多微通道式气体静压节流器流场参数测试技术的研究

多微通道式气体静压节流器流场参数测试技术的研究 硕 士 学 位 论 文 MASTER DISSERTATION 多微通道 式气体 静压节 流器 流场参 数测试 技术的研 究 Testing Technology of theMulti-microchannel Aerostatic Restrictor Flow Parameters 作 者 张玉冰 导 师 徐鸿,郭天太 学 科 精密仪器及机械 中国计量学院 二?一三年一月 Testing Technology of theMulti-microchannel Aerostatic Restrictor Flow Parameters By Yubing Zhang A Dissertation Submitted toChina Jiliang University In partial fulfillment of the requirementFor the degree ofMaster of Engineering China Jiliang University January , 2013独创性声明 本人声明所 呈交的学 位论文是 本人在导 师指导下 进行的 研究工作 和取得的 研究成果,除 了文中特 别加以标 注和致谢 之处外, 论文中不 包含其他 人已经发 中国计量学院 或其他教育机构的 表或撰写过的研究成果 ,也不包含为 获得 学位或证书而 使用过的 材料。与 我一同工 作的同志 对本研究 所做的任 何贡献均 已在论文中作了明确的 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 并表示了谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作 者完全了 解 中 国计量学院 有关保留 、使用学 位论文的 规定。特授权 中 国计量学院 可以将学位论文 的全部或 部分 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 编 入有关数 据库进行检索 ,并采用 影印、缩 印或扫描 等复制手 段保存、 汇编以供 查阅和借 阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论 文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日中图分类号 TH133.35 学校代码 10356 UDC621 密级 公开 硕 士 学 位 论 文 MASTER DISSERTATION 多微通道 式气体 静压节 流器 流场参 数测试 技术的研 究 Testing Technology of theMulti-microchannel Aerostatic Restrictor Flow Parameters张玉冰 导 师 徐鸿 李东升作 者 申请学位 工 学硕士 培 养单位 中国 计量学 院学科专业 精密 仪器及 机械研 究方向 精密 测量技 术 二?一三年一月 致 谢 在这短暂而 又充实的 两年半时 间里,研 究生的生 活使我 迅速地成 长,收获 了人生中最最 宝贵的一 段时光。 在这段时 光里,是 你们,给 了我成长 的力量和 足以肩负未来的肩膀。 首先,感谢 我的导师 李东升教 授,您即 是恩师又 如父亲 般的谆谆 教诲和无 私关怀,不但 让我学会 了如何学 习,更学 会了如何 生活和做 人。您教 会了如何 面对科研和生 活中的难 题,更教 会了我该 如何面对 未来也许 残酷的社 会,真心 地感谢您,在人生的道路中,您永远是我最尊敬的导师! 在论文研究 和撰写过 程中,得 到了李敏 、李加福 、程阳 、陈伟、 孙杰、郑 志月等同学的 热情帮助 ,特别是 李敏和李 加福同学 ,我论文 当中的每 一笔每一 划都有你们的 添砖加瓦 ,那些并 肩作战的 白天和夜 晚,将是 我研究生 生涯中最 难忘的回忆,在此真诚地感谢你们,祝你们前程似锦步步高升! 再者, 感谢友情, 感谢命运让我们相聚在这里。 感谢 10 级研究生, 感谢 1009, 感谢 205+203, 感谢俄罗斯淘宝小分队。 感谢我的室友蓝卉, 六年多的时间里我 们并肩相伴, 你一直包 容我帮助 着我,每 一个低落 和开心的 时刻很高 兴跟你一 起分享;感谢我亲爱的敏仔,希望我们能继续在吃货的道路上并肩前行。 最后,感谢我的父母。感谢你们一直以来对我的培养、支持、尊重和理解, 感谢你们一路 护送我到 今天,你 们的白发 见证了我 的成长, 我会努力 用自己的 成绩还你们一份欣慰。 本文得到国家自然科学基金“ 多微通道层流式气体静压节流机理的研究” (项 目编号:51075378)的资助,在此表示感谢。 张玉冰 2013 年 1 月 多 微通道 式气体 静压节 流器流 场参 数测试 技术的 研究 摘要:多微通 道式气体 静压节流 器是一种 大载荷高 刚度的止 推式气体 静压节流 器。为探索气 微流场内 部热工参 数的分布 情况,为 节流器的 参数改进 及优化提 供理论基础, 本文研制 了一台应 用于多微 通道式气 体静压节 流器的气 膜流场参 数测量装置, 并对气膜 流场内部 的参数分 布情况进 行了仿真 和实验。 