臺灣博碩士論文加值系統

本文研發包括液靜壓軸承系統及其薄膜節流器。其工作原理乃根據軸承，因外力致使間隙變化所造成的壓力變化，從而引發薄膜節流器的薄膜變形，使得節流間隙及液阻發生改變，進而改變油液流量以補償外力變化。本研究首先進行液靜壓軸承之規範設定薄膜節流器結構。
其次利用有限差分法求解描述液體軸承間隙壓力分佈之雷諾方程式，結合「質量守恆定律」可求出正確的油室壓力值，從而得到液靜壓系統相關性能，如孔口流量、壓力分佈、承載能力和剛性等。
最後配合Newmark integration method 解析具薄膜節流器之液靜壓軸承系統之動態方程式，利用Matlab軟體撰寫程式，藉以了解軸承系統及薄膜節流器之系統動態特性，模擬外力的變化對薄膜節流器之性能檢測，以印證有限差分理論分析之結果。

The purpose of this thesis is to develop membrane restrictors for a hydrostatic bearing ststem. We use a hydrostatic bearing in recess due to a gap variation which causesd pressure differences and membrane deformation. As a result, the gap and hydrostatic resistance changed and the output pressure and flow rate to oil gained compensation. Firstly, we analyze the membrane restrictors for the hydrostatic bearing structure design.
In the theoretical analysis , to make use of Finite Difference Method, to solve the Reynolds equation, the bearing system was also developed to perform the clearance variable、orifice flow rate、pressure distribution、load capacity、stiffness of the hydrostatic bearing of a pocket.
Finally, the Newmark integration method and the Finite Difference Method, which takes into account the equilibrium of the mass flow rate and the squeeze film effect, are used to analyze the time-dependent dynamic behaviors at each step. We combine both of them in order to analyze the dynamic characteristics of the hydrostatic bearing as well as the table, in order to design the table supported by hydrostatic bearing system.

口試簽名頁 I
博碩士論文授權頁 II
中文摘要 III
Abstract IV
謝誌 V
目錄 VI
圖目錄 X
符號說明 XVI
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 4
1-3 文獻回顧 7
1-3-1 薄膜節流器設計部分 7
1-3-2 液靜壓性能數值計算部分 8
1-3-3 專利分析部分 9
1-4 研究方法 13
1-5 論文架構 15
第二章 薄膜節流器設計理論 16
2-1 薄膜節流器之基本類型與構造 18
2-1-1 單向薄膜反饋節流器 18
2-1-2 雙向薄膜反饋節流器 18
2-1-3 懸臂式薄膜反饋節流器 19
2-1-4 小結 20
2-2 薄膜節流器之設計 21
2-2-1 薄膜節流器液阻公式 21
2-2-2 平面軸墊液阻公式 22
2-2-3 薄膜節流器與平面軸墊液阻比 23
2-2-4 工作狀態下的油腔壓力 24
2-2-5 工作狀態下的液阻比 24
2-2-6 薄膜變形量計算公式 25
2-2-7 工作狀態和設計狀態之節流台間隙 與 25
2-2-8 平面軸墊承載力 26
2-2-9 工作狀態下的油膜厚度 26
2-2-10 油膜剛度 27
2-2-11 薄膜節流器設計流程 29
2-3 薄膜節流器之形式 30
2-3-1 形式一 30
2-3-2 形式二 31
2-3-3 形式三 33
第三章 液靜壓轉盤之承載軸承理論分析 35
3-1 液靜壓承載軸承理論 35
3-1-1 雷諾方程式 36
3-1-2 有限差分求解雷諾方程式 37
3-1-3 流量連續方程式 41
3-2 小孔節流之平面軸墊性能分析 43
3-2-1 小孔節流之平面軸墊有限差分法性能分析 43
3-2-2 小孔節流之平面軸墊性能分析結果與討論 47
3-3 薄膜節流之平面軸墊性能分析 48
3-3-1 薄膜節流之平面軸墊有限差分法性能分析 48
3-3-2 薄膜節流之平面軸墊性能分析結果與討論 50
3-4 薄膜節流之環形軸墊性能分析 54
3-4-1 薄膜節流之環形軸墊有限差分法性能分析 54
3-4-2 環形軸墊性能分析結果與討論 57
第四章 薄膜節流器實驗分析與液靜壓轉盤加工製造 68
4-1 單一薄膜節流器實驗 68
4-2 實驗設備 69
4-2-1 壓力感測器 69
4-2-2 流量感測器 71
4-2-3 溫度感測器 72
4-2-4 資料擷取器 72
4-3 實驗結果 73
4-3-1 單一薄膜節流器量測結果 73
4-4 液靜壓轉盤加工製造 78
第五章 具薄膜節流之液靜壓承載軸承動態分析 81
5-1 Newmark integration method 81
5-1-1 建立運動平衡方程式 84
5-2 動態性能計算結果與討論 86
5-2-1 具薄膜節流之平面軸墊動態分析 86
5-2-2 改變節流器設計參數之平面軸墊動態分析 90
5-2-3 具薄膜節流旋轉工作台之承載軸墊動態分析 93
第六章 結論與未來展望 97
6-1 結論 97
6-2 未來展望 98
參考文獻 100

