承的密封性能，減小排氣槽寬度，排氣槽處的壓力會增加，對軸承的密封性能的影響需綜合考慮密封寬度的增加產(chǎn)生的結(jié)果；
　　(3)對加工的實(shí)驗(yàn)真空環(huán)境氣體軸承進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并通過

5、搭建的真空環(huán)境下靜壓氣體軸承的性能實(shí)驗(yàn)裝置，加載不同負(fù)載時(shí)，測量了氣膜厚度、承載區(qū)入口壓力、一級排氣槽軸承和兩級排氣槽軸承排氣槽處壓力相應(yīng)情況下真空室的壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同負(fù)載下，真空環(huán)境時(shí)的氣膜厚度比大氣環(huán)境下有了很大增加，氣膜厚度增加時(shí)，氣體軸承的泄漏量先增大后減??；
　　(4)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合來分析，總結(jié)了理論方法和數(shù)值仿真方法，對比結(jié)果表明一階滑移模型和COMSOL仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得比較好，另外還

6、對真空氣體軸承的設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化的方法，結(jié)果認(rèn)為增大排氣系統(tǒng)泵的抽速有利于降低排氣槽出的壓力，提高軸承的密封性，但要兼顧實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)成本來選取，對于兩級排氣槽軸承，還需合理地分配第一級和第二級密封寬度。
　　通過本課題的研究，期望利用對真空環(huán)境氣體軸承的內(nèi)部流場的理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)研究，獲得性能計(jì)算方法和減少氣體泄漏提高軸承密封性能的方法，其中主要考慮了氣體稀薄效應(yīng)的影響，為氣體軸承在真空環(huán)境下的應(yīng)用提供一定的理論支撐，為氣體軸