1987年,首台静电微电机由加州大学伯克利分校研制成功,从而标志着MEMS时代的到来,MEMS技术的巨大成功在旋转机械领域引发了一场微小型化革命,以加工微/纳米旋转机械结构和系统为目的的技术在此背景下应运而生,促进了微转子系统的长足发展,一直成为MEMS研究中的热点. 目前,微旋转机械的研究主要集中在微转子系统结构的加工工艺与制造、静态特性分析和测量方法等方面,而在微转子系统的动力学特性,尤其是在振动特性、摩擦磨损特性、动力润滑特性、动态测试和控制技术及可靠性等方面的研究还很少或尚未涉及.MEMS的问世和发展对转子动力学提出了新的挑战,加强对微转子动力学的理论和实验研究是一个迫切的课题.因此本课题的研究对促进微转子动力学的发展,加快微旋转机械应用和产业化的步伐,提高使用的工作效率和可靠性具有重要的学术和应用价值. 论文的研究内容涉及到微型旋转机械动力驱动及微尺度效应分析、不同类型微转子枢轴的摩擦磨损特性分析、典型静电微电机的微转子接触问题分析、微转子系统局部碰摩的非线性动力特性分析和微型径向气体轴承的动力特性分析.此外,对微尺度下的压膜阻尼特性、机电耦合作用和滑移机制等进行了相关的理论探讨和数值仿真,并对电磁型薄膜微电机的振动特性进行了相关的实验研究. 论文首先概述了微旋转机械的国内外研究现状,分析了各种不同动力驱动方式的特点,探讨了微尺度效应对各种动力驱动特性的影响,介绍了微旋转机械中可能出现的摩擦磨损问题及相关的解决方法,总结了微旋转机械的轴承动力润滑问题,分别分析了微型干摩擦轴承、电磁轴承和气体轴承的性能特性,并简述了微旋转机械的可靠性分析方法. 在微尺度下,静电、电磁、压电和热力驱动的动力驱动机理与传统的动力驱动相比具有较大的差异性.静电力具有较强的非线性特性,具体表现在其有吸合(Pull.in)效应、固有非线性特性、刚度软化特性和耦合非线性效应.以静电驱动为研究对象,建立了静电耦合驱动系统的动力学模型,分别以加载电压、频率比、压膜阻尼比等系统参数为控制参数,详细分析了系统的非线性动力学特性,结果表明,在参数激励和外激励耦合作用下,静电耦合非线性系统的响应呈现出较为丰富的非线性动力特性,随着激励电压加载大小与方式的不同,系统响应表现出周期运动、拟周期运动和混沌运动交替演变的过程.随着工作频率的增大,气膜阻尼系数逐渐减小,气膜刚度系数逐渐增大,滑流效应也会使气膜阻尼与刚度系数变小;另外,增大穿孔孔径可以减小气膜压力,气膜阻尼和刚度系数也相应减小,且压膜阻尼特性对耦合系统动力特性有着较大的影响.建立了压电驱动微型悬臂梁系统的动力学模型,采用Rayleigh-Ritz法对系统动力学方程进行降阶,对系统的前10阶模态频率和振型进行了有限元分析,分析结果表明:在微尺度下,MEMS悬臂梁具有高固有频率和质量因子的特性,在有无PZT作用时系统的前10阶模态频率和振型基本相似.此外,针对悬臂梁这一分布参数控制系统,进一步提出一种具有高增益观测器的反馈控制器,并通过数值仿真分析了在不同载荷电压、反馈增益及PZT位置等情况下的梁振动主动控制系统的频响特性,结果表明振动控制有较好的效果,验证了理论研究和控制器设计的合理性和有效性. 微尺度效应对摩擦与磨损特性都有一定的影响,随着尺度变小,弹性接触时的摩擦系数呈近似指数增大,塑性接触时的摩擦系数呈近似指数增大或减小:磨损系数随着尺度减小而减小,同一尺度时,随着分形维数D的增大,磨损系数也相应增大;当分形维数D逐渐趋于2时,随着尺度的增大,磨损系数近似于同一数值.为了研究微枢轴的动力特性,建立了微转子平端枢轴模型、锥形枢轴模型和球形枢轴模型等三种磨损模型,根据Archard定律,分析不同模型下的摩擦磨损特性,研究了不同工况下磨损率和摩擦力矩对微转子系统的影响,结果表明:平端枢轴模型所得线磨损率h/R和体积磨损率v/R<,3>.都和操作变量成线性关系,比例因子分别为π和π<'2>;锥形枢轴模型所得线磨损率h/R着锥度θ的增大而增加,体积磨损率v/R<'3>随着锥度θ的增大而减小,且当β<,0>变为90°时,线磨损率和体积磨损率与操作变量KPN成线性关系,系统等同于平端枢轴模型,变成线性的倾斜度;球形枢轴模型所得线磨损率h/R随着b的增大而增大,体积磨损率v/R<'3>随着b的增大而减小.