超精密工作台中气浮轴承的跨流区润滑研究

气浮轴承由于其无接触、近零摩擦的特性成为超精密工作台中的重要支承方式。随着真空预紧方式的应用和真空工作环境要求的出现，真空腔中及真空排气道附近的非连续介质流动对气浮轴承工作性能的影响越来越不能被忽略，而传统理论与方法已经不能准确预测这种特殊影响规律。本项目针对超精密工作台中气浮轴承内的连续介质流和高Knudsen数流动，开展气浮轴承跨流区润滑行为研究。具体研究内容包括：建立气浮轴承跨流区润滑理论模型，提出相应数值计算方法；提出一种新的气浮轴承节流孔流量系数实验测量和计算方法；提出一种基于光弹性材料的无干扰式气膜压强连续分布测量方法；采用理论结合实验的方式深入研究非连续介质流动对气浮轴承性能的影响规律。本项目将为超精密工作台中的气浮轴承研究，尤其是存在跨流区流动的气浮轴承研究，提供重要理论基础和实验研究手段，对超精密制造装备和精密测量仪器产业的发展具有重要意义。

随着超精密工作台中气浮轴承定位精度要求的不断提升及其应用领域的不断扩展，基于雷诺方程的传统方法已不足以描述气浮轴承内可能存在的高Kn数流、旋涡流、非稳态湍流等复杂流动现象。针对超精密气浮轴承内的跨流区气体润滑问题，基于气体动力学理论，推导了适用于各种Kn数的广义质量流量-压强梯度关系式。在此基础上提出并实现了求解超精密气浮轴承内跨流区流动的新型混合算法。从而建立了气浮轴承内跨流区气体润滑理论体系，为超精密工作台中气浮轴承的设计和分析提供了理论依据和有效手段。针对气浮轴承气膜间隙内压强分布的实验测量，尝试了三种不同的新方法：利用光弹性材料的气膜压强分布测量、利用压敏分子膜的气膜压强分布测量、利用Fuji压敏胶片的气膜压强分布测量。最终确定利用Fuji压敏胶片，采用气浮轴承气膜加载的标定新方法，结合数字图像处理技术，实现了对气浮轴承气膜压强分布的高分辨率、高精度、低成本、无干扰式测量，克服了传统的气膜内压强测量方法逐点式、对流场有干扰、精度低等缺点。这一气膜压强分布测量新方法，将成为气体轴承润滑问题实验研究的重要工具。采用正交实验方法，研究了真空预紧的气浮轴承润滑特性；采用多元回归分析方法，实现了对轴承刚度的准确预测。针对超精密气浮轴承实验研究中发现的轴承微振动现象，首次采用非稳定态大涡模拟的数值方法，捕捉到了节流孔出口处拟周期性涡脱落及压强时空脉动的现象，揭示了轴承微振动的产生机理，并得到了实验结果的验证；在此基础上提出了多孔阵列式节流器的结构设计新方法，在维持轴承承载力和刚度等特性的同时，实现了对轴承有害微振动的有效抑制。