主要研究 工作如下: (一)研制 了一台微 流场热工 参数测试 实验装置 ,该装 置可实现 对气膜内 部的温度、压 力情况的 扫描式连 续测量, 主要应用 于多微通 道式气体 静压节流 器,同时也适 用于市场 上的其他 止推型节 流器。另 外,设计 了相应的 信号调理 转换电路,编写了专用的测量软件,使得测量数据可储存,图像实时可视化。 (二)对不 同气膜厚 度和不同 供气压力 下的气膜 内部压 力和温度 场分布情 况进行了 Fluent 仿真。仿真结果表明,节流器气膜内压力分布由中间向四 周呈 放射式逐渐减 小。节流 器工作面 上温度呈 对称分布 ,中心区 域温度较 高,边缘 温度较低,供气压力和气膜厚度的增大都会导致温度大幅下降。 (三)在不 同的供气 压力和不 同气膜厚 度下下, 对气膜 流场内部 压力分布 温度分布和气 源 温度进 行了测量 实验。实 验表明, 气膜内的 压力由中 心孔至楔 形槽尾端逐渐 降低,并 且会随供 气压力的 增大而增 大,特定 区域随气 膜厚度的 增加而逐渐减 小,与仿 真趋势相 符合。气 膜内的温 度呈现由 中心孔向 边缘处逐 渐下降趋势, 随着供气 压力增加 和气膜厚 度的增加 ,整体温 度逐渐下 降。气源 温度也随供气压力和气膜厚度的增加而增加。 本文的研究 可以为多 微通道式 气体静压 节流器压 力阻抗 模型的建 立和节流 过程中热效应的研究提供一定的理论支持 ;并对节流过程中产生的焦 耳- 汤姆逊 效应进行了实验验证。 关键词:气体静压节流器;流场参数测试;压力分布测试;温度分布测试 分类号:中图分类号 TH133.35;UDC621 ITesting Technology of the Multi-microchannel Aerostatic Restrictor Flow Parameters Abstract: To explore the parameters distribution in the multi-microchannel aerostatic restrictor flow field and provide a theoretical basis for the parameter optimization of the restrictor. A gas film flow parameter measuring equipment was designed mainly for the multi-microchannel aerostatic restrictor, simulation and experiment of parameters distribution in the gas film flow were carried out. Main research contents are as follows: First, Developed a flow parameters test experiment, continuous measurements on the pressure and temperature situation inside the gas film of the restrictor can be realized. It’s mainly applied to the multi-microchannel aerostatic restrictor, but also applies to Hexon double U type thrust restrictor. Signal conditioning conversion circuit was designed and specialized software for the experiments was programmed, which could store the experimental data as well as visualize the tendency and fluctuation in real time. Secondly, the inner pressure and temperature distribution under different supply gas pressure and film thickness was simulated using Fluent. The results show that pressure in the restrictor gas film distributed radial gradually decreasing from the middle to the surrounding; temperature distributes symmetrically, high temperature went in the central region and turns cooler at the edge; increased in supply pressure and film thickness both lead to a substantial decline on