针对微电机中典型的转子轴衬摩擦磨损问题,以半球形轴衬为研究对象,建立了滑动磨损模型和接触有限元模型(FEM),分析了微转子轴衬的摩擦磨损特性和轴衬.极板接触副的接触动力学特性,研究了接触副几何结构参数和操作参量对微转子系统摩擦磨损特性的影响,研究结果表明:微转子轴衬偏离转子中心的距离和转子轴衬的半径对线磨损率和体积磨损率的变化都有一定的影响,改变微转子轴衬的几何结构可用于改变系统的摩擦磨损行为,减小轴衬半径或增大轴衬偏离转子中心的距离可以减少摩擦磨损,但同时也会引起线磨损率和体积磨损率增大.基于M-B、分形磨损模型,建立了MEMS表面磨损率与分形维数之间的关系,对MEMS表面的磨损规律与表面特性进行相关研究,并就微转子的性能指标和材料选用进行了分析与讨论. 针对微转子-轴承接触问题,建立了微转子-轴承接触的数学模型和有限元分析模型,讨论了不同工况及摩擦状态下的接触应力、应变和接触压力分布,数值计算和有限元分析结果表明:静电微电机中静电力与接触宽度、几何参数和接触结构材料特性之间的关系较为密切,接触区的应力、应变呈近似半椭圆形分布,微尺度下接触区接触应力与应变的尺度效应均与尺度因子K无关,摩擦力是导致接触变形的一个重要因素,随着摩擦系数的增大,接触区von Mises应力、应变和接触压力也相应地增大,且都发生在接触区的边缘. 以Joffcott微转子系统为研究对象,建立了局部碰摩微转子系统的力学模型、微尺度分形摩擦模型和系统运动微分方程,应用微分方程稳定性与分岔理论,分析了Jeffcott微转子碰摩的稳定性和和分岔特性及系统参数对稳定域的影响,分别以微转子转速、偏心量、阻尼比、分形维数和尺度长度等系统参数为分岔参数及非线性碰摩力对微转子系统碰摩过程中的混沌和分岔运动进行研究,仿真分析及结果表明:当微转子发生碰摩时,微转子系统响应随着转速、偏心量、阻尼比、分形维数和尺度长度及非线性碰摩力的变化,系统响应是周期运动、拟周期运动和混沌运动交替变化的过程;随着转速的变化,系统在低速区和超高速区碰撞运动相对平稳,在中高速区碰摩运动较为剧烈;随着偏心量的增大,系统响应以拟周期运动和混沌运动为主要运动形式,系统响应由周期1运动进入拟周期运动,再又从拟周期运动进入混沌运动,最后又进入拟周期运动的交替过程:微转子响应随着阻尼的变化,经历了交替由拟周期运动和混沌运动进入周期运动的过程,阻尼较小时,微转子响应以拟周期和混沌运动为.主,随着阻尼的增大,系统响应从拟周期和混沌演变为周期1运动,阻尼的增大可以加强微转子周期运动的稳定性;分形维数说明了微尺度下粗糙表面对碰摩微转子系统响应的影响,系统响应经历了由拟周期运动演变为周期1运动的过程,且过程中还伴随着倍周期运动;尺度长度的变化对摩擦系数具有一定的影响,其结果直接影响碰摩擦微转子系统的响应,在低尺度长度范围内,随着摩擦系数的增大,碰摩现象将会变得越来越明显.因此,随着摩擦系数的增大,微转子系统发生碰摩的可能性越来越大;增大阻尼可以抑制微转子系统发生碰摩的可能性,减小偏心量、摩擦系数或静子径向刚度也可以减少微转子系统碰摩的发生. 充分考虑微尺度下的滑移边界条件,利用数值计算方法对径向气体轴承的雷诺方程进行修正求解,得到了轴承内部真实的气压分布,进而得到微型气体轴承的承载能力和偏位角.通过与宏观无限短轴承模型的结果进行对比分析,发现滑移效应对轴承动力特性的影响较大.宏观无限短轴承模型和无滑移边界模型均会高估气体轴承的承载能力,特别是偏心率较高时(ε>0.6),产生的偏差更大;微转子系统在高速或超高速工况下运转,可提高气体轴承的气压和承载能力. 实验分析结果表明:不论是2mm还是6mm的电磁型薄膜微电机,在较长时间的运转过程中都会出现较为严重的摩擦,产生发热问题,使得系统运行时间不能过长;随着微转子转速的升高,摩擦力增大,定转子间发生碰撞作用,未发生碰摩的时间和发生碰摩时的接触时间越来越短,碰摩越来越频繁,随着碰摩的不断加重,系统出现严重的发热现象,转速很难提高. 本文的研究方法和结论对认识并发展MEMS微转子系统的尺度效应、摩擦磨损特性、非线性动力学特性、轴承动力润滑特性及振动特性测试等方面具有一定的参考价值.