高速硬盘微小型滑动轴承—主轴系统变温条件下的稳定性研究

论文摘要

高速的微小型旋转机械（如硬盘驱动器）对动态性能有非常高的要求。螺旋槽动压滑动轴承由于具有出色的动力学特性,得到广泛的应用。本论文以高速硬盘微小型滑动轴承—主轴系统变温条件下的稳定性为主要研究目标,首先对耦合径向和推力轴承的刚度和阻尼系数进行了分析计算,将径向和推力轴承的雷诺方程及其扰动方程转化为有限元方程,不仅考虑径向和推力轴承之间交界处压力和流量的连续性,还包括雷诺边界条件的数值分析以及空穴现象的模拟。分析表明:此方法可以高效稳定的计算耦合径向和推力轴承的动态特性系数。径向和推力轴承的耦合效应的研究还表明,此方法可以计算出径向推力轴承径向与轴向上交叉耦合动态特性系数。之后,在小偏心距条件下,推导出硬盘主轴系统稳定性判据以确定系统的临界转速和临界质量。通过求解硬盘主轴系统动压滑动轴承的雷诺方程以及系统的五自由度运动方程研究其动态特性。首先,应用有限元法求解雷诺方程确定油膜压力分布,得出油压分布规律;对油膜压力和剪切应力积分得支承力和摩擦力矩,然后使用Runge-Kutta法求解系统的非线性运动方程,确定了硬盘主轴的涡动及偏摆等动态特性。随着工作温度的升高,润滑油的粘度和轴承间隙显著减小。本文应用非线性膨胀理论精确计算轴承间隙,修正了热流体动力润滑模型。环境温度确定后计算相应的润滑油的粘度和轴承间隙,然后求解变温条件下的雷诺方程可得硬盘驱动器主轴轴承的静态和动态特性参数,得出主轴系统静、动态特性随温度变化的规律。结果表明,环境温度的变化是影响硬盘驱动器主轴轴承动态特性的重要因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1-1 引言
• 1-2 硬盘驱动器的发展
• 1-2-1 硬盘驱动器工作原理
• 1-2-2 硬盘驱动器的发展
• 1-3 硬盘主轴系统的发展及研究现状
• 1-4 螺旋槽动压滑动轴承研究的发展与现状
• 1-5 本课题的意义及主要研究内容
• 1-5-1 本课题的意义
• 1-5-2 主要研究内容
• 1-5-3 本文梗概
• 第二章 螺旋槽动压滑动轴承特性分析
• 2-1 流体动压润滑原理与雷诺方程
• 2-1-1 流体动压润滑原理
• 2-1-2 径向滑动轴承形成流体动力润滑的过程
• 2-1-3 流体动压润滑的基本方程
• 2-1-4 广义雷诺方程
• 2-2 螺旋槽径向动压滑动轴承特性分析
• 2-2-1 螺旋槽径向动压滑动轴承—控制方程
• 2-2-2 螺旋槽径向动压滑动轴承静态参数
• 2-2-3 螺旋槽径向动压滑动轴承动态参数
• 2-3 螺旋槽动压滑动推力轴承特性分析
• 2-3-1 螺旋槽推力动压滑动轴承—雷诺方程
• 2-3-2 螺旋槽动压滑动推力轴承静态参数
• 2-3-3 螺旋槽推力动压滑动轴承动态态参数
• 2-4 实例分析
• 2-4-1 螺旋槽径向动压滑动轴承结构参数与油膜压力仿真分析
• 2-4-2 螺旋槽推力动压滑动轴承结构参数与油膜压力仿真分析
• 2-5 本章小结
• 第三章 硬盘主轴径向推力轴承耦合支承的动态特性分析
• 3-1 耦合径向和推力轴承的特性分析方法
• 3-1-1 控制方程
• 3-1-2 边界条件
• 3-1-3 承载能力计算
• 3-1-4 滑动轴承油膜动力特性系数
• 3-1-5 硬盘主轴—支承系统的五自由度动力学模型
• 3-2 实例分析结果与讨论
• 3-2-1 分析实例的主要设计参数
• 3-2-2 实例的动态特性分析
• 3-2-3 动态特性仿真分析结果比较
• 3-4 本章小结
• 第四章 螺旋槽液体润滑径向推力轴承耦合支承的稳定性分析
• 4-1 稳定性概论
• 4-2 转子—滑动轴承系统稳定性的判别方法
• 4-3 径向动压滑动轴承的稳定性条件
• 4-4 螺旋槽液体润滑径向推力轴承耦合支承的稳定性分析
• 4-4-1 径向推力轴承耦合支承的稳定性判据
• 4-4-2 动压滑动轴承的稳定性实例分析
• 4-5 本章小结
• 第五章 变温条件下硬盘螺旋槽动压轴承的动力特性研究
• 5-1 引言
• 5-2 工作温度对润滑油粘度和轴承间隙的影响
• 5-2-1 工作温度对润滑油粘度的影响
• 5-2-2 工作温度对轴承间隙的影响
• 5-3 迭代法求解轴承间隙和油膜温度
• 5-4 工作温度对硬盘主轴轴承的影响
• 5-4-1 工作温度对硬盘主轴轴承间隙的影响
• 5-4-2 工作温度对硬盘主轴轴承稳定性的影响
• 5-5 硬盘温度分布的仿真分析
• 5-5-1 硬盘传热分析
• 5-5-2 硬盘温度分布仿真结果与实验数据的比较
• 5-6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6-1 本文的主要工作和创造性成果
• 6-2 本课题进一步研究的方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果