temperature. Thirdly, experiments on the inner pressure and temperature distribution and supply air temperature were carried out under different supply gas pressure and film thickness. concept of Joule - Thomson effect during the throttling process was also introduced.The experiment show that pressure in the gas film from the center hole to the wedge-shaped groove trailing gradually decreased, increased with an increasing supply gas pressure and gradually decreased with increase in the gas film thickness in specific area. imum pressure difference reached 0.12MPa, the larger the supply pressure, the greater the difference between internal and external pressure;IItemperature inner the gas film showing a gradually fall from the center hole to the edge, the overall temperature decreased when the supply pressure increased,and with the increase in the gas film thickness, the temperature decreased, too. Temperature of the gas source increased with the increase in film thickness and the supply gas pressure. This study can provide theoretical support for the pressure impedance model of the multi-microchannel aerostatic restrictor and the study of the thermal effect during throttling process Keywords: Aerostatic restrictor; Flow Parameters measuring; Pressure distributionmeasuring; Temperature distribution measuring Classification: CLC TH133.35;UDC621 III目 次 多 微 通 道 式 气 体 静 压 节 流 器 流 场 参 数 测 试 技 术 的 研 究I 目 次 IV 图和附表清单 VIX 附表清单 1 绪 论1 1.1 课题研究背景、目的及意义.1 气体静压节流器的国内外研究现状.2 1.2 1.2.1 气体静压节流器..2 1.2.2 气体静压节流器的国内外研究现状分析.3..4 1.2.3 气体静压节流器微流场参数测试技术的国内外研究现状 1.3 本文主要研究内容..8 2 研究 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 分析.10 气膜流场参数测试装置的分析.10 2.1 2.2 气膜流场参数的FLUENT 仿真..12 2.3 实验内容设计..13.16 3 多微通道式气体静压节流器流场参数测试装置的研究 3.1 机械结构设计..16 3.1.1 测量机构的工作原理.16..18 3.1.2 各零部件的设计和安装 3.2 硬件电路及软件程序..21 3.2.1 信号转换电路设计..21.23 3.2.2 信号采集界面设计 3.3 实验仪器与实验对象..25 3.4 本章小结.29..31 4 多微通道式气体静压节流器流场参数的仿真 4.1 多微通道式气体静压节流器PRO/E 建模..31 4.1.1 多微通道式气体静压节流器塞体建模32..32 4.1.2 多微通道式气体静压节流器主体建模 IV4.2 多微通道式气体静压节流器气膜流场的FLUENT 仿真.34 4.2.1 内部气体模型的建立和网格划分..34 4.2.2 边界条件的设定和求解计算.36 4.3 仿真结果的分析.39 4.3.1 压力分布结果及分析.39 4.3.2 温度分布结果及分析.43 4.4 本章小结.45 5 多微通道式节流器气膜流场参数测试实验及分析.46 5.1 节流器气膜流场压力分布测量实验..47 5.1.1 多微通道式气体静压节流器流场内部压力分布与供气压力的关系 实.47 验 5.1.2 多微通道式气体静压节流器流场内部压力分布与气膜厚度的关系实 