真空环境下小孔节流式静压气体轴承流场特性与轴承性能分析

李运堂 王 军 万 欣 吴进田 李孝禄

中国计量大学机电工程学院，杭州，310018

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气体轴承是未来微电子制造及其测量装备最主要的运动支撑元件。真空下气体轴承出口附近气体稀薄，轴承内黏性流、过渡流、分子流共存。由于Navier-Stokes方程仅适用于黏性流，不能分析更为复杂的过渡流和分子流，因此，一些学者在Navier-Stokes方程基础上利用滑移模型修正润滑方程，用于分析真空下静压气体轴承的性能。BURGDORFER[1]利用一阶速度滑移边界分析气体稀薄效应对气体润滑的影响。张海军等[2]认为随着气体稀薄程度增大，轴承承载能力下降，稀薄效应随轴承数减小而降低。陈东菊等[3]研究了稀薄效应下流量因子对气体轴承性能的影响。傅仙罗[4]指出真空下静压气体轴承更易发生自激振动。针对过渡流和分子流的分析计算，FRUKUI等[5-6]研究了表面节流气体轴承在10-3Pa环境下的气压分布，基于Boltzmann方程提出适用于过渡流和分子流的广义润滑方程，根据黏性流所占比例，提出可缩短计算时间的迭代方法，并用实验验证了润滑方程的有效性。TROST[7]以单回流槽静压气体轴承为对象，假设流动状态由黏性流直接转变为分子流，推导出流动状态转变位置和转变压力。SCHENK等[8]以圆盘形小孔节流气体轴承为研究对象，提出任意供气压力下气体轴承性能计算解析模型，其仿真计算和实验结果表明，真空下轴承承载能力增大、刚度减小，最佳气膜厚度增大。在润滑气体回收和轴承密封方面，KHIM等[9]认为轴承运动、加/减速时轴承倾斜、导轨表面对气体分子吸附作用等因素引起润滑气体泄漏，导致真空室压力升高。……