磁头/硬盘超薄膜气体润滑动态性能分析

考虑速度滑移效应,利用雷诺方程和动力学方程组建立磁头/硬盘薄膜气体润滑动力学分析模型,采用摄动法对纳米飞行高度以下的磁头动态特性进行了数值分析.结果表明,外界扰动频率靠近或超过磁头特征振动频率时,外界振动对磁头飞行姿态有明显影响,使得飞行高度振幅和气膜刚度明显增加,磁头的顺从性变差;当外界扰动频率远低于磁头特征振动频率时,随着磁头飞行高度的降低,气膜刚度和飞行高度的调制量迅速增加.通过磁头/磁盘系统的合理设计,使得磁头特征频率远大于主要的扰动频率,增加磁头对磁盘振动的顺从性,可以控制磁头的飞行高度振幅.     

磁头/盘界面超薄气膜挤压效应和动压效应研究

针对求解磁头/磁盘界面动态气膜力时出现的不易收敛和编程复杂的问题,本文提出了基于PDE工具求解气体润滑的瞬态和稳态雷诺方程的方法,计算了具有不同最小气膜厚度的Tri-pad正压型和Tri-pad负压型浮动块空气轴承在加载和卸载过程中的瞬态和稳态气膜压力分布,求解了作用面上的轴承力,并将2种状态下超薄气膜挤压效应和动压效应对轴承力的影响进行了对比.仿真结果表明:该方法具有足够的求解精度,且收敛速度快,为研究具有复杂磁头形貌特征的超薄气体润滑的动态特性提供了方便、准确的方法.     

范德华力对磁头/硬盘薄膜气体润滑动态特性的影响

利用摄动法分析了纳米间隙下范德华力对磁头动态飞行特性的影响规律.结果表明,在飞行高度低于5 nm后,范德华力降低了磁头的承载能力和飞行高度,使飞行高度和俯仰气膜刚度降低,对侧翻气膜刚度没有明显影响.范德华力对磁头滑块飞高振幅的影响主要在于特征振动频率区间,因此,通过磁头设计提高磁头特征振动频率,可以减弱范德华力对飞高振幅的影响.     

局部多孔质气体静压轴向轴承静态特性的数值求解

运用数值方法分析局部多孔质节流气体静压轴向轴承的静态性能,分别建立局部多孔质圆柱塞内的压力分布方程和气体薄膜内的压力分布方程,利用坐标变换将局部多孔质圆柱塞的圆柱坐标与气体薄膜的圆柱坐标转换到同一笛卡儿坐标系,为有限元离散奠定基础.经过有限元推导,求得局部多孔质气体静压轴向轴承的承载能力与静态刚度,并对局部多孔质节流进行试验以验证理论模型的正确性.另外,对局部多孔质节流气体静压轴向轴承和小孔节流气体静压轴向轴承进行对比试验.结果表明:局部多孔质节流和小孔节流静压轴承的承载能力随着气膜厚度的减小而增加;静态刚度随着气膜厚度的增加先增加后减小;局部多孔质节流比小孔节流具有较高的承载能力和静态刚度.     

螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性

考虑入口气流压力损失和出口阻塞效应,建立了微间隙端面高速气体润滑密封分析数学模型,对螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性进行研究.重点分析了不同密封间隙、密封压力和转速等工况条件下,入口压力损失和出口阻塞效应对开启力、泄漏率及气膜刚度等密封特性参数的影响规律.结果表明:高速气体阻塞效应使出口压力高于环境压力,压力损失使入口气膜压力下降,导致泄漏率和气膜刚度明显下降,并使开启力增加.随着密封压力和密封间隙的增加,阻塞效应增强,导致泄漏率和气膜刚度显著降低.密封压力10 MPa时,泄漏率降低可达20%,气膜刚度的下降可达30%以上.     

惯性效应对超高速倾斜端面气膜密封稳动态特性影响

研究了惯性效应和端面倾斜对超高速气膜端面密封稳动态特性的影响. 考虑气体惯性效应，建立了气膜端面密封稳动态特性数值分析模型，采用有限差分法求解稳态和微扰雷诺方程，获得端面膜压分布. 数值分析了惯性效应和端面倾斜度对开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能参数以及刚度系数和阻尼系数等动态特性系数的影响规律，并以获得较大刚度系数为目标，获得了螺旋槽关键几何参数的优选值范围. 结果表明:在超高速条件下，考虑惯性效应后的干气密封泄漏率显著减小，刚漏比明显增大，而开启力、气膜刚度和动特性系数变化不大；倾斜端面气膜密封相较于平行端面气膜密封具有更佳的低频刚度和高频阻尼.      