验51 5.2 节流器气膜流场温度分布测量实验..54 5.2.1 多微通道式气体静压节流器流场内部温度分布与供气压力的关系实 验54 5.2.2 多微通道式气体静压节流器流场内部温度分布与气膜厚度的关系实 验57 5.3 海克斯康双U 型止推节流器流场参数测试实验..60 5.3.1 海克斯康双U 型止推节流器流场内部压力分布测试实验..60 5.3.2 海克斯康双U 型止推节流器流场内部温度分布测试实验..62 5.4 供气压力和气膜厚度变化对气源温度的影响实验..64 5.5 误差来源.66 5.6 本章小结.68 6 总结与展望..70 6.1 全文总结.70 6.2 本论文创新点..72 6.3 需要进一步解决的问题.72 参考文献73 附录A :多微通道式气体静压节流器压力分布图..77 附录B :多微通道式气体静压节流器温度分布图..80V附录C :多微通道式 气体静压节流器压强温度仿真值82 附录D 多微通道式气体静压节流器压力测量实验数据..84 附录E 多微通道式气体静压节流器温度测量实验数据86 附录F 针对多微通道式气体静压节流器的气源温度测量实验数据.88 作者简介89 图和附表清单 图 3. 1 气膜流场参数测试装置设计简图17 图 3. 2 气膜流场参数测试装置局部放大图..17 图 3. 3 多微通道式气体静压节流器被测点位置分布示意图19 图 3. 4 双 U 型均压槽的气体静压止推节流器被测点位置分布示意图..19 图 3. 5 测量工作面传感器安装孔分布位置.20 图 3. 6 测量工作面调平粗调用简易水平仪..21 图 3. 7 测量工作面调平精调用 TESA 高精度旁向测头21 图 3. 8 信号转换电路工作原理图21 图 3. 9 转换电路实物图及 PCB 图..22 图 3. 10 压力信号调理模块.22 图 3. 11 温度信号调理模块.23 图 3. 12 软件系统测量流程图24 图 3. 13 软件界面截图25 图 3. 14 微型压力传感器实物图..26 图 3. 15 压力传感器标定曲线26 图 3. 16 温度传感器 1 标定曲线..27 图 3. 17 温度传感器 2 标定曲线..27 图 3. 18 微型温度传感器实物图..27 图 3. 19 铂电阻式温度传感器实物图27 图 3. 20 直线位移传感器实物图..28 图 3. 21 直线位移传感器标定曲线.28 图 3. 22 瑞士 TESA 公司生产的高精度电感测微测头 GT21.28 图 3. 23 高精度稳压气源实物图..28 图 3. 24 止推用气体静压节流器..29 图 3. 25 Hexagon 双 U 型均压槽的气体静压止推节流器.29 图 4. 1 多微通道式气体静压节流器- 主视图.31 图 4. 2 多微通道式气体静压节流器- 俯视图31 图 4. 3 节流器塞体- 主视图.32 图 4. 4 小孔细节图..32VI图 4. 5 节流器主体- 主视图.33 图 4. 6 节流器主体- 俯视图.33 图 4. 7 ?处放大示意图33 图 4. 8 ?处放大示意图33 图 4. 9 多微通道式气体静压节流器主体..33 图 4. 10 多微通道式气体静压节流器塞体33 图 4. 11 气体模型 45? 视角..34 图 4. 12 气体模型主视图.34 图 4. 13 气体模型网格划分 45? 视角36 图 4. 14 气体模型网格划分俯视图36 图 4. 15 Solver 对话框.38 图 4. 16 Viscous Model 对话框..38 图 4. 17 气膜厚度 10μm ,0.5MPa 供气压力下 FLUENT 计算残差图39 图 4. 18 供气压力为 0.3MPa 节流器压力云图.40 图 4. 19 供气压力为 0.3MPa 节流器压力等值线图..40 图 4. 20 供气压力为 0.4MPa 节流器压力云图.40 图 4. 21 供气压力为 0.4MPa 节流器压力云图.40 图 4. 22 供气压力为 0.5MPa 节流器压力云图.41 图 4. 23 供气压力为 0.5MPa 节流器压力等值线图..41 图 4. 24 气膜厚度 10μm ,供气压力 0.5MPa 压力云图.42 图 4. 25 气膜厚度 15μm ,供气压力 0.5MPa 压力云图.42 图 4. 26 气膜厚度 20μm ,供气压力 0.5MPa 压力云图.42 图 4. 27 气膜厚度 25μm ,供气压力 0.5MPa 压力云图.42 图 4. 28 气膜厚度 10μm ,供气压力 0.3MPa 温度云图.43 图 4. 29 气膜厚度 10μm ,供气压力 0.5MPa 温度云图.43 图 4. 30 气膜厚度 15μm ,供气压力 0.3MPa 温度云图.44 图 4. 31 气膜厚度 15μm ,供气压力 0.5MPa 温度云图.44 图 5. 1 测量装置实物图46 图 5. 2 装置测量部分放大图..47 图 5. 3 气膜厚度 10μm 时不同供气压力下气膜内压力随位移的变化曲 线..48 图 5. 4 气膜厚度 15μm 时不同供气压力下气膜内压力随位移的变化曲 线..49 图 5. 5 供气压力 0.3MPa 下气膜厚度 10μm 时的压力仿真实测对比曲线..49 图 5. 