微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的研究.pdf

1、1987年,首臺靜電微電機(jī)由加州大學(xué)伯克利分校研制成功,從而標(biāo)志著MEMS時(shí)代的到來,MEMS技術(shù)的巨大成功在旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域引發(fā)了一場微小型化革命,以加工微/納米旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)為目的的技術(shù)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生,促進(jìn)了微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的長足發(fā)展,一直成為MEMS研究中的熱點(diǎn). 目前,微旋轉(zhuǎn)機(jī)械的研究主要集中在微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的加工工藝與制造、靜態(tài)特性分析和測量方法等方面,而在微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性,尤其是在振動特性、摩擦磨損特性、動力潤滑

2、特性、動態(tài)測試和控制技術(shù)及可靠性等方面的研究還很少或尚未涉及.MEMS的問世和發(fā)展對轉(zhuǎn)子動力學(xué)提出了新的挑戰(zhàn),加強(qiáng)對微轉(zhuǎn)子動力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究是一個(gè)迫切的課題.因此本課題的研究對促進(jìn)微轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展,加快微旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的步伐,提高使用的工作效率和可靠性具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值. 論文的研究內(nèi)容涉及到微型旋轉(zhuǎn)機(jī)械動力驅(qū)動及微尺度效應(yīng)分析、不同類型微轉(zhuǎn)子樞軸的摩擦磨損特性分析、典型靜電微電機(jī)的微轉(zhuǎn)子接觸問題分析、微轉(zhuǎn)子系

3、統(tǒng)局部碰摩的非線性動力特性分析和微型徑向氣體軸承的動力特性分析.此外,對微尺度下的壓膜阻尼特性、機(jī)電耦合作用和滑移機(jī)制等進(jìn)行了相關(guān)的理論探討和數(shù)值仿真,并對電磁型薄膜微電機(jī)的振動特性進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究. 論文首先概述了微旋轉(zhuǎn)機(jī)械的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,分析了各種不同動力驅(qū)動方式的特點(diǎn),探討了微尺度效應(yīng)對各種動力驅(qū)動特性的影響,介紹了微旋轉(zhuǎn)機(jī)械中可能出現(xiàn)的摩擦磨損問題及相關(guān)的解決方法,總結(jié)了微旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承動力潤滑問題,分別分析了微型

4、干摩擦軸承、電磁軸承和氣體軸承的性能特性,并簡述了微旋轉(zhuǎn)機(jī)械的可靠性分析方法. 在微尺度下,靜電、電磁、壓電和熱力驅(qū)動的動力驅(qū)動機(jī)理與傳統(tǒng)的動力驅(qū)動相比具有較大的差異性.靜電力具有較強(qiáng)的非線性特性,具體表現(xiàn)在其有吸合(Pull.in)效應(yīng)、固有非線性特性、剛度軟化特性和耦合非線性效應(yīng).以靜電驅(qū)動為研究對象,建立了靜電耦合驅(qū)動系統(tǒng)的動力學(xué)模型,分別以加載電壓、頻率比、壓膜阻尼比等系統(tǒng)參數(shù)為控制參數(shù),詳細(xì)分析了系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性

5、,結(jié)果表明,在參數(shù)激勵和外激勵耦合作用下,靜電耦合非線性系統(tǒng)的響應(yīng)呈現(xiàn)出較為豐富的非線性動力特性,隨著激勵電壓加載大小與方式的不同,系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)出周期運(yùn)動、擬周期運(yùn)動和混沌運(yùn)動交替演變的過程.隨著工作頻率的增大,氣膜阻尼系數(shù)逐漸減小,氣膜剛度系數(shù)逐漸增大,滑流效應(yīng)也會使氣膜阻尼與剛度系數(shù)變小;另外,增大穿孔孔徑可以減小氣膜壓力,氣膜阻尼和剛度系數(shù)也相應(yīng)減小,且壓膜阻尼特性對耦合系統(tǒng)動力特性有著較大的影響.建立了壓電驅(qū)動微型懸臂梁系統(tǒng)的動

6、力學(xué)模型,采用Rayleigh-Ritz法對系統(tǒng)動力學(xué)方程進(jìn)行降階,對系統(tǒng)的前10階模態(tài)頻率和振型進(jìn)行了有限元分析,分析結(jié)果表明:在微尺度下,MEMS懸臂梁具有高固有頻率和質(zhì)量因子的特性,在有無PZT作用時(shí)系統(tǒng)的前10階模態(tài)頻率和振型基本相似.此外,針對懸臂梁這一分布參數(shù)控制系統(tǒng),進(jìn)一步提出一種具有高增益觀測器的反饋控制器,并通過數(shù)值仿真分析了在不同載荷電壓、反饋增益及PZT位置等情況下的梁振動主動控制系統(tǒng)的頻響特性,結(jié)果表明振動控制有