陀螺电机动压气体轴承刚度测试方法改进（英文）

动压气体轴承陀螺电机的气膜刚度是评价轴承承载能力的关键指标。针对H型动压气体轴承陀螺电机气膜刚度测试方法存在测量精度和重复性差的问题,提出了刚度测试工装是保证刚度测试重复性精度的一个重要方面,刚度测试工装的加工和装配精度、材料的热变性和应力变形都是影响气膜刚度测试准确性的主要因素,在设计时必须考虑。通过对现有刚度测试工装材料、结构和方法的优化改进和仿真分析,验证了采用改进后的刚度测试工装和方法更有利于提高了轴承刚度测试的重复性精度。     

单节流孔静压球面气体轴承动态特性的有限元分析

采用分布参数和小参数摄动方法简化动态雷诺润滑方程，推导了用于计算小孔节流方式的单节流孔静压球面气体轴承气膜动态特性的一系列计算公式，并通过动态压力分布方程的有限元求解得到了气膜的动态刚度、动态阻尼曲线以及轴承的稳定工作范围图谱，进而给出了静压气体轴承的稳定性判据．结果表明，小孔节流方式静压气体轴承的稳定性主要取决于节流气腔的容积、供气压力和承载质量．     

悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合数值分析

工作温度是影响轴承性能关键因素之一，为了深入分析轴承气膜温度变化对箔片轴承承载特性的影响，本文中建立了考虑冷却气实际流动特性的悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合模型，研究了轴承间隙、转速以及冷却气流速变化时悬臂箔片轴承气膜压力场和温度场等的变化规律.研究结果表明：随着轴承间隙减小以及轴承转速增大，气膜表面温度逐渐升高，其中气膜高压区温度上升更快，气膜温度与轴承间隙呈现线性变化趋势，气膜温度与转速呈现非线性增长的趋势，相比于轴承间隙，轴承转速升高对润滑气膜温度场影响更大，气膜温度过高可能会造成轴承热失效，因此需要深入研究工作温度对轴承性能的影响；随着冷却气流速增大，轴承承载力和气膜温度逐渐减小.冷却气流速增大到一定程度时，降温效果不再发生明显变化.     

基于鸟翼轮廓的干式气体密封仿生型槽设计

为解决目前干式气体密封存在的开启力与气膜轴向刚度不足,易出现磨损与失稳等问题,本文尝试将仿生学理念引入干式气体密封技术中,通过分析典型飞鸟的羽翼轮廓差异对其飞行状态与能力的影响,定义轮廓外形几何特征参数,运用几何重构法在现有干式气体密封的典型型槽即螺旋槽的基础上构建仿生型槽,提出新型仿生型槽干式气体密封密封.基于气体润滑理论,在建立仿生型槽干式气体密封的几何模型和端面气膜压力控制方程的基础上,采用有限差分法对仿生型槽干式气体密封进行数值模拟研究,分析了仿生型槽的主要几何结构参数对密封性能的影响规律.结果表明：相较于典型螺旋槽干式气体密封,通过合理设置仿生型槽干式气体密封的端面型槽的几何结构参数值,其开启力、气膜刚度等密封性能参数在一定范围内有所提升;干式气体密封的仿生设计具有重要的实际意义.     

考虑磁头表面高度不连续性气膜润滑的数值模拟与有效算法

随着磁头滑块的飞行高度不断降低,给气体润滑方程的数值求解带来了诸如计算时间过长、甚至计算发散等方面的问题。为了获得1Tbit/in2的存储密度,磁头滑块尾部的最小飞行高度接近1.5nm。本文基于作者提出的修正气膜润滑方程的线性流率(LFR)模型,考虑磁头滑块表面高度的不连续性,建立了基于有限体积法的气膜润滑方程离散格式,并把网格自适应技术与多重网格法应用到离散方程的迭代算法中,发展了可模拟最小飞行高度为0.5nm时磁头滑块压力分布的数值模拟方法与有效算法。文中以一个具有复杂表面形状的磁头滑块为例,检验了计算方法与算法的有效性。数值结果表明:在磁头滑块最小飞行高度较低时,必须要考虑滑块表面高度的不连续性,否则就得不到收敛的数值计算结果;与FK-Boltzmann模型相比,LFR模型具有较高的计算效率,采用网格自适应技术与多重网格法能有效地提高求解气膜润滑方程的计算效率。     

范德华力对磁头/硬盘系统气体润滑特性的影响

通过数值方法分析范德华力对磁头承载力的影响以及随飞行姿态的变化规律.结果表明,范德华力主要作用在磁头滑块尾部的凸台上,当飞行高度低于10 nm后,范德华力使得滑块的承载能力明显降低,从而导致飞行高度下降.范德华力主要与飞行高度和俯仰角有关,随着飞行高度和俯仰角减小,范德华力使承载能力和俯仰转矩明显减小.范德华力对侧翻角的影响不敏感,随着侧翻角的增加,范德华力使滑块的承载能力和侧翻转矩略微减小.在磁头设计时,通过增加俯仰角和减小尾部凸台面积可以减小范德华力的影响.     

