（机械设计及理论专业论文）超低飞高磁头磁盘系统静力学与动力学分析.pdf

摘要 超低飞高下磁头磁盘的静力学与动力学分析 研究生：蔡子良指导教师：陈云飞教授 东南大学机械工程学院 摘要 随着硬盘存储密度的不断增长，磁头和磁盘之间的气膜间隙( 飞高) 越来越小，目前磁头的飞 高已经达到了分子级别的高度。磁记录密度要达剑一i ：业界预期的i t b i n 2 ，相应的气膜间隙要降低剑 3 r i m 。在如此小的间隙卜，磁头磁盘间的气体稀薄效应越来越明显，经典雷诺方程关于不存在边界 滑移的假设不再成立，为此论文采用非线性滑移长度模型对经典雷诺方程进行修正，讨论滑移长度 对气膜承载力的影响：磁头超低飞高情况下分子间作用力对系统的影响也不容忽视，为此论文研究 了分子间作用力对硬盘系统稳态飞行姿态的影响：在静力学分析基础上论文对超低飞高头盘系统的 动特性参数和稳定性进行仿真，进一步研究了系统的动力学特性。 针对超低匕高情况下气体润滑存在边界滑移的情况，论文采用非线性滑移模型对描述超薄气体 润滑理论的雷诺方程进行处理，建立了修正气体润滑方程，求解磁头气膜的压强和滑移艮度分布， 讨论初始滑移k 度和临界剪切率对与气膜承载力和磁头与磁盘滑移长度的影响。结果表明，在磁头 飞高为5 0 r i m 的条件下，气膜承载力随着初始滑移长度的增长而减小，磁头和磁盘表面的滑移长度 有相同的变化规律，均随初始滑移长度变人而变大。并且在低剪切率下承载力和滑移长度的变化明 显，而在高剪切率下变化缓慢。 论文以飞高为5 r i m 的p i c o 磁头为研究对象，讨论了分子力对磁头稳定飞行姿态的影响。结果表 明分子力对磁头的稳态飞行高度和俯仰角均有影响，将减小磁头匕高和俯仰角。磁头飞高越低，分 子力影响越犬，研究硬盘系统力学性能时必须加以考虑。 论文进一步采用二自由度模型对p i c o 磁头的动特性进行了研究。采用摄动法对修正雷诺方程进 行处理，建立静态和动态气膜润滑模型，求解了的刚度系数和阻尼系数，进而用m a t l a b 求解动力学 方程，研究结果表明，当磁盘的线速度增加时气膜承载能力增加，在平动模式中磁头的阻尼增加， 可以提高磁头工作时的稳定性，但是在俯仰模式中阻尼减小。飞高利俯仰角增人均会使得气膜刚度 和阻尼减小。当磁盘线速度、最小飞高和俯仰角增长时，磁头振动幅值变大，增加了头盘碰撞的可 能性。 关键词：硬盘磁头，雷诺方程，非线性滑移，分子力，飞行姿态，刚度系数和阻尼系数 a b s t r a c t s t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s0 f h a r dd i s ks l i d e rw i t hu l t r a l o w fl 1 y i n gh ei g h t b yc a iz i - l i a n gs u p e r v i s e db yp r o f c h e ny u n f e i s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u r e s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ec o n t i n u e di n c r e a s ei nt h es t o r a g ed e n s i t yo fh a r dd i s kd r i v e s ( h d d ) r e q u i r e sc o r r e s p o n d i n g r e d u c t i o no ft h et h i c k n e s so ft h ea i rb e a r i n gb e 研e e nt h es l i d e ra n dt h ed i s ks u r f a c et h a tp r o v i d e st h en e e d e d l u b r i c a t i o n t oa c h i e v et h ed e n s i t yo flt b 甜i n ，t h ef l y i n gh e i g h to fs l i d e rs h o u l db ea b o u t3 n m t h e p h y s i c a lm o d e st h a td e s c r i b et h ea i rb e a r i n gp h e n o m e n o nw e l la tm u c hl a r g e rs p a c i n gc a r ln ol o n g e rg i v e p r e d i c t i o n sc l o s et or e a l i t y an e wl u b r i c a t i o nm o d e lc o n s i s t i n go fa l li n i t i a ls l i pl e n g t ha n dac r i t i c a ls h e a r r a t ei se m p l o y e dt os t u d yt h e e f r e c to ft h es l i pl 肌g t ht oa i rb e a r i n gf o r c e b e s i d e s t h ee f r e c to f i n t e r m o l e c u l a rf o r c eh a san o n n e g l e c ta b l ee f r e c ta ts u c hs m a l ls p a c i n g s oi t si n f l u e n c eo