6 供气压力 0.5MPa 下气膜厚度 10μm 时的压力仿真实测对比曲线49 图 5. 7 不同气膜厚度下气膜内中心孔(位移 0)处压力随供气压力变化曲线 .50 图 5. 8 不同气膜厚度下气膜内楔形槽出口处 (位移 15.8mm) 压力 随供气压力变 化曲线.50 图 5. 9 供气压力 0.1MPa 时不同气膜厚度下气膜内压力随位移的变化曲线..51 图 5. 10 供气压力 0.3MPa 时不同气膜厚度下气膜内压力随位移的变化曲线51 图 5. 11 供气压力 0.5MPa 时不同气膜厚度下气膜内压力随位移的变化曲线52 图 5. 12 供气压力 0.5MPa 下气膜厚度 10μm 时的压力仿真实测对比曲线.52VIII图 5. 13 供气压力 0.5MPa 下气膜厚度 15μm 时的压力仿真实测对比曲线.52 图 5. 14 不同供气压力下气膜内中心孔(位移 0)处压力随气膜厚度的变化曲线..53 图 5. 15 不同供气压力下气膜内楔形槽出口处(位移 15.8mm )压力随气膜厚度 的变化曲线..53 图 5. 16 气膜厚度 10μm 时不同供气压力下气膜内温度随位移的变化曲线55 图 5. 17 气膜厚度 15μm 时不同供气压力下气膜内温度随位移的变化曲线55 图 5. 18 供气压力 0.4MPa 下气膜厚度 15μm 时的压力仿真实测对比曲线.56 图 5. 19 供气压力 0.5MPa 下气膜厚度 15μm 时的压力仿真实测对比曲线.56 图 5. 20 不同气膜厚度下气膜内中心孔(位移 0)处温度随供气压力的变化曲线..57 图 5. 21 不同气膜厚度下气膜内楔形槽出口(位移 15.8mm )温度随供气压力的 变化曲线57 图 5. 22 供气压力 0.4MPa 时不同气膜厚度下气膜内温度随位移的变化曲线58 图 5. 23 供气压力 0.5MPa 时不同气膜厚度下气膜内温度随位移的变化曲线58 图 5. 24 供气压力 0.3MPa 下气膜厚度 10μm 时的压力仿真实测对比曲线.59 图 5. 25 供气压力 0.3MPa 下气膜厚度 15μm 时的压力仿真实测对比曲线.59 图 5. 26 不同供气压力下气膜内中心孔(位移 0)处温度随气膜厚度的变化曲线..59 图 5. 27 不同供气压力下气膜内楔形槽出口处(位移 15.8mm )温度随气膜厚度 的变化曲线..59 图 5. 28 气膜厚度 5μm 时不同供气压力下气膜内压力随位移的变化曲线..61 图 5. 29 气膜厚度 15μm 时不同供气压力下气膜内压力随位移的变化曲线61 图 5. 30 供气压力 0.3MPa 时不同气膜厚度下气膜内压力随位移的变化曲线61 图 5. 31 供气压力 0.5MPa 时不同气膜厚度下气膜内压力随位移的变化曲线61 图 5. 32 气膜厚度 5μm 时不同供气压力下气膜内压力随位移的变化曲线..62 图 5. 33 气膜厚度 15μm 时不同供气压力下气膜内压力随位移的变化曲线62 图 5. 34 供气压力 0.3MPa 时不同气膜厚度下气膜内压力随位移的变化曲线63 图 5. 35 供气压力 0.5MPa 时不同气膜厚度下气膜内压力随位移的变化曲线63 图 5. 36 不同供气压力下气源温度随气膜厚度变化的变化曲线.65 表清单 表 4. 1 气膜厚度为 20μm 时不同供气压力下节流器中心压强值41 表 4. 2 供气压力为 0.5MPa 时不同气膜厚度节流器出口压强值.43 表 4. 3 供气压力为 0.5MPa 时不同气膜厚度节流器中心压强值.43 表 4. 4 供气压力为 0.4MPa 时温度仿真值.44 表 4. 5 供气压力为 0.6MPa 时温度仿真值.44IX附图清单 图 1 供气压力为 0.3MPa 节流器压力云图77 图 2 供气压力为 0.3MPa 节流器压力等值线图.77 图 3 供气压力为 0.4MPa 节流器压力云图77 图 4 供气压力为 0.4MPa 节流器压力云图77 图 5 供气压力为 0.6MPa 节流器压力云图77 图 6 供气压力为 0.6MPa 节流器压力等值线图.77 图 7 供气压力为 0.3MPa 节流器压力云图..78 图 8 供气压力为 0.3MPa 节流器压力等值线图78 图 9 供气压力为 0.4MPa 节流器压力云图..78 图 10 供气压力为 0.4MPa 节流器压力等值线图.78 图 11 供气压力为 0.5MPa 节流器压力云图78 图 12 供气压力为 0.5MPa 节流器压力等值线图.78 图 13 供气压力为 0.6MPa 节流器压力云图79 图 14 供气压力为 0.6MPa 节流器压力等值线图.79 图 15 供气压力为 0.3MPa 节流器温度云图.80 图 17 供气压力为 0.3MPa 节流器温度云图80 图 18 供气压力为 0.4MPa 节流器温度云图80 图 19 供气压力为 0.5MPa 节流器温度云图80 图 20 供气压力为 0.6MPa 节流器温度云图80 图 21 供气压力为 0.6MPa 节流器温度云图80 图 22 供气压力为 0.3MPa 节流器温度云图81 图 23 供气压力为 0.3MPa 节流器温度云图81 图 24 供气压力为 0.4MPa 节流器温度云图81 