顏瑞和臺灣大學：機械工程學研究所陳建佑Chen, Chien-YouChien-YouChen2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61507本研究分析人字形溝槽之液體動壓頸軸承的動態特性。由寬頻元素法解雷諾方程式，對溝槽的溝岸交界處之處理比有限元素法更有效率。解雷諾方程式可得出人字形溝槽頸軸承的液膜壓力，與軸承承載，進而代入非線性運動方程式解出轉軸新的位置，可以更加了解軸承動態過程。運動方程式，是以Adams-Moulton法計算出新的位置，經過迭代可求出轉軸的軌跡。由軌跡就可判斷轉軸是否達到穩態，或是與襯套接觸導致損壞，可作為動態穩定性分析的依據。此外對不同的初始穩定點加一突然外力，可判斷抗震的程度；並考慮質量偏心存在時對穩定性的影響。本研究以軌跡及作用力為判斷穩定性的根據，比較不同的溝槽參數，以作為設計溝槽最佳化的參考。結果對於含小型主軸馬達的硬碟及光碟機等精密機械很有幫助，在下一世代的資訊儲存扮演重要的角色。The objective of the study is to investigate dynamic characteristics of grooved journal bearing. The hydrodynamic forces are obtained from the bearing pressure distribution, which is solved from Reynolds equation at each position. The spectral element method is applied to increase the accuracy at the grooved boundary. The trajectories are computed from nonlinear equation of motion analysis, including impulse force and mass unbalance. The stability characteristics of journal bearing system are observed from trajectory and fluid film forces for various geometry parameters, such as groove angle, groove depth ratio, and length-to-diameter ratio. Results show the optimum parameters based on the stability and impulsive force. The effect of mass unbalance will increase the possibility of whirling motion, which is the instability factor of dynamic performance in journal bearing system.中文摘要 I 英文摘要 II目錄 III 圖目錄 V 表目錄 VIII 符號說明 IX 第一章 緒論 1-1 研究背景 1 1-2 研究目的 4 1-3 文獻回顧 6 1-4 研究方法 11 第二章 統御方程式與穩定性分析 2-1 統御方程式 13 2-2 軸承非線性動態方程式與軌跡穩定分析 18 第三章 數值方法 3-1 統御方程式的離散化 20 3-2 邊界項的處理 23 3-3 格點系統 24 3-4 迭代動態方程式 25 第四章 數值方法驗證 4-1 Poisson 方程式 27 4-2 格點獨立測試 28 4-3 動態軌跡之驗證 29 4-4 穩定性之驗證 30 4-5 含溝槽面之軸承流場 32 第五章 動態分析與應用 5-1 液體動壓軸承動態分析 34 5-2 人字形溝槽之頸軸承穩定性分析 36 5-3 人字形溝槽之突加外力穩定性分析 38 5-4 人字形溝槽之質量偏心效應 41 第六章 結論與建議 44 參考文獻 47 圖1-1 液體動壓軸承在資訊產業的應用 51 圖1-2 硬碟機液體動壓軸承概圖 51 圖1-3 人字形液體動壓頸軸承透視圖 52 圖1-4 全液膜條件壓力曲線圖 52 圖2-1 頸軸承之潤滑模式 53 圖2-2 頸軸承剖面示意圖 53 圖2-3 頸軸承中，沿轉軸之圓周方向所作之展開圖 54 圖2-4 溝槽建立於襯套之頸軸承流場模式(PJGS) 54 圖2-5 判斷軸承軌跡之形式 55 圖3-1 實際座標到計算座標的轉換 55 圖3-2 含溝槽面之二維流場於P點時，單位寬度之流量示意圖 56 圖3-3 ARMD軟體的網格系統 56 圖3-4 各式的網格系統 57 圖4-1 Poisson方程式測試例的計算區域及網格分佈 57 圖4-2 Poisson方程式測試例誤差 58 圖4-3 無因次化之負載值格點獨立測試 59 圖4-4 動態穩定點之模擬結果 60 圖4-5 軸承隨時間在不同方向之受力情形 60 圖4-6 不同初始位置與穩定位置的關係 61 圖4-7 轉軸突然啟動對軌跡的影響 61 圖4-8 位置擾動穩定性驗證 63 圖4-9 外力穩定性驗證 63 圖4-10 人字形溝槽外型(沿圓周方向展開) 64 圖4-11 人字形溝槽 64圖4-12 比較[16]在不同溝槽寬度比下之負載值 65 圖4-13 比較ARMD在不同溝槽深度比下之姿態角 66 圖 5-1 溝槽角度對穩定性的影響 67 圖 5-2 溝槽角度對橫向力的影響 68 圖 5-3 軸承長寬比對穩定性的影響 68 圖 5-4 軸承長寬比對橫向力的影響 69 圖 5-5 溝槽深度比對穩定性的影響 70 圖 5-6 溝槽深度比對橫向力的影響 71 圖 5-7 溝槽寬度比對穩定性的影響 71 圖 5-8 溝槽寬度比對橫向力的影響 72 圖 5-9 溝槽角度對外力穩定性的影響 73 圖 5-10 溝槽角度對外力穩定性切線力的影響 74 圖 5-11 軸承長寬比對外力穩定性的影響 75 圖 5-12 軸承長寬比對外力穩定性切線力的影響 76 圖 5-13 軸承深度比對外力穩定性的影響 76 圖 5-14 軸承深度比對外力穩定性切線力的影響 77 圖 5-15 溝槽長寬比對外力穩定性的影響 78 圖 5-16 溝槽長寬比對外力穩定性切線力的影響 79 圖 5-17 位置擾動軌跡 79 圖 5-18 偏心比變化 80 圖 5-19 液膜切線力變化 80 圖 5-20 位置擾動軌跡 81 圖 5-21 偏心比變化 81 圖 5-22 液膜作用力變化 82 圖 5-23 位置擾動軌跡 82 圖 5-24 偏心比變化 83 圖 5-25 液膜作用力變化 83 圖 5-26 質量偏心切線力變化比較 84 表4-1 格點獨立測試之軸承外型及操作條件 58 表4-2 動態穩定點模擬測試之軸承外型及操作條件 59 表4-3 動態穩定性分析軸承參數 62 表4-4 魚尾狀溝槽軸承的外型及操作條件資料 65 表5-1 實例模擬之操作條件 66 表5-2 最佳化參數比較 73en-US寬頻元素法液體動壓頸軸承人字形溝槽動態分析穩定性分析spectral element methodstabilityhydrodynamic grooved bearingmass unbalancedynamic analysisthesis