超薄磁头/磁盘气膜动态润滑特性分析研究

论文摘要

随着日益增加的大量信息及数据的需要和科学技术的飞速发展,计算机硬盘不断地在更新换代,硬盘技术的发展一方面希望通过减小头盘间隙以提高磁盘记录密度,另一方面又要求磁头在整个磁盘工作区域内保持稳定的头盘间隙,以获得稳定的信号电压和较强的抗干扰能力。磁头在盘面上的飞浮特性,成为影响硬盘存储性能的重要因素。本文以带时间项的FK-Boltzmann修正模型的广义雷诺方程和三个自由度的动力学方程联立的动态控制方程为理论基础,用时域分析法和频域分析法分析了磁头的动态特性。最后,本文还进行了实际硬盘的动态实验研究。首先,对超薄气膜动态润滑控制方程求解方法进行了分析,本文在原有数值求解过程中采用的迎风格式以剪切流项为迭代主项解决大轴承数计算失稳问题的基础上加入迎风格式对时间项处理,较好地解决了动态润滑方程计算稳定性问题。并沿用在整个润滑区域引入调和流量因子改变大阶梯下流量变化,以减小计算偏差。通过将一维近似解析解、平均算法和本算法的计算结果进行对比表明:本算法与近似解析解更接近,并用本方法对现在正在使用的几种不对称磁头进行计算,每种都得到很好的收敛性,进一步说明了本方法的收敛性和准确性。然后,将动态润滑方程和动力学方程联立组成了超薄气膜动态特性控制方程组。通过采用有限差分法联立求解控制方程组对超薄气膜的动态时域特性和频域特性进行了分析,并编制了具有自主版权的分析软件。在时域分析中,通过求解方程得到在受到不同外界激励下,磁头的飞行姿态和气膜润滑性能随时间的变化规律。结果显示在受到外界微小扰动后,磁头会在一定时间内恢复到初始平衡状态。磁头在受到上下方向振动和俯仰方向的波动时,磁头的动态润滑特性影响比较大。另外对磁头的越障能力进行了分析,结果表明磁头能够顺利地飞越微小障碍物,之后以一定频率做衰减运动,最后回到初始平衡状态。在频域分析中,采用摄动法对气膜的刚度系数和阻尼系数进行了分析计算,得出了气膜刚度系数和阻尼系数随频率的变化的规律。气膜上下方向的厚度和俯仰方向的角度对气膜刚度的影响比较大,而侧翻角和磁盘转速对其也有一定的影响。最后,对磁头的动态润滑特性进行了实验研究。通过将激振器与实验硬盘连接,搭建了硬盘振动实验装置。利用硬盘生产厂家的动态飞高测试仪和动态电性能测试机测试了不同转速下磁头的飞高和电压信号输出值,从而获得电压差值与磁头飞高振动幅度的关系曲线图。然后,对生产厂家生产的同型号硬盘进行了不同频率振动下的测试。通过引线获取了硬盘磁信号的输出值,并通过分析讨论了振动频率对信号输出的影响。用前面电压差值和磁头飞高振动幅度的关系曲线,定量判断了磁头飞高的振动幅度。最后,对冲击实验结果和理论计算结果进行了分析比较,得出了两种结果趋势一致的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 硬盘技术的发展
• 1.1.1 磁记录技术的发展
• 1.1.2 磁头表面结构的发展
• 1.1.3 磁头尺寸的演化
• 1.2 硬盘磁头气膜润滑特性的研究
• 1.2.1 硬盘磁头气膜润滑控制方程研究
• 1.2.2 硬盘磁头气膜润滑控制方程数值解的研究
• 1.2.3 硬盘磁头气膜润滑静态特性研究
• 1.2.4 硬盘磁头气膜润滑动态特性研究
• 1.3 硬盘磁头振动失效分析
• 1.3.1 硬盘振动失效形式分析
• 1.3.2 硬盘耐冲击振动特性研究
• 1.4 硬盘磁头动态特性实验研究
• 1.4.1 实验方法的研究
• 1.4.2 实验研究的现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.5.1 本课题来源和意义
• 1.5.2 论文的主要内容
• 第二章 硬盘磁头超薄气膜动态润滑分析基础