图 25 供气压力为 0.5MPa 节流器温度云图81 图 26 供气压力为 0.6MPa 节流器温度云图81 图 27 供气压力为 0.6MPa 节流器温度云图81 附表清单 表 1 供气压力为 0.3MPa 时压强仿真值82 表 2 供气压力为 0.4MPa 时压强仿真值82 表 3 供气压力为 0.5MPa 时压强仿真值82 表 4 供气压力为 0.6MPa 时压强仿真值82 表 5 供气压力为 0.3MPa 时温度仿真值82 表 6 供气压力为 0.4MPa 时温度仿真值83 表 7 供气压力为 0.5MPa 时温度仿真值83X表 8 供气压力为 0.6MPa 时 温度仿真值83 表 9 气膜厚度 10μm 时供气压力 0.1-0.5MPa 下被测各点压力值84 表 10 气膜厚度 15μm 时供气压力 0.1-0.5MPa 下被测各点压力值84 表 11 气膜厚度不同时供气压力 0.1-0.5MPa 下中心孔(位移 0mm )处压力 值84 表 12 气膜厚度不同时供气压力 0.1-0.5MPa 下楔形槽出口 (位移 15.8mm)处压 力值..84 表 13 供气压力 0.1MPa 下气膜厚度 5-15μm 时被测各点的压力值85 表 14 供气压力 0.3MPa 下气膜厚度 5-15μm 时被测各点的压力值85 表 15 供气压力 0.5MPa 下气膜厚度 5-15μm 时被测各点的压力值.85 表 16 不同供气压力下气膜厚度 5-15μm 时中心孔(位移 0mm )处压力值85 表 17 不同供气压力下气膜厚度 5-15μm 时楔形槽出口 (位移 15.8mm ) 处压力值..85 表 18 气膜厚度 10μm 时供气压力 0.2-0.5MPa 下被测各点温度值.86 表 19 气膜厚度 15μm 时供气压力 0.2-0.5MPa 下被测各点温度值86 表 20 气膜厚度不同时供气压力 0.1-0.5MPa 下中心孔(位移 0mm )处温度值 86 表 21 气膜厚度不同时供气压力 0.1-0.5MPa 下楔形槽出口 (位移 15.8mm)处温 度值..86 表 22 供气压力 0.4MPa 下气膜厚度 10μm 和 15μm 时被测各点的 压力值.87 表 23 供气压力 0.6MPa 下气膜厚度 10μm 和 15μm 时被测各点的 温度值.87 表 24 不同供气压力下气膜厚度 0-15μm 时中心孔(位移 0mm )处温度值87 表 25 不同供气压力下气膜厚度 0-15μm 时楔形槽出口(位移 15.8mm )处 温度 值87 表 26 不同供气压力下气膜厚度变化时的气源温度数据第一组88 表 27 不同供气压力下气膜厚度变化时的气源温度数据第二组88 表 28 不同供气压力下气膜厚度变化时的气源温度数据第三组88 表 29 不同供气压力下气膜厚度变化时的气源温度数据第四组88XI 中国计量学院硕士学位论文 1 绪 论 1.1 课 题研究 背景、 目的及 意义 在超精密加 工及超精 密 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 技 术领域, 例如测量 仪器和 精密加工 机械,对 机械部分都提 出了高精 度、高速 度、高运 动分辨率 、热稳定 性好、低 振动、爬 行小、少污染 以及降低 设备成本 等苛刻要 求。实践 证明,气 体静压技 术正是解 [1] 决上述苛刻要求的重要途径 。目前 , 在涉及纳米精度的回转与位移功能的场合, [2] 支承方式大多采用气体静压润滑技术, 从而实现纳米级的分辨力 。 节流器安装 在气源与气膜 之间,为 定压供气 的气体静 压 系统提 供 承载能 力,起到 了压力补 偿的重要作用 。其安装 位置分为 两种,即 可以是在 气体支承 件上,也 可以在支 承件之外。 目前,气体 静压润滑 系统主要 存在承载 能力低、 刚度小 及稳定性 差的重大 技术难题。尽 管有很多 学者对此 做过研究 ,但此问 题尚未得 到很好的 解决,主 要障碍表现在 难以同时 满足系统 的超稳定 和高刚度 的要求。 若想打破 国外对我 国在超精密导 轨与轴系 方面的技 术封锁, 就必须解 决如何使 稳定性与 刚度同时 达到较高水平 的问题, 为此,急 需对纳米 精度要求 时气体静 压技术的 基础理论 进行深入研究,从而较好地解决润滑气膜的稳定性与刚度之间的矛盾问题。 事实上,气 膜的稳定 性同刚度 之间是一 对矛盾。 通常, 当要求精 度高时以 牺牲刚度为代 价,而要 求刚度高 时以牺牲 精度为代 价,目前 的技术还 难以兼顾 二者。当前的 紧迫任务 就是研究 如何同时 提高气膜 的刚度和 稳定性, 寻找两者 之间的平衡点 。当气体 通过节流 孔射入导 轨间隙时 ,由于气 体流速较 高,气体 在流场内是非 定常的, 形成的流 动是湍流 ,气流易 形成涡动 ,由此带 来的影响 是热、质量、 动量都在 不停地进 行交换。 为了增大 气膜负载 能力,必 须要研究 降低气膜入口 流速的有 效 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 , 以探寻一 条可以同 时兼顾整 个系统稳 定性和高 刚度的新道路。 初步分析认 为,通过 节流通道 的设置可 作为降低 流速的 途径。