表目錄
表1.1旋轉工作台的三種型式比較 3
表1.2液靜壓旋轉工作台規格 5
表1.3 專利蒐集分析的背景設定 9
表1.4 所蒐集與分析薄膜節流器專利 10
表1.5 專利文獻分類表 11
表1.6 專利目的分析表 11
表1.7 薄膜節流器技術/功效矩陣表 12
表2.1液靜壓軸承常見的節流器形式 16
表3.1液靜壓平面矩形軸承計算結果比較表 48
表3.2 薄膜節流之液靜壓旋轉工作台相關參數 57
表4.1 壓力感測器HUBA CONTROL AG (型號：511) 特性表 70
表5.1 動態分析相關條件設定 90

圖目錄
圖1.1 供油系統架構(軸承) 1
圖1.2 Acciona公司之風力發電機 2
圖1.3液靜壓旋轉台於大型加工機之應用 3
圖1.4 薄膜節流之液靜壓系統示意圖 4
圖1.5單一薄膜節流器測試台示意圖 6
圖1.6薄膜節流器技術/功效雷達圖 12
圖1.7 研究方法架構圖 14
圖2.1各節流器軸承載重w和軸承間隙關係圖 17
圖2.2 單向薄膜反饋節流器(剖面圖) 18
圖2.3 雙向薄膜反饋節流器(剖面圖) 19
圖2.4 懸臂式薄膜反饋節流器(剖面圖) 20
圖2.5 薄膜節流器示意圖 21
圖2.6薄膜節流之液靜壓平面軸墊示意圖 22
圖2.7 平面軸墊結構尺寸示意圖 (a)扇形軸墊 (b)矩形軸墊 23
圖2.8 壓力比與間隙比關係圖 28
圖2.9 薄膜節流器設計流程 29
圖2.10形式一之示意圖 30
圖2.11 液阻示意圖 31
圖2.12形式二之示意圖 31
圖2.13 環狀矩形溝槽示意圖 32
圖2.14 液阻串並聯示意圖 32
圖2.15形式三之示意圖 33
圖2.16 液阻串並聯示意圖 34
圖3.1 程式發展流程圖 35
圖3.2油膜壓力產生的動態效應 36
圖3.3中心差分關係圖 37
圖3.4一個油室所流出的流量 42
圖3.5有限差分計算液靜壓平面矩形軸承性能流程 43
圖3.6油膜間隙一定的液靜壓平面矩形軸承與邊界條件 44
圖3.7利用流量連續方程式計算軸承油室壓力值流程圖 45
圖3.8 液靜壓平面矩形軸墊之油膜壓力分佈示意圖 45
圖3.9 文獻例題軸墊尺寸 47
圖3.10 文獻例題之平面矩形軸墊壓力分佈圖 47
圖3.11 薄膜節流之液靜壓平面軸墊示意圖 48
圖3.12 薄膜節流之軸承計算油室壓力值流程圖 49
圖3.13 薄膜節流之矩形軸墊結構示意圖 50
圖3.14 薄膜節流器之軸墊壓力分佈圖 50
圖3.15 軸墊間隙和節流台間隙關係圖 51
圖3.16 小孔節流之矩形軸墊承載力、剛性和軸墊間隙關係圖 52
圖3.17 薄膜節流之矩形軸墊承載力、剛性和軸墊間隙關係圖 52
圖3.18 小孔節流和薄膜節流之剛性比較圖 53
圖3.19 薄膜節流之環形軸墊示意圖 54
圖3.20環形軸墊之油室邊界條件 55
圖3.21環形軸墊之單一油室流量示意圖 55
圖3.22扇形軸墊壓力分佈圖 58
圖3.23不同潤滑油種類工作間隙與承載力關係圖 59
圖3.24不同潤滑油種類工作間隙與節流台間隙關係圖 60
圖3.25不同潤滑油種類工作間隙與剛性關係圖 61
圖3.26 改變節流台設計間隙示意圖 62
圖3.27 薄膜作動之示意圖 63
圖3.28不同節流台設計間隙之工作間隙與節流台間隙關係圖 63