l lt h es t a t i c a t t i t u d eo ft h e s l i d e ri sf u r t h e ri n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i so ft h es t u d yo nt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s l i d e r , t h ed y n a m i ct o e 币c i e n ta n ds t a b i l i t yo ft h es l i d e ra r es i m u l a t e di no r d e rt og e tab e t t e ru n d e r s t a n d i n g o ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s an o n l i n e a rb o u n d a r ys l i pb o u n d a r yi si n t r o d u c e dt od e s c r i b et h el u b r i c a t i o nb e t w e e nt h es l i d e ra n d t h ed i s k t h ec l a s s i cr e y n o l d se q u a t i o ni sm o d i f i e db yt h en e wm o d e lu n d e rt h ee x t r e m e l yr a t i f i e d c o n d i t i o n t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ep r e s s u r ea n ds l i p1 e n g t ha r eo b t a i n e d t h ee f f e c to ft h ei n i t i a ls l i pl c n g t h a n dc r i t i c a ls h e a rr a t eo nt h ea i rb e a r i n gf o r c ea n ds l i pl e n g t hi sa n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tw h e nt h ef l y i n g h e i g h ti s5 0 n m t h ea i rb e a r i n gf o r c ei stt h ei n i t i a ls l i pi e n g t hm a i n l yc o n t r o l st h eb o u n d a r ys l i p b o t ht h e s l i pl e n g t h so nt l l es u r f a c e so ft i l es l i d e ra n dd i s ki n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gi n i t i a ls l i pl e n g t h h o w e v e r , i nl o wc r i t i c a ls h e a rr a t er e g i m e t h es l i pl e n g t hd e c r e a s e sv e r ym u c h 、枷e l lt h ec r i f i c a ls h e a rr a t ei sv e r y l a r g e ，t h es l i pl e n g t hd e c r e a s e sv e r ys l o w l y n e x tt h ei n t e r m o l e c u l a rf o r c ee f f e c to nt h ef l y i n ga t t i t u d eo fa5 n r nf l y i n gp i c os l i d e r i ti sc o n c l u d e d t h a tt h ei n t e r m o l e c u l a rf o r c eh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ef l y i n gh e i g h ta n dp i t c ha n g l ef o rt h es l i d e r i t c a l lr e d u c et h ef l y i n gh e i g h ta n dp i t c ha n g l e a st h ef l y i n gh e i g h tg e t sl o w e r , t h ei n t e r r n o l e c u l a rf o r c e s h o u l dt ob ei n c l u d e dw h e nd i s c u s s i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es l i d e r f i n a l l y , at w o d e g r e e o ff r e e d o mm o d e li s s e tu pt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e h e a d a i rb e a r i n g d i s