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硬盘加载与卸载及冲击过程中的动力学和摩擦学特性研究

作　者: 魏浩东
导　师: 姜洪源
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 硬盘驱动器加载/卸载空气轴承雷诺方程冲击
分类号: TP333.35
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

硬盘驱动器作为主要存储媒介,是依靠磁头与硬盘之间的相互作用来实现数据存储与交换的。随着对大容量硬盘需求的不断提高,以及在使用过程中经常受到意外冲击等因素,对硬盘驱动器中的磁头/磁盘界面工作的稳定性和可靠性提出了更苛刻的要求。应用斜坡加载/卸载(ramp load/unload,简称L/UL)技术的硬盘驱动器,有助于提高硬盘驱动器的抗振动和抗冲击能力。因此,研究硬盘驱动器的磁头/磁盘界面动力学和摩擦学,准确预测加载/卸载、冲击和振动扰动下硬盘驱动器的动力学性能,对延长硬盘驱动器的使用寿命,提高硬盘在冲击环境下磁头/磁盘界面可靠性,实现硬盘驱动器的优化设计,具有重要的意义。本文主要对磁头的飞行高度及相关的磁头与盘片的摩擦学和动力学进行研究,基于纳米摩擦学的相关原理,确定在加载及卸载过程中影响磁头运动稳定性和可靠性的相关因素,分析此过程中磁头悬臂与其支承装置之间的摩擦学特性,基于磁头/磁盘系统对内部干扰和外部激励的动态响应性能的分析,从接触面的形成、接触区的压力分布、空气轴承的形成与失效、接触面摩擦磨损的形成等角度,对加载/卸载机制下这些因素对磁头及浮动块的动力学特性的影响进行理论和实验研究。针对磁头/磁盘界面纳米级间隙下的稀薄气体润滑问题,借助于稀薄气体修正的雷诺方程,提出了基于PDE模块的快速、准确求解超薄气体润滑雷诺方程的数值方法,对硬盘驱动器中的磁头/磁盘系统工作界面上产生的空气轴承气体压力分布进行分析,得出了正压型轴承和负压型轴承在稳态工作下的动压特性,以及在加载/卸载和冲击过程中空气轴承的瞬态特性,总结出空气轴承气膜压力分布对硬盘动态特性的影响。考虑到磁盘与浮动块、提升臂与斜坡、浮动块与悬臂凹坑之间的摩擦、接触和碰撞等因素的影响,建立了悬臂斜坡加载/卸载的动力学模型,并数值仿真研究硬盘驱动器斜坡加载/卸载的动力学特性,利用赫兹接触理论建立纳米尺度下的磁头悬臂(提升臂)与斜坡(Ramp)接触的力学模型,仿真研究了不同的加载/卸载速度、斜坡倾角、斜坡过渡圆角、提升臂与斜坡之间接触刚度和提升臂圆角等因素,对磁头悬臂与斜坡接触和摩擦特性的影响,为正确选择斜坡元件材料及优化斜坡工作表面形貌提供依据,进而提高磁头在加载/卸载过程中运动的平稳性,减少磁头与盘片发生撞击的几率。研究磁盘驱动器加载/卸载机制的冲击特性。建立了磁头、悬臂和磁盘系统的抗冲击动力学模型,使用MATLAB和COMSOL联合仿真数值研究磁盘驱动器的抗冲击特性,确立了冲击脉冲宽度和冲击加速度峰值对硬盘磁头飞高和内部各组件之间接触特性的影响,确定特定转速及预载荷下磁头/磁盘界面失效(即磁头和磁盘之间发生撞击)的极限外界冲击载荷,对系统承受的外界冲击载荷极限进行预测。硬盘驱动器整体的有限元模型,研究了冲击脉冲时间和脉冲幅值对硬盘驱动器在非工作状态下内部组件之间的接触特性的影响。研制了用于测量加载/卸载过程中磁头悬臂摩擦学特性的两向力传感器,设计了磁盘驱动器加载/卸载机制特性试验台。实验研究了不同的加载/卸载速度及斜坡倾角等参数对加载/卸载过程中悬臂组件的摩擦学特性的影响,借助于纳米级激光位移传感器和高速摄像机,研究了硬盘驱动器在加载/卸载过程中浮动块和悬臂的动态特性,对数值仿真结果进行了验证。测得了磁头悬臂组件的刚度和结构阻尼,完善了动力学模型。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-30
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  14-15
  1.2 硬盘主要组成结构  15-19
  1.3 硬盘技术研究现状  19-28
    1.3.1 磁头/磁盘界面气体润滑  19-22
    1.3.2 硬盘加载/卸载技术  22-26
    1.3.3 硬盘抗冲击性能  26-28
  1.4 本文的主要研究内容  28-30
第2章气体润滑理论及雷诺方程的数值求解  30-53
