张小青，司丽娜，刘玉德

(1.北京工商大学 材料与机械工程学院，北京 100048；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

1 概述

随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)技术的快速发展以及微加工工艺的日趋成熟，微动力机电系统(Power MEMS)应运而生并成为研究热点[1]。典型Power MEMS器件如图1所示，包括微涡轮发电机、微涡轮泵及微涡轮充电器[2]。这些器件通过微加工技术由硅片制作而成的，都具有微空气轴承。为了达到高能量密度要求，旋转部件的转速非常高，其叶尖速度要达到300～600 m/s[3-4]。空气润滑轴承因具有摩擦因数小、几乎无磨损、无污染、结构相对简单以及与微加工技术兼容等优点，成为支承Power MEMS微旋转器件的最佳选择[1]。

图1 典型硅基Power MEMS器件[2]

将空气润滑轴承应用于Power MEMS面临着许多亟待解决的问题。微空气径向轴承的气膜厚度为几微米到十几微米，气体稀薄效应非常明显[5-7]。微空气轴承-转子系统的转子转速极高，气体可压缩性明显[5]，其非线性动态特性非常复杂[8- 9]。在常规轴承-转子系统中，与轴承气膜承载力相比，黏性摩擦力非常小，可以忽略不计。微空气轴承为超短轴承，轴承宽度与硅片厚度相等，一般为几百微米[10-11]，其直径等于转子直径 ，在毫米量级，故轴承的宽径比(0.05～0.1)较常规轴承低一个数量级以上，由于尺度效应，作为表面力的黏性摩擦力和作为体积力的气膜承载力在同一数量级，不可忽略。下文采用考虑稀薄效应的超薄气膜润滑(Molecular Gas-film Lubrication，MGL)模型[12-13]，与考虑黏性摩擦力的运动学方程耦合求解，研究高效的数值模拟方法，探讨超短微空气径向轴承的非线性动力学特性。……