ks y s t e m p e r t u r b a t i o nm e t h o di sa p p l i e dt op r o c e s st h em o d i f i e dr e y n o l d se q u a t i o nt o g e tt h eh es t i f f n e s sa n dd a m p i n gt o e 伍c i e n t s t h e nt h ed y n a m i ce q u a t i o n sc a l lb es o l v e db ym a t l a b t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta st h er e l a t i v ev e l o c i t yi n c r e a s e st h ec a p a b i l i t yo ft h ea i rb e a r i n gf i l mb e c o m e s b e t t e ra n dt h ed a m p i n gv a l u ei sh i g h e ri nt r a n s l a t i o nm o d eb u tl o w e ri np i t c h i n gm o d e b o t hh i g h e rf ha n d p i t c ha n g l ec a nc a u s et h ed e c l i n eo fa i rb e a r i n gs t i f f n e s sa n dd a m p i n g h i g h e rr e l a t i v es p e e d ，n 弧n gh e i g h t a n dp i t c ha n g l ea 1 1c o u l dc a u s eg r e a t e ra m p l i t u d ew h i c hc a l lr e s u l ti nt h ei m p a c tb e t w e e n 山es l i d e ra n dt h e d i s k k e yw o r d s ：h a r dd i s ks l i d e r , r e y n o l d se q u a t i o n ，n o n l i n e a rs l i pb o u n d a r y , i n t e r m o l e c u l a rf o r c e ，f l y i n g a t t i t u d e ，s t i f f n e s sa n dd a m p i n gc o e f f i c i e n t i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：基匿导师签名： 鞯一目绪论 第一章绪论 伴随计葬机技术的突t 猛进，便盘驱动器作为其存贮数据的重要部什已经不仅仅廊用与个人电 脑和服务器领域，并且也进入到便拂设备乖l 消费电于产品辞领域。住电子世界中消费者对丁存储 能力的无限需求成为融记录技术e 速发展的强人动力。体积更小，速度更快容量更人，使h j 更安 全更是j 大_ q i 户对与硬盘的最人期望。这些需求促使磁盘记录密度与时间遵循微电子领域内并名的 “雎尔定律二即单位面积的晶体管数日( 或者磁盘的记录密度) 每年增加倍。事实上在九十年代， 礁存储密度年增妊事超过6 0 ，已经超越了臃尔定律。存储密度和数据传输率的急剧增k 也得箍与 电磁、机槭、摩擦苍领域的研究成果。经过了近5 0 年的发展。硬盘的容琏已经由原来的儿兆、几十 兆发展到现在的数卣千兆。硬盘的尺寸也在逐步缩小单位面积上的记录密度仍在不断提高。到2 0 0 7 年，融盘片的记录密度己经达到了约l o o g b m n 2 ( 希捷公司) ，盘片的转速达到了1 $ 0 0 0 r p m 其至更 高止常：作情况r 的头盘司隙逃到5 - 1 0 n m 左右。1 9 9 】年研究者就已经提出：高谜旋转盘片的燧 动极易造成严重f i 勺此道配准不良，引起磁记录故碌。硬盘l ：群师们为此做出了许多努力例如研究 读写更灵敏的磁头、更先进的接口类型以及更有效的数据保持技术等。这些技术上的突破是的硬舷 不仅越来越先进而且也更加稳定。目前提高礁存储密度的途径有：发展w l a c h e s t c r 技术，改进 磁头、提高磁头定位辅度希i 碰遒密度、政进碰记录方式嚣。在再种方法中降低磁头b 行崭度是一 个重翌内容。而磁头磁盘间隙的降低势必带来系统的静力学、动力学和优化设计讳一系列问题。将 硬盘磷头气浮技术应刖于近场光存储，也是近期研究的热点2 + 。 1 1 硬盘内部结构 硬盘的外形如幽1 1 所示颇似一个四四方方的金属盒子底层控制电路板裸露在腹部，尾窘| f 是与电脑士板连接的信包接口、电源接口和 殳苴属性的跳线。幽1 - 2 是打开硬盘外壳后看劁的内部 结轴，盒子内部密封了州定面扳、控制电路板、破头、崾质合金盘片、主轴、电机、接e l 及其它附 什，现在的埂箍还有数据保护系统，其中磁头盘片总成( h e a dd i s k a s s e m b l y ) 是构成埂盘的核心 它封装在硬盘的净化腔体内包括有磁头悬挂装置、盘片、碰头驱动机构、主轴驱动装置以压前苴 读弓控制电路这儿个部分。例1 3 为碗盘的爆炸图。 剀i 】硬盘外形剧 剀i - 2 硬盘内部结构 e m 学i 。学t i 藩 。，宣 _ i 黧。 目1 - 3 硬盘爆炸幽 鞋头息挂装置是硬鼎中最精密的部件2 一，它由读写融头、传动手臂和传动轴三部分纽成。磁 头通过刚度很小的簧片。i 传动手臂相连。