随动耦合变阶梯径向滑动轴承动力特征及稳定性的研究

用有限差分法循环迭代求解了随动耦合变阶梯结构径向滑动轴承油膜压力的雷诺方程和两阶段油膜耦合变阶梯结构的流量控制方程。在分析轴承油膜压力形成机量及静力特性的基础上,采用对位移和速度的小扰动法计算了轴承的动力特性系数,考察了运转参数对这种轴承承载特性、动力特性系数、等效刚度、界限涡动比以界限失稳转速的影响,结果发现合理地选择设计参数可以使这种轴承具有较好的静力特性、动力特性和稳定性。     

Spectral element analysis of herringbone‐grooved journal bearings with groove–ridge discontinuity

Many researchers have investigated the performance of herringbone‐grooved journal bearings (HGJBs). However, few have yet mentioned the issue of film thickness discontinuities in HGJBs with a finite number of grooves. Most studies have involved the application of a finite difference method for discretization. The present work utilizes the spectral element method to calculate the pressure distribution and dynamic coefficients of HGJBs, in which the thickness of the fluid film changes abruptly in the groove–ridge region. Conservation of mass is adopted to solve the problem. Additionally, the present method can be adopted for grooves with curvy geometry. The numerical results were compared with the analytical solution for a one‐dimensional slider bearing and an HGJB. It also shows that for the case of HGJB, the numerical result by the present method is more accurate than the numerical results found in the literature (Trans. ASME J. Tribol. 2000; 122 : 103–109, Int. J. Numer. Meth. Heat Fluid Flow 2002; 12 : 518–540). Furthermore, employing the present method with the Elrod algorithm can improve the accuracy of deriving loads of HGJBs when cavitation occurs. In addition, the result displays the efficiency of the present method by observing the CPU time. Therefore, the approach can be employed to compute the critical mass of a HGJB. The influence of changing groove angle, groove depth, groove width, and the eccentricity on the critical mass are discussed. Observing the variations in critical mass shows that when the eccentricity is small, a larger groove angle, a lower groove depth, and smaller groove width correspond to a higher critical mass of the HGJB. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

变阶梯结构自适应径向滑动轴承的研究

分析了变阶梯结构自适应径向滑动轴承膜压力的形成机理,并建立了二段油膜形耦合变形阶梯结构的流量控制方程,采用有限差分法交叉循环迭代求解了油压力的雷诺方程和变阶梯结构的流量控制方程,比较了设计参数对这咎径向滑动轴承的最小油膜厚度、压力分布、承载能力、摩擦阻力等性能和温升的影响,研究结果表明;合理地选择设计参数可以使得这种滑动轴承具有较好的润滑性能和承载特性。     

双剪统一弹塑性有限差分方法研究

基于拉格朗日有限差分方法,建立了双剪统一弹塑性有限差分计算格式,并利用VC++语言编写动态链接库文件将双剪统一弹塑性模型导入拉格朗日有限差分程序FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)中进行计算分析。双剪统一弹塑性有限差分方法可以模拟复杂应力状态下结构的渐进破坏,无需形成刚度矩阵,对于材料非线性问题无需进行迭代计算,因此在理论和工程应用中都有积极的意义。本文利用双剪统一弹塑性有限差分方法对拉压强度不等材料的厚壁圆筒受内压、中心带孔板条受拉压、条形基础下的地基极限分析及边坡问题进行了数值分析并与滑移线场等解析方法计算结果进行对比,结果均吻合较好。     

基于稀薄效应的微气体径向轴承稳态性能

针对微气体轴承给出参考努森数的定义,根据空气不同温度时的黏度,得到参考努森数的分布范围;考虑气体稀薄效应,给出基于Burgdorfer一阶滑移速度边界的微气体径向轴承润滑Reynolds方程的修正形式; 采用有限差分法求解修正的Reynolds方程,得到不同参考努森数$Kn_0$, 轴承数以及轴颈偏心率情况下轴承的压力分布、无量纲承载能力及偏位角. 数值分析表明:随气体稀薄程度的增强,气体径向轴承的压力明显降低,无量纲承载力降低,而轴承偏位角增大. 当偏心率小于0.6时,轴承偏位角变化平缓,受$Kn_0$数的影响不明显. 当轴承数较小时,气体稀薄程度对轴承的无量纲承载力、偏位角影响较小.