在 研究中, 可以通过仿真 研究流速 增大时气 膜流场的 变化情况 来寻找有 效的降速 机理。那 么,分析气膜 流场内部 压力流量 以及温度 等相关参 数的变化 是十分有 必要的, 可以通过测量 气源压力 变化时流 场内部不 同点的压 力和温度 的变化以 及各通道 1 中国计量学院硕士学位论文 的气体流量, 建立压力 阻抗模型 ,以期得 到最合理 的节流通 道参数设 置值,最 终达到降低流速的目的,实现气膜刚度和稳定性的双重兼顾。 因此,本课 题从气体 静压系统 的重要元 件节流器 入手, 拟对多微 通道式气 体静压节流器 气膜内部 微流场的 热工参数 进行研究 和实验。 探索内部 流场压力 和温度变化情 况 ,以期 为后续建 立节流器 压力的阻 抗模型和 对节流过 程所产生 的热效应问题 研究提供 一定的理 论依据, 最终得到 最合理的 节流通道 参数设置 值,达到降低流速提高稳定性的目的。 1.2 气体静压 节 流技术的国 内外研 究现状 1.2.1 气体静压节流器 气体润滑技 术是上世 纪中期迅 速发展起 来的一项 高新技 术。气体 静压润滑 理论是随着超 精密测量 领域对测 量和加工 精度要求 不断提高 而逐步发 展起来的 [6] 核心技术 。 气体静压可定义为: 被气膜隔开的两个精加工表面, 气膜间隙的任 何变化趋势都 会 受内部 气膜压力 变化阻碍 ;它利用 气体粘性 ,将外界 空气经压 缩、干燥、过 滤后,通 过节流器 导入气体 静压装置 的间隙中 ,使精加 工 表面之 [7] 间的间隙充满压缩性空气,借助压力气膜支撑负载并实现平稳动作 。 作为气体静 压系统的 核心零部 件之一, 节流器不 仅决定 系统的主 要性能, 而且涉及轴承 或导轨的 设计、制 造方法, 以及产品 的推广应 用。在进 行气体静 压系统设计时 ,系统的 其他设计 与计算都 要围绕所 确定的节 流器展开 ,因此首 先要确定所使用节流器的类型和主要性能。 节流器的节 流作用, 是由于它 具有某种 形式的狭 窄流道 ,当流体 从中流过 时,产生压降 ,起到节 流作用, 且使其出 口压力( 即气体静 压系统气 膜的入口 [6] 压力) 相对稳定; 从而, 使静压流体膜具备承载力与刚性 。 小孔节流、 环面节 [6] 流、 狭缝 节流、 毛细管节流、 多孔质节流属于较为常见的节流方式 。 其中, 前 三种节流方式 应用最多 ,设计方 法也相对 成熟。本 文主要采 用的小孔 节流方式 与环面节流方 式都属于 孔式供气 型节流方 式,但二 者相较, 各有千秋 :?小孔 节流器与环面节流器相比承载力和刚度 高 30% 左右;?小 孔节流器由于存在凹 穴,容易产生 气锤振动 现象,因 此稳定性 低于环面 节流器; ?小孔节 流器因节 流刚度高,在 控制高速 涡动上优 于环面节 流器;? 小孔节流 器更易堵 塞,与环 面节流器相比更难加工,且对润滑气体洁净程度的要求也更严格。2 中国计量学院硕士学位论文 1.2.2 气体静压节流器的国内外研究现状分析 目前,国内 外在超精 密轴系与 导轨中广 泛采用气 体静压 润滑技术 。国际上 在节流器上采 用的技术 特点有:1)多孔 质型节流 技术;2) 单节流孔 特殊凹曲 面技术;3)设置负压区和气流隔离区技术等。总体上看,美国处于领先地位, 其次是欧洲,然后是日本。 对于承载能 力及刚性 方面,对 于 高速空 气静压主 轴的静 压轴承的 压力场分 布情况研究,Cheng Ying Lo 等使用二维流体有限元的分析方法进行求解,得到 了供气压力、 气膜间隙 、小孔直 径的参数 在不同旋 转速度下 对承载和 刚度的影 [3] 响情况 。Jerry C. T. Su 对多排孔径向气体轴承的旋转效应进行了研究, 使用数 [4,5] 值计算的方法得出轴承的承载 能力随偏心率的变化 要比随转速的变化快 。除 此之外,波兰科技大学的 K. CzoIczynski 和英国的 H. M. Talukder 等对于气体静 压系统稳定性 方面也有 一定的研 究,前者 基于雷诺 方程的数 学计算方 法研究了 对气膜的线性 和非线性 刚度以及 阻尼特性 ,后者通 过 实验表 明外部阻 尼对静压 气体轴承的气锤现象有很重要的影响。新加坡学者 Wen-Jong Lin 以及 Wei Lin 等采用 FEM 分析法及 CFD 软件对小孔节流式气体静压止推轴承进行建模与仿 [6] 真,并搭建实验台测试刚度、承载力等 。 国内主要有 清华大学 、哈尔滨 工业大学 ,华中科 技大学 、天津大 学,国防 科技大学、中 国计量科 学研究院 、洛阳轴 承研究所 、航天航 空工业部 门等单位 在气体静压导 轨轴系、 节流器、 静态性能 等方面进 行相关探 索研究。 中国计量 科学研究院为 消除气膜 微振动给 测量带来 的影响, 提出气浮 工作台区 分两种工 作模式,运动 模式和测 量模式。 运动模式 下,气体 轴承通气 ,气浮工 作台可实 现大范围移动,此时测头不进 行测量; 测 量模式下,气体轴承不 通气,气浮导轨 面刚性接触, 由气浮工 作台上搭 载的小范 围弹性工 作台进行 扫描运动 ,此时测 头进行测量。 并且研究 了气浮工 作台在这 两种工作 模式下的 切换过程 。