超精密气体静压止推轴承自激失稳机理及抑制方法研究

Aerostatic bearing is an ideal motion unit that meets the requirements of high speed and high motion accuracy for ground simulation system for space environment, and large scale integrated circuit manufacturing and other equipments. However, due to the high compressibility of gas, aerostatic bearing is prone to self-excitation instability, and will lead to the imbalance among the capacity, stiffness and stability of the bearing, which become the main bottlenecks to restrict the application of aerostatic bearing. This project aims at the basic science problems of high-speed and ultra-stable aerostatic thrust bearing, namely the self-excitation instability theory and its suppression technology. Firstly, an universality nonlinear aerodynamic model is established to solve the basic theoretical problem of self-excited instability and the mechanism of boundary lag effect; Secondly, an accurate initial value optimization method is used to explore the high-precision and high-efficiency numerical analysis method, which solve the problem of vibration characteristic analysis with the efficiency and precision. Then the paper studies the instability suppression method of aerostatic thrust bearing based on array damping compensation, to balance the demand of capacity, stiffness, stability, which breaks through the key technologies such as high capacity, high stiffness and high stability in the limited bearing area; finally, setting up test device to verify the results. The research of this project provides the necessary theoretical and technical foundation for the research of high performance aerostatic bearing.

气体静压轴承是满足空间环境地面模拟系统、以及极大规模集成电路制造等装备中高运动速度和高运动精度需求的理想运动单元，但是由于气体的高度可压缩性，使得气体静压轴承易发生自激失稳，导致轴承的承载能力、刚度和稳定性难以兼顾，成为制约气体静压轴承应用的主要技术瓶颈。本项目针对高精超稳气体静压止推轴承技术中的共性基础科学问题，即自激失稳理论及其抑制关键技术，首先，建立具有“普适性”的非线性气动力学模型，重点解决轴承自激失稳及其边界滞后作用机理的基础理论问题；针对轴承振动特性分析的效率和精度难以兼顾问题，采用准确初值寻优技术研究高精高效数值分析方法；以承载、刚度和稳定性兼顾需求为目标，开展基于阵列阻尼补偿的气体静压止推轴承自激失稳抑制方法研究，突破有限承载面积上高承载、高刚度和高稳定性兼顾等关键技术；最后，搭建实验装置验证研究结果。通过本项目的研究为高性能气体静压轴承的研究提供必要的理论和技术基础。

气体静压轴承是满足空间环境地面模拟系统、以及极大规模集成电路制造等装备中高运动速度和高运动精度需求的理想运动单元，但是由于气体的高度可压缩性，使得气体静压轴承易发生自激失稳，导致轴承的承载能力、刚度和稳定性难以兼顾，成为制约气体静压轴承应用的主要技术瓶颈。本项目针对高精超稳气体静压止推轴承技术中的共性基础科学问题，即自激失稳理论及其抑制关键技术，首先，建立具有“普适性”的非线性气动力学模型，重点解决轴承自激失稳及其边界滞后作用机理的基础理论问题；针对轴承振动特性分析的效率和精度难以兼顾问题，采用准确初值寻优技术研究高精高效数值分析方法；以承载、刚度和稳定性兼顾需求为目标，开展基于阵列阻尼补偿的气体静压止推轴承自激失稳抑制方法研究，突破有限承载面积上高承载、高刚度和高稳定性兼顾等关键技术；最后，搭建实验装置验证研究结果。通过推导含容积效应和挤压效应的改进雷诺方程，并结合气体静压止推轴承动力方程，构建了含均压槽和阻尼孔的气体静压止推轴承的振动分析模型，同时利用最小二乘法和Runge-Kutta法对其进行了数值解算，获得了轴承在具体工作参数下的时域振动状态，实现了对气锤振动的特征辨识以及定量分析，并提出相应的抑制措施。结果表明，减小供气压力与均压槽容积，同时增加阻尼孔，从而可显著抑制轴承的气锤振动，并且在供气压力为0.4MPa，均压槽深度为0.08mm和8个阻尼孔条件下，设计的气体静压止推轴承可获得在整个承载面积上完全抑制气锤振动的特性。实验结果表明，轴承静态承载力的实验结果与理论分析结果差值小于6%，轴承气锤振动起点的实验结果与理论分析结果差值小于10%，并且引入环布分段均压槽和阵列阻尼孔后，在0.35MPa供气压力下，气体静压止推轴承的最高承载能力提高了44.1%，最大刚度提高了52.4%，不稳定范围减小了47%，实现了气体静压平面止推轴承中承载能力、刚度与稳定性的兼顾。通过本项目的研究为高性能气体静压轴承的研究提供必要的理论和技术基础。