7、較好的效果,驗(yàn)證了理論研究和控制器設(shè)計(jì)的合理性和有效性. 微尺度效應(yīng)對摩擦與磨損特性都有一定的影響,隨著尺度變小,彈性接觸時(shí)的摩擦系數(shù)呈近似指數(shù)增大,塑性接觸時(shí)的摩擦系數(shù)呈近似指數(shù)增大或減小:磨損系數(shù)隨著尺度減小而減小,同一尺度時(shí),隨著分形維數(shù)D的增大,磨損系數(shù)也相應(yīng)增大;當(dāng)分形維數(shù)D逐漸趨于2時(shí),隨著尺度的增大,磨損系數(shù)近似于同一數(shù)值.為了研究微樞軸的動力特性,建立了微轉(zhuǎn)子平端樞軸模型、錐形樞軸模型和球形樞軸模型等三種磨損模型

8、,根據(jù)Archard定律,分析不同模型下的摩擦磨損特性,研究了不同工況下磨損率和摩擦力矩對微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響,結(jié)果表明:平端樞軸模型所得線磨損率h/R和體積磨損率v/R<,3>.都和操作變量成線性關(guān)系,比例因子分別為π和π<'2>;錐形樞軸模型所得線磨損率h/R著錐度θ的增大而增加,體積磨損率v/R<'3>隨著錐度θ的增大而減小,且當(dāng)β<,0>變?yōu)?0°時(shí),線磨損率和體積磨損率與操作變量KPN成線性關(guān)系,系統(tǒng)等同于平端樞軸模型,變成線性的

9、傾斜度;球形樞軸模型所得線磨損率h/R隨著b的增大而增大,體積磨損率v/R<'3>隨著b的增大而減小.針對微電機(jī)中典型的轉(zhuǎn)子軸襯摩擦磨損問題,以半球形軸襯為研究對象,建立了滑動磨損模型和接觸有限元模型(FEM),分析了微轉(zhuǎn)子軸襯的摩擦磨損特性和軸襯.極板接觸副的接觸動力學(xué)特性,研究了接觸副幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參量對微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損特性的影響,研究結(jié)果表明:微轉(zhuǎn)子軸襯偏離轉(zhuǎn)子中心的距離和轉(zhuǎn)子軸襯的半徑對線磨損率和體積磨損率的變化都有一定的

10、影響,改變微轉(zhuǎn)子軸襯的幾何結(jié)構(gòu)可用于改變系統(tǒng)的摩擦磨損行為,減小軸襯半徑或增大軸襯偏離轉(zhuǎn)子中心的距離可以減少摩擦磨損,但同時(shí)也會引起線磨損率和體積磨損率增大.基于M-B、分形磨損模型,建立了MEMS表面磨損率與分形維數(shù)之間的關(guān)系,對MEMS表面的磨損規(guī)律與表面特性進(jìn)行相關(guān)研究,并就微轉(zhuǎn)子的性能指標(biāo)和材料選用進(jìn)行了分析與討論. 針對微轉(zhuǎn)子-軸承接觸問題,建立了微轉(zhuǎn)子-軸承接觸的數(shù)學(xué)模型和有限元分析模型,討論了不同工況及摩擦狀態(tài)下的

11、接觸應(yīng)力、應(yīng)變和接觸壓力分布,數(shù)值計(jì)算和有限元分析結(jié)果表明:靜電微電機(jī)中靜電力與接觸寬度、幾何參數(shù)和接觸結(jié)構(gòu)材料特性之間的關(guān)系較為密切,接觸區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變呈近似半橢圓形分布,微尺度下接觸區(qū)接觸應(yīng)力與應(yīng)變的尺度效應(yīng)均與尺度因子K無關(guān),摩擦力是導(dǎo)致接觸變形的一個(gè)重要因素,隨著摩擦系數(shù)的增大,接觸區(qū)von Mises應(yīng)力、應(yīng)變和接觸壓力也相應(yīng)地增大,且都發(fā)生在接觸區(qū)的邊緣. 以Joffcott微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象,建立了局部碰摩微轉(zhuǎn)子