  2.1 引言  30
  2.2 磁头/磁盘界面的气体润滑和雷诺方程的修正  30-34
  2.3 磁头/磁盘界面超薄气体润滑雷诺方程的求解  34-38
    2.3.1 有限差分法  34-35
    2.3.2 基于PDE 方法的雷诺方程求解  35-38
  2.4 计算精度分析  38-40
  2.5 磁头/磁盘界面的气膜力的稳态特性  40-45
    2.5.1 平板型浮动块的压力分布  41-42
    2.5.2 双轨型浮动块的压力分布  42-44
    2.5.3 负压型浮动块的压力分布  44-45
  2.6 磁头/磁盘界面的气膜力的瞬态特性  45-48
    2.6.1 Tri-pad 正压型轴承的瞬态特性  45-47
    2.6.2 Tri-pad 负压型轴承的瞬态特性  47-48
  2.7 表面形貌对气膜的影响  48-52
    2.7.1 粗糙度对气膜压力的影响  49-50
    2.7.2 波纹度对气膜压力的影响  50-51
    2.7.3 单凸起接触气膜压力特性  51-52
  2.8 本章小结  52-53
第3章硬盘驱动器冲击特性研究  53-77
  3.1 引言  53
  3.2 硬盘冲击的动力学建模  53-56
  3.3 动力学模型中参数的确定  56-61
    3.3.1 等效刚度和等效质量的确定  56-57
    3.3.2 磁头/磁盘界面的接触  57-58
    3.3.3 凹坑与浮动块的接触  58-59
    3.3.4 磁盘振动参数  59-61
  3.4 硬盘驱动器在工作状态下的冲击仿真  61-66
    3.4.1 数值方法  61-62
    3.4.2 仿真结果  62-64
    3.4.3 冲击加速度幅值的影响  64-65
    3.4.4 冲击脉宽的影响  65-66
  3.5 硬盘驱动器冲击特性的有限元仿真  66-75
    3.5.1 有限元模型及参数设定  66-69
    3.5.2 仿真结果与分析  69-75
  3.6 本章小结  75-77
第4章硬盘驱动器的加载/卸载动力学  77-95
  4.1 引言  77
  4.2 动力学模型的建模  77-80
    4.2.1 硬盘的加载/卸载机构  77-78
    4.2.2 硬盘加载/卸载动力学模型的建立  78-80
  4.3 动力学模型中参数的确定  80-85
    4.3.1 提升臂与凹坑悬臂的耦合刚度确定  80-81
    4.3.2 提升臂与斜坡元件的接触模型  81-85
  4.4 加载/卸载动力学仿真及参数优化  85-93
    4.4.1 加载/卸载特性仿真  85-88
    4.4.2 加载/卸载速度的影响  88-89
    4.4.3 接触刚度的影响  89
    4.4.4 斜坡圆角的影响  89-90
    4.4.5 斜坡倾角的影响  90-91
    4.4.6 提升臂圆角的影响  91
    4.4.7 空气轴承挤压特性的影响  91-93
  4.5 加载/卸载过程中的摩擦能耗分析  93
  4.6 本章小结  93-95
第5章硬盘加载/卸载特性的实验研究  95-114
  5.1 引言  95
  5.2 双向力传感器  95-99
    5.2.1 力传感器结构及测量电路  95-98
    5.2.2 力传感器的标定  98-99
  5.3 悬臂组件刚度和阻尼特性实验  99-101
    5.3.1 激光位移传感器与位移测量法  99
    5.3.2 实验方法  99-101
  5.4 硬盘驱动器加载/卸载的实验  101-113
    5.4.1 实验原理及实验装置  101-103
    5.4.2 数据采集系统  103-105
    5.4.3 实验结果及分析  105-113
  5.5 本章小结  113-114
结论  114-116
参考文献  116-125
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  125-127
致谢  127-128
个人简历  128

硬盘加载与卸载及冲击过程中的动力学和摩擦学特性研究

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