破头是硬盘技术中最重要罩芰键的一环它是由底部带有 沟槽的滑块千附在滑块尾端的读写线圈组成。凄写线圈圳米读弓数据，而滑块只是起承载线罔的作 川气盘片高速旋转时，融头滑块e 浮在磁盘z 上，计算机对数据的读写是由记录数字信息的磁盘 * i 磁头滑块2 闻的相对运动米完成的。当计算机“弓”效据时就是通过给电磁体的线圈加上一定 的电流，使其附近产生磁场，并根据作朋在电碰体上电流的方向磁化记录在碰介质上的磁信息。而 计算机“凄”数据，即逆动的磁信息的梳衬被电磁体的线罔接收，t f 产生脉冲电流，再由特定的装 置转化为数字信号。最甲的传统碰头是电磁甚应式薄膜磁头，这种磁头的l ：作是读写台一的由r 硬盘读、写撵作的不同，这种_ = 台一融头就必须同时兼顾到读自l 写两种的不同特性，对硬盘的设计 遗成7 不便。9 0 年代中捌希捷公司推山了避阻( m a g n e t or e s i s t i v e m r ) 磁头的硬盘，m r 碰头 们然采刚磁蟮应磁头米完成写操作，但却用薄条的磁性材料米作为读l 睨元什读写分开。m r 融头是 通过阻值变化来感应信号幅度，对信号变化相当敏感，准确性也较高而且由r 读墩的信号幅度与 硅逆宽度无芙所以避逆可以做得根窄，从而提高盘片密度，扩人丁盘片容鼙。由t m r 薄膜的电阻 变化域有一定的限度，所以, m r 磁头存在读取极限，丁是卫诞生了f 一代碰头七m r ( g i a n t m a g n e t o r e s 融e 。巨磁阻磁头) 磁头g m r 磁头技术是在m r 的基础上开发的它比m r 具有更高 的灵敏性。m r 碰头：自i g m r 融头是目前常采用的磁头技术，这两种磁头的最人不同2 处就是磁j | l 磁头能提高磁头的数据记录密度而巨盛阻醒i 头则比砒阻磁头的数据记录密度更高一级。止是基r 这样越来越先进的碰头技术，才使硬盘单盘容鼙越做越人。 磁盘是数据存储的载体，现在硬盘盘片大多采州金属薄膜材料( 主要是锅) ，在盘片表面上涂一 层包古许多磁性颗粒的材料。这种金属薄膜材料和软盘的不连续颗粒载体相比具有更高的存储密度、 高剩嫩及高矫顽力等优点。破性颗粒被磁化后以剩磁的形式保持所磁化的状态闻而可以将信号记 录创磁盘上。一般地，硬盘含有多个盘片平行同轴的安犍在电机的法兰盘上电机旋转时所有 的疵片同轴、同步旋转。磁盘的两面都有磁性物质都可以存储数据，所以一个磁盘需要两个避头。 如幽1 - 3 所示硬盘有两个磁盘，对应有四个碰头。 硬盘碰头寻轨建依靠鞋头驱动机构驱动碰头在磁盘、f 往方向移动实现的磁头驱动机 句由音嘲 屯机和磁头驱动小午组成新刑人窬量硬盘还且t 亡高姓的防震动机构。i 自i 精度的轻班磁头驱动机构 能够对融头进行止确的驱动和定位，井在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道保证数据读 写的可箍性。 必 占 嚣 * 一 t 柿晰 第一章绪论 主轴组1 ，i ：包括轴承和马达等。硬盘l ：作时，驱动马达带动盘片高速旋转，般转速为3 6 0 0 r m i n 、 4 2 0 0 r r a i n 、5 4 0 0 r r a i n 、7 2 0 0 r r a i n 、1 0 0 0 0 r m m ，高速硬盘甚至高达1 5 0 0 0 r m i n ，目前台式机的主流 转速是7 2 0 0 r m i n 。硬盘转速越高，读写数据越快，但其j 【：作噪音也越犬，因此转速也是埂盘的一个 重要指标。现在有些厂商开始采川精密机械：【：业的液态轴承电机技术以降低硬盘的j i ：作噪音。 1 1 1 硬盘工作原理 现在的硬盘都是基于“温彻斯特( w 协c h e s t e r ) ”技术，所以有时也称“温盘”。“温彻斯特”技术 的精髓是：“密封、同定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片 上方，而不与盘片直接接触”。 硬盘驱动器不l ：作时，磁头在簧片的作用下与磁盘接触，接触区域称为着陆区( l a n d i n gz o n e ) ， 着陆区不存放数据。数据在磁盘上按磁道和扇区存放，磁道是一系列同心圆，再将磁道等分成若干 个区，该等分的区就是存放数据最基本的单位扇区。当加电正常l ：作后，首先利州控制电路中的单 片机初始化模块进行初始化ji ：作，此时磁头位丁盘片的着陆区，初始化完成斤主轴电机将启动并高 速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置丁盘片表面的0 0 道，处于等待指令的启动状态。 当接口电路接收剑微机系统传米的指令信号，通过前置放大控制电路，驱动音圈电机发出磁信号， 根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放火控 制电路传输剑接口电路，反馈给土机系统完成指令操作。 1 1 2 硬盘的发展历史 从第一块硬盘r a m a c 的产生到现在单碟容量高达1 t b ( 1 0 2 4 g b ) 的硬盘，硬盘已经经历5 0 年的发展历史，下面简要介绍一下其历史及发展。 1 1 9 5 6 年9 月，田m 的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统m m3 5 0r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do f a c c o u n t i n ga n dc o n t r 0 1 ) ，其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储 区域，从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5 m b ，共使用了5 0 个直径为2 4 英寸的 磁盘，这些盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来同定在一起，绕着同一个轴旋转。