12、系統(tǒng)的力學(xué)模型、微尺度分形摩擦模型和系統(tǒng)運(yùn)動微分方程,應(yīng)用微分方程穩(wěn)定性與分岔理論,分析了Jeffcott微轉(zhuǎn)子碰摩的穩(wěn)定性和和分岔特性及系統(tǒng)參數(shù)對穩(wěn)定域的影響,分別以微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、偏心量、阻尼比、分形維數(shù)和尺度長度等系統(tǒng)參數(shù)為分岔參數(shù)及非線性碰摩力對微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩過程中的混沌和分岔運(yùn)動進(jìn)行研究,仿真分析及結(jié)果表明:當(dāng)微轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩時(shí),微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速、偏心量、阻尼比、分形維數(shù)和尺度長度及非線性碰摩力的變化,系統(tǒng)響應(yīng)是周期運(yùn)動、擬周

13、期運(yùn)動和混沌運(yùn)動交替變化的過程;隨著轉(zhuǎn)速的變化,系統(tǒng)在低速區(qū)和超高速區(qū)碰撞運(yùn)動相對平穩(wěn),在中高速區(qū)碰摩運(yùn)動較為劇烈;隨著偏心量的增大,系統(tǒng)響應(yīng)以擬周期運(yùn)動和混沌運(yùn)動為主要運(yùn)動形式,系統(tǒng)響應(yīng)由周期1運(yùn)動進(jìn)入擬周期運(yùn)動,再又從擬周期運(yùn)動進(jìn)入混沌運(yùn)動,最后又進(jìn)入擬周期運(yùn)動的交替過程:微轉(zhuǎn)子響應(yīng)隨著阻尼的變化,經(jīng)歷了交替由擬周期運(yùn)動和混沌運(yùn)動進(jìn)入周期運(yùn)動的過程,阻尼較小時(shí),微轉(zhuǎn)子響應(yīng)以擬周期和混沌運(yùn)動為.主,隨著阻尼的增大,系統(tǒng)響應(yīng)從擬周期和混

14、沌演變?yōu)橹芷?運(yùn)動,阻尼的增大可以加強(qiáng)微轉(zhuǎn)子周期運(yùn)動的穩(wěn)定性;分形維數(shù)說明了微尺度下粗糙表面對碰摩微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)響應(yīng)的影響,系統(tǒng)響應(yīng)經(jīng)歷了由擬周期運(yùn)動演變?yōu)橹芷?運(yùn)動的過程,且過程中還伴隨著倍周期運(yùn)動;尺度長度的變化對摩擦系數(shù)具有一定的影響,其結(jié)果直接影響碰摩擦微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng),在低尺度長度范圍內(nèi),隨著摩擦系數(shù)的增大,碰摩現(xiàn)象將會變得越來越明顯.因此,隨著摩擦系數(shù)的增大,微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生碰摩的可能性越來越大;增大阻尼可以抑制微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生碰摩

15、的可能性,減小偏心量、摩擦系數(shù)或靜子徑向剛度也可以減少微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩的發(fā)生. 充分考慮微尺度下的滑移邊界條件,利用數(shù)值計(jì)算方法對徑向氣體軸承的雷諾方程進(jìn)行修正求解,得到了軸承內(nèi)部真實(shí)的氣壓分布,進(jìn)而得到微型氣體軸承的承載能力和偏位角.通過與宏觀無限短軸承模型的結(jié)果進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)滑移效應(yīng)對軸承動力特性的影響較大.宏觀無限短軸承模型和無滑移邊界模型均會高估氣體軸承的承載能力,特別是偏心率較高時(shí)(ε>0.6),產(chǎn)生的偏差更大;微轉(zhuǎn)

16、子系統(tǒng)在高速或超高速工況下運(yùn)轉(zhuǎn),可提高氣體軸承的氣壓和承載能力. 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明:不論是2mm還是6mm的電磁型薄膜微電機(jī),在較長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的摩擦,產(chǎn)生發(fā)熱問題,使得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不能過長;隨著微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高,摩擦力增大,定轉(zhuǎn)子間發(fā)生碰撞作用,未發(fā)生碰摩的時(shí)間和發(fā)生碰摩時(shí)的接觸時(shí)間越來越短,碰摩越來越頻繁,隨著碰摩的不斷加重,系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速很難提高. 本文的研究方法和結(jié)論對認(rèn)識并發(fā)展