圖3.29不同節流台設計間隙之工作間隙與剛性關係圖(25~35μm) 64
圖3.30 改變薄膜厚度示意圖 65
圖3.31不同膜片厚度之工作間隙與節流台間隙關係圖 65
圖3.32不同膜片厚度之工作間隙與剛性關係圖 66
圖3.33膜片厚度0.1mm~0.3mm之工作間隙與剛性關係圖 66
圖4.1 單一薄膜節流器實驗架構圖 68
圖4.2 壓力感測器實體照片 70
圖4.3流量感測器實體照片 71
圖4.4溫度感測器搭配自製轉接頭 72
圖4.5資料擷取器實體照片 72
圖4.6本實驗室薄膜反饋節流器量測實驗照片 73
圖4.7薄膜節流器形式三實體圖 74
圖4.8 Hyprostatik薄膜節流器 75
圖4.9本實驗室開發薄膜反饋節流器實驗照片 75
圖4.10本實驗室開發薄膜反饋節流器實驗照片 76
圖4.11本實驗室開發薄膜反饋節流器實驗照片 76
圖4.12形式三薄膜節流器特性圖 77
圖4.13 Hyprostatik之薄膜節流器特性圖 77
圖4.14 液靜壓旋轉工作台組合圖 78
圖4.15 液靜壓旋轉工作台之油腔結構 78
圖4.16 液靜壓旋轉工作台承載軸承實體圖 79
圖4.17 液靜壓旋轉工作台徑向軸承實體圖 79
圖4.18 液靜壓旋轉工作台油腔結構實體圖 (a)承載軸承(b)徑向軸承 80
圖4.19 液靜壓旋轉工作台實體圖 80
圖5.1 Newmark運算程序架構 83
圖5.2 液靜壓系統動態分析示意圖 84
圖5.3 動態模擬流程圖 85
圖5.4 具薄膜節流之平面軸墊系統動態分析示意圖 86
圖5.5薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(h0=16μm) 87
圖5.6薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(h0=18μm) 87
圖5.7薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(h0=20μm) 88
圖5.8薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(h0=22μm) 88
圖5.9薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(不同油膜間隙h0) 89
圖5.10薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(不同油液種類) 91
圖5.11薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(不同節流台間隙) 92
圖5.12薄膜節流之平面軸墊振幅變化情形(不同膜片厚度) 93
圖5.13 具薄膜節流旋轉工作台之系統動態分析示意圖 93
圖5.14 液靜壓旋轉工作台之承載軸墊振幅變化情形(不同油液種類) 94
圖5.15 液靜壓旋轉工作台之承載軸墊振幅變化情形(不同節流台間隙) 95
圖5.16液靜壓旋轉工作台之承載軸墊振幅變化情形(不同膜片厚度) 96

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