非接触悬浮技术在医疗器械、精密制造和航空航天等领域有着广泛的应用价值。该技术给机械行业的发展带来了巨大的机遇和挑战。气体悬浮技术因其具有摩擦阻力小、结构简单、易于维护和散热性好等优点被认为是适用于高精密、高转速和高温情况下的理想非接触悬浮技术。尽管气体悬浮技术的优点很明显,但是气体较小的粘度使得其承载能力相对较低。另外气体悬浮技术对加工精度要求较高,其性能容易受到表面加工特性的影响。针对上述问题,本文提出在相对运动的表面刻槽来改善气体动压与挤压悬浮的承载能力和悬浮性能。同时,建立表面粗糙度和表面加工误差模型来分析表面加工精度对微型尺寸下的气体动压悬浮特性的影响。本文的主要研究内容和成果概括为如下几点:以微型球面刻槽轴承为对象,研究微观尺寸下的气体动压悬浮特性。根据微型球面刻槽轴承的形状和结构特点,选择合适的滑移流速度边界条件,建立稀薄气体润滑的雷诺方程。为了降低表面刻槽所带来的气膜厚度不连续对求解精度的影响,首先通过两次坐标变化将雷诺方程转换到斜坐标系下,使槽的边界平行于求解域的边界,以确保在网格划分的时候槽的边界正好处在网格线上。然后对雷诺方程在求解域内的单位面积上进行积分,并用格林公式将面积分转换为线积分,从而实现雷诺方程的降阶。最后在划分好的网格上采用八点差分法对降阶后的雷诺方程进行离散,并利用牛顿迭代法计算出气膜压力。由于每个压力点都是由其周围的八个气膜厚度点求解得到,所以该计算方法可以明显地降低气膜厚度不连续对求解精度的影响。通过对比文献中的实验结果验证了该方法计算结果的准确性。最后利用小扰动法得到球轴承的动态雷诺方程,并利用与静态方程一样的求解方法得到球面刻槽轴承的动态特性系数。通过分析发现滑移流会降低球轴承的承载能力,螺旋槽不仅会增大轴承的承载能力还会影响轴承的动态参数。以球面刻槽轴承为对象,研究气体动压悬浮的温度特性。根据球面轴承的形状特点,首先建立球坐标系下的能量方程。考虑温度、压力、气体粘度和密度之间的相互影响,通过耦合迭代雷诺方程和能量方程得到最终稳定的压力和温度分布。对能量方程的求解无需进行降阶。所以,在能量方程求解过程中将气膜厚度的网格密度修改为与压力的相同,从而可以确保能量方程中温度、压力和气膜厚度三者的网格统一。在研究微轴承的热流体动压润滑特性中,引入受到稀薄效应影响的气体粘温特性,同时利用分形原理建立表面粗糙度并将其耦合到气膜厚度中。通过分析发现表面粗糙度会导致轴承的摩擦力矩上升从而增大温度的影响,而稀薄效应对粘温特性的影响将导致轴承的承载能力在考虑温度的情况下会降低。当球轴承的尺寸增大到宏观级别时,轴承的线速度会显著增大,从而使得轴承的温升变得更加明显。控制轴承内部的能量分布,并优化槽的结构来控制能量的流动能明显地抑制温度的上升。采用光刻技术加工微型气浮轴承时,其深度的垂直方向容易出现加工误差。为了研究微观尺寸下的气体动压悬浮特性受表面加工误差的影响,以微型柔性支承可倾瓦轴承为对象,考虑Bow和Taper这两种在光刻技术中常见的表面加工误差,同时耦合气体稀薄效应的影响。建立瓦块受气压影响的运动方程,并将瓦块的运动耦合到气膜厚度中。分析轴承的静态特性,考虑瓦块的静变形;分析轴承的动态特性,考虑瓦块在其运动方向上的扰动;分析轴承的非线性特性,考虑瓦块运动特性随时间的变化关系。改变误差的高度、预载荷和转子的质量来改变误差的大小相对于轴承间隙的关系。研究发现,表面加工误差会降低轴承的承载能力、动态特性系数和稳定性。预载荷可以提高轴承的性能,但是大预载减小了轴瓦和转子之间的可变化范围从而使得轴承的性能对表面加工误差更加敏感。基于近场声悬浮原理建立气体挤压悬浮系统,研究表面刻槽对气体挤压悬浮的影响。考虑圆形激振板的柔性变形建立圆柱坐标系下的挤压气体雷诺方程。为了确保激振板的振幅最大,对其进行模态分析,选择让激振板在其共振频率下工作。通过有限元分析和实验验证,最终选用激振板的二阶共振频率既能保证激振板具有大的能量输出,又能防止系统因能量输入过大而出现危险。由于槽刻在激振板上会导致其共振频率发生改变,为了保证可比性,选择将槽刻在悬浮板上。对挤压雷诺方程也是先进行坐标变换和降阶处理,然后采用八点差分离散求解。通过数值分析和实验研究发现压力分布会受到激振板的模态振型和悬浮板表面所刻槽的影响。径向槽具有将高压气体导出间隙的作用从而会降低悬浮力,而周向槽具有储存高压气体的作用从而能够提高悬浮力。改变周向槽的个数、深度和宽度等参数能够获得更好的悬浮效果。将圆形的激振板改为矩形的导轨得到挤压与动压耦合作用下的直线气浮导轨。建立包含气体挤压、动压和加速度特性的雷诺方程。将槽仍然刻在悬浮板上来研究表面刻槽的影响。利用有限元法计算出导轨的共振频率,并对比实验测得的结果。选择导轨在共振频率下振动,确保实验过程中得到纯度较高的行波和驻波。通过实验测得悬浮板在驻波情况下的悬浮高度和行波情况下的位移时间关系,并与计算得到的结果进行对比。研究发现当悬浮板上所刻槽的长度垂直于波的传播方向时可以提高悬浮能力和传输能力。以槽长垂直于波的传播方向为研究对象,改变槽的深度、个数、宽度以及长度等参数,发现这些参数都存在最优值使得承载能力和传输能力达到最大。综上所述,本文所研究的表面特性对动压和挤压气体悬浮技术的影响是多方面的。通过表面刻槽可以提高气体的动压效应从而改善气体动压悬浮的承载能力和温度特性。根据挤压激振板和传输导轨表面波形的特点,也可以通过表面刻槽来提高悬浮与传输能力。但是表面粗糙度和表面加工误差却会明显地抑制气体动压悬浮的性能。所以为了提高气体动压和挤压悬浮特性,在表面加工出规则的槽是一项简单适用而又非常有潜力的方法。同时也需要提高加工精度,并确保相对运动的表面具有较低的粗糙度和加工误差。