超精密气体静压节流器及气膜微流场关键技术

The complex flow regime of the gas hydrostatic system at the inlet of the gas film leads to the contradiction between the bearing capacity and the motion precision and the micro-vibration at the nanometer scale, which is an important factor to restrict the precision of the ultra precision shaft or guide rail in China. The main components of the gas hydrostatic system - the throttle is the research object. It focuses on several bottlenecks that limit its generalization: including promoting the concept of air resistance, gas inductance and gas capacity and the establishment of typical throttle Gas about above model, which provide a new theoretical basis for the standardization design. The Joule-Thomson effect theory is used to establish the thermodynamic model in the vicinity of the film inlet, and used to solve the heat transfer coefficient of the throttling process. In order to verify the correctness of the theoretical analysis results, this paper proposes a method to test the thermal parameters of the microfluidic field in the plane or surface continuous scanning mode, fill the blanks of such parameters, and obtain the parameters such as velocity and Mach number, and the effect of correction on the previous theoretical calculation and simulation results can be achieved. The stochastic vibration theory is used to study the micro-vibration phenomena of gas film fluid-solid coupling to identify the vibration source in order to reduce the influence of the error. On this basis, the proposed throttle standardized design concept, to provide technical support for the promotion of engineering.

气体静压系统在气膜入口处的复杂流态导致承载力与运动精度之间的矛盾以及纳米尺度的微振动，成为制约我国超精密轴系或导轨精度提高的重要因素。本项目拟以气体静压系统的主要元件——节流器为研究对象，重点研究几个限制其通用化的瓶颈问题，包括：提出气阻、气容、气感概念，建立典型节流器的气阻、气容、气感模型，为节流器的性能评价提供一种更简化的方法，为标准化设计提供新理论依据；应用焦耳-汤姆逊效应理论建立气膜入口附近区域的热力学模型，并用于求解节流过程的传热系数。为验证理论分析结果的正确性，提出构建平面或曲面连续扫描方式的气膜微流场热工参数测试装置，填补此类参数不可测的空白，同步获得流速和马赫数、温度、压力等参数的动态值，还可达到对以往理论计算及仿真结果进行修正的效果；应用随机振动理论研究气膜流固耦合微振动现象，以期达到减弱该项误差影响的目的。在此基础上，提出节流器标准化设计理念，为工程化推广提供技术支撑。

针对气体静压系统在气膜入口处的复杂流态导致承载力与运动精度之间的矛盾以及纳米尺度的微振动问题，开展了多视角的理论分析和实验测试，为实现节流器在超精密工程中的通用化推广提供一定的理论和技术基础。.（1）开展了气阻、气容、气感等效电学参数的理论分析和实验测试研究。以圆形截面管道的气体流动特性为基础定义了气阻、气容、气感，设计了毛细圆管气体参数测量装置并进行了实验研究，为节流器性能的评价提供了新方法。仿真建立了小孔节流器的串并联等效电路模型，分析了气阻、气容和气感的变化特性并建立了与承载力之间的关系，为复杂结构节流器分析提供了新的方法和途径。 .（2）研究了润滑气膜流场参数分布特性。基于焦耳-汤姆逊效应研究建立了适用于带有均压槽的小孔节流器的润滑气膜微流场参数分布的理论模型，研究了节流孔出口处温度、压力值以及润滑气膜流场温度、压力分布的规律特性，并利用自行设计的气膜流场参数测量装置开展了典型节流器的验证实验，为平面、曲面节流器的流场参数分析和自动化测量提供了理论指导和技术手段。.（3）进行了平面节流器法向流固耦合振动机理研究。提出了基于冲击射流及流固耦合的微振动机理并进行了验证，通过数值计算和仿真分析获得了单孔节流器法向微振动特性。搭建了纳米级振动测量实验装置，验证了三款典型节流器法向微振动特性及规律，尤其发现了皮米级固定频率振动点，为微小振动的识别及减小提供了理论依据。.（4）开展了节流器的能效评估与测量方法研究。基于超精密气体静压系统的组成，提出了节流器的能效评价方法，定义了能效参数并建立了理论能效模型，设计了实验装置并获得了典型节流器的能效特性规律，为节流器的优化及标准化设计提供了新的思路。.（5）提出了涡轮增压式的主动型气体静压节流原理。初步理论分析表明，该节流方式可大幅度提高现有节流器的承载能力，为部分替代滚动轴承功能提供新的途径，具有广泛的应用前景。拟继续申请基础研究课题，开展相关理论和实验研究。