• 2.1 超薄气膜润滑控制基本方程
• 2.1.1 超薄气膜润滑方程
• 2.1.2 边界条件
• 2.1.3 膜厚方程
• 2.1.4 润滑方程的量纲一化
• 2.1.5 性能参数计算方程
• 2.2 超薄气膜润滑方程数值求解
• 2.2.1 大轴承数问题
• 2.2.2 膜厚阶梯处突变问题
• 2.2.3 计算区域的网格划分
• 2.2.4 气膜润滑控制方程的离散求解
• 2.3 气膜压力分布计算分析
• 2.3.1 磁头气膜分布压力计算
• 2.3.2 计算误差分析
• 2.4 数值求解结果的讨论与分析
• 2.4.1 磁头2 的压力分布
• 2.4.2 磁头中心线上的压力近似解析解
• 2.5 气膜润滑特性分析
• 2.6 不对称磁头的润滑特性分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 硬盘磁头超薄气膜动态润滑模型与求解
• 3.1 硬盘磁头工作特点
• 3.2 硬盘磁头动态润滑方程
• 3.3 磁头动力学方程
• 3.4 各参数的计算公式
• 3.4.1 质量矩阵的计算
• 3.4.2 刚度矩阵的计算
• 3.4.3 阻尼矩阵的计算
• 3.5 硬盘磁头动态方程组联立求解方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 硬盘磁头动态特性时域分析
• 4.1 时域求解
• 4.1.1 动态润滑控制方程离散
• 4.1.2 动力学方程离散求解
• 4.1.3 求解过程
• 4.2 计算参数
• 4.3 瞬态冲击对磁头飞行姿态的影响分析
• 4.3.1 上下方向的瞬态冲击对磁头飞行姿态的影响分析
• 4.3.2 俯仰方向的瞬态冲击对磁头飞行姿态的影响分析
• 4.3.3 侧翻方向的瞬态冲击对磁头飞行姿态的影响分析
• 4.3.4 任一瞬态冲击对磁头飞行姿态的影响分析
• 4.4 初始值对磁头瞬态响应的影响分析
• 4.5 飞越矩形障碍物时磁头的动态响应
• 4.6 飞越正弦粗糙表面时磁头的动态响应
• 4.7 本章小结
• 第五章 硬盘磁头动态特性频域分析
• 5.1 摄动法简介
• 5.2 线性频域法分析磁头的动态频域特性
• 5.2.1 动态膜厚扰动方程
• 5.2.2 动态压力扰动方程
• 5.2.3 线性扰动气膜动态润滑方程及其求解
• 5.2.4 气膜刚度系数和阻尼系数的求解
• 5.3 气膜刚度系数和阻尼系数的数值分析结果
• 5.3.1 气膜刚度系数和阻尼系数随频率变化的结果分析
• 5.3.2 气膜刚度系数和阻尼系数随气膜最小膜厚变化的结果分析
• 5.3.3 气膜刚度系数和阻尼系数随俯仰角变化的结果分析
• 5.3.4 气膜刚度系数和阻尼系数随侧翻角变化的结果分析
• 5.3.5 气膜刚度系数和阻尼系数随硬盘转速变化的结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 硬盘磁头动态特性实验研究
• 6.1 动态实验原理及装置
• 6.1.1 动态实验原理
• 6.1.2 动态实验设备
• 6.2 磁头信号电压标定实验
• 6.2.1 磁头飞高的测量
• 6.2.2 信号电压幅值的测量
• 6.2.3 信号电压幅值与磁头飞高之间的关系曲线
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 磁头起/停磁信号测量
• 6.3.2 磁头动态磁信号测量
• 6.4 实验与理论结果对比分析
• 6.4.1 瞬态冲击情况分析
• 6.4.2 频率变化对振动的影响分析
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