北京航 空航天大学建立了双边直线电机驱动的 H 型气浮精密定位平台,对该精密定位 系统的气浮导轨设计方法、双边直线电机同步运动控制等关键技术进行了研究, 利用有限元计 算方法分 析设计了 气浮导轨 ,采用预 加载技术 提高气浮 导轨的承 载能力和刚度 ,结合超 精密定位 平台的高 精度要求 ,探索了 气浮轴承 的刚度和 [7,8] 。 阻尼相对于气膜厚度的变化存在明显的非线性特性 清华大学和上海微电子装 备有限公司合作开 发了中国第一套以 10nm 运动 精度为目标的试验台。天津大学杨庆国等设计了面向 IC 封装的高速精密气浮定 3 中国计量学院硕士学位论文 位平台,研究 了以小孔 节流静压 气浮导轨 支承高速 精密定位 平台的静 态性能和 设计方法;国 防科技大 学李圣怡 等人对精 密气体静 压轴系部 分关键技 术进行了 研究,利用局 部多孔质 气体静压 轴承原理 建立了气 体流动模 型,分析 了其静态 性能。华中科 技大学何 学明等人 研究了超 精密气浮 式定位平 台的动力 学,通过 计算获得了精 密气浮轴 承的动静 特性变化 规律。西 安交通大 学低温教 研室首次 进行了切向小 孔供气双 气膜气体 轴承的实 验研究, 结合双气 膜气体轴 承和切向 3 Nm /hO 2 小孔供气气体轴承的优点, 使用了 150 制氧机用透平膨胀机, 得到了 [9,10] 轴承间隙、排数、孔数、孔径等结构参数的最佳范围 。 1.2.3 气体静压节流器微流场参数测试技术的国内外研究现状 当前,数值 计算随着 计算机技 术的发展 成为了主 流的分 析手段。 气体轴承 的设计和分析 一般可借 助于气体 轴承设计 图表或数 值计算以 解决复杂 的流场问 [11,12] 题 。 通过查阅文献, 发现对于动静混合气体轴承, 国内外大量研究人员进行 [13-16] 了理论与试验研究 。1966 年,Carfagno S P 首次提出在计算小孔供气静压止 推轴承静态承载力时存在供气孔处的进口效应。 但其研究只局限在外径 7.112mm (2.8 英寸)、供气孔直径 0.0508mm (0.02 英寸)的圆盘静压止推轴承在气膜 [17] 厚度较大时的结果,没能将影响进口效应的具体因素做出详细分析 。 (1)气体静压节流系统理论特性的数值分析和建模仿真 国内外很多 学者应用 有限元法 对静压轴 承进行了 数值分 析。在节 流 器最优 参数设置探索方面, 法国的 Mohamed Fourka 等使用有限元仿真的方法来比对小 孔节流与多孔 质节流的 静压止推 轴承的承 载能力、 刚度、气 体耗散率 等性能特 点,并对这些 特性与小 孔的位置 、小孔数 目和多孔 质材料的 渗透系数 直接的关 系进行了分析。台湾的 Jyh Chyang Renn 等人用 CFD 分析法建立了一个新的模 型,该模型计 算 了从空 气静压轴 承的小孔 节流器流 出的质量 流率,分 析结果与 [18,19] 实验结果较为符合 。张晓峰,林彬等应用有限元方法对应用多孔质节流器 的矩形气体止 推轴承进 行数值分 析。在总 结目前已 有的分析 方法后, 提出一种 新的分析流程,即利用 HyperMesh 进 行前后处理,使用 C 语言编写求解器。该 求解器同时支持基于 Darcy 定律的一维/三维多孔节流模型。 分别应用编写的有 限元程序及有 限差分程 序对典型 算例进行 分析比较 ,验证开 发的有限 元程序的 正确性。对多孔质节流器性能的部分影响因素,如多孔材料渗透率、供气压 力、 供气面积等进 行分析, 结果表明 ,最大承 载能力受 渗透率的 影响较小 ,但随供 4 中国计量学院硕士学位论文 气压力的提高 而提高, 随供气面 积的减小 而减小; 最大刚度 随渗透率 的减小而 增大,随供气 压力的提 高而增大 ,但受供 气面积的 变化影响 较小;最 大刚度对 应的气膜厚度 随渗透率 和供气面 积的减小 而减小, 但不受供 气压力变 化的影响 [20] 。 于雪梅, 孙雅洲, 卢泽生直接在 C artesian Coordinates 中对气体静压圆盘止 推轴承的 Reynolds 气体润滑方程进行有限元计算,针对局部多孔质直径大小的 不同, 采用两种不同的网格划分方法, 并通过 Mat lab 编程实现了网格的自动 细分,在此基础上,通过利用 Galerkin 加权残差原理对气膜内压力分布进行了 求解。分析表 明,网格 的自动细 分减少了 网格划分 的时间, 便于获得 合适的网 [21] 格数量,使轴承压力分布的计算得到进一步简化 。 [22] 建立轴承气膜模型也是一种优化静压轴承参数的有效途径。//.tait 等 使用二维简化 模型对单 个节流器 关键尺寸 对节流性 能参数的 影响进行 了研究。 哈尔滨工业大 学的龙威 ,包钢以 气体润滑 理论为基 础,建立 完整描述 轴承气膜 的数学模型, 寻找导致 小孔节流 空气静压 止推轴承 中进口效 应的形成 原因,分 析供气孔处气 腔直径和 气腔深度 不同对轴 承表面压 力分布和 轴承静载 荷能力的 [23] 影响规律,通过 数值计算和 试验对比对理 论分析的结 果给予验证 。刘凡,孟 宪东应用计算流体力学 CFD 软件,建立了空气静压轴承孔型节流器的流体边界 模型,根据雷诺方程运用等温条件下的 k- ε湍流模型,给 定合适的初始值和边 界条件,计算 得到了孔 型节流器 的速度场 及压