此款r a m a c 在那时主要用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领域内。 2 1 9 6 8 年i b m 公司首次提出愠彻斯特w i n c h e s t e r 技术，探讨对硬盘技术做重大改造的可能 性。“温彻斯特”技术的精髓是：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬 浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也是现代绝大多数硬盘的原型。 3 1 9 7 3 年m 公司制造出第一台采用“温彻期特”技术的便盘，容量6 4 0 m b ，是现在硬盘的 开端，因为磁头悬浮在盘片上方，所以镀磁的盘片在密封的硬盘里可以飞速的旋转，但有好几十公 斤重。从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础。 4 1 9 7 9 年，m m 再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增人容量、提高读写速度提供 了可能。 5 8 0 年代末期m m 发明了m r 磁头，对硬盘发展作了又一项重大贡献。这种磁头在读取数据 时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度比以往2 0 m b 每英寸提高了数十倍。 6 1 9 9 1 年m m 生产的3 5 英寸硬盘使用了m r 磁头，使硬盘的容量首次达到了1 g b ，从此硬 盘容量开始进入了g b 数量级。 7 1 9 9 7 年推出了第一款采用巨磁阻( g m r ) 磁头的硬盘驱动器d e s k s t a r1 6 g p ，这使硬盘的存 储密度又上了一个台阶。 8 1 9 9 9 年9 月7 日，m a x t o r ( 迈拓) 宣布了首块单盘容量高达1 0 2 g b 的a t a 硬盘，从而把 硬盘的容量引入一个新里程碑。 9 2 0 0 0 年2 月2 3 日，希捷发布了转速高达1 5 ，0 0 0 r p m 的c h e e t a hx 1 5 系列硬盘，其平均寻 3 g 南 慎l 论丘 遒时间只有39 m s ，山部数据传输率高选4 8 m b s ，外部数据传输宰提高到丁1 6 0 m b s 2 0 0 m b s ， 数据缓存为4 1 6 m b ，支持u l t r a l 6 r as c s i 及f m ”c h a n n e l ( 光纤通道) 希捷的这款c h e e t a h x l 5 系列成为硬盘性能的新里样碑。 1 0 2 0 0 0 年3 爿1 6 日，硬盘领域义有新突破，第一款“玻璃硬盘”问世，这就是m m 推山的 d e w t a r7 5 g x p 及d e s k s t e u r4 0 g v 。此两款便盘均使h j 玻璃取代传统的铝作为盘片材科，这能为硬盘 带来更人的平滑性及更高的坚州性。另外玻璃材料在高转速时具有更高的稳定性。 1 i2 0 0 4 年日立环球存储科技公司首次推出第一款采州罨直记录技术的硬盘t o s h i b a m k s 0 0 7 g a h 其破记录密度为2 3 0 g b i n 2 。从此难直记录技术进入历史舞台并将成为硬盘的茇屣 趋势。 1 22 0 0 6 年9 月。在庆祝硬盘诞生5 0 周年而举行的i d e m ad i s k c o n 展览上，希捷公司的 m a r kk 玎d e r 博士在其重要演示中展示了最新的礁密度世界记录希捷把硬盘的磁记录密度提高 到4 2 i g b “，该硬盘也是采_ - i j 垂直记最技术。 1 32 0 0 7 年1 0 月9 日，法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔冈先后独立发现 r “巨磁阻”效应共同获得诺贝自；物理学奖。 1 2 磁头磁盘组件 磁头磁藉 纽仆( h d d i s ka s s e m b l y h i ) a ) 是硬盘中最戈健的部分。它由盘片组和头堆耋f 【件 ( h e a ds t a c k a s s e m b l y h s a ) 构成如幽l 一3 情示。目前我们在市场上看到的硬盘都是所谓的韫 式硬盘。温式硬盘土要指的是它的磁头构遗，第一代的温式埂盘所使用的磁头被称为w i n c h e s t e r h e a d ( 温式磁头) ，其尺、 ，i 、t n x l2 nr 如即嗵堂也赫m ；n ；刑碘4 一：、 蝌 目1 4 避头组件 温彻斯特技术的核心是磁头1 作时早e 行状态不与盘片接触，这项拄术是通过空气气浮技术 实现的。高速旋转的磁盘带动一定黏度的空气流过碰头臂块底部时，将在磁头底部产生气体压强， 磁头在气膜压力的作用f 悬浮丁磁盘上方。稳定：作时，罐头磁盘之间的气膜m i 隙恒定通常称此 气膜间隙为磁头的e 行高度，简称e 高( f l y i n gh c i g b t ) 。敲头e 高是硬盘的一个重要参数它挑定 了磁盘的磁记录密度。这是闻为磁记录密度增大后，电畿信号会变弱，并且相邻信号2 间的干扰也 更严重，为了更精确地睡丐数据，必须降低磁头滑块在盘片上的e 行高度以提高瑶盘的准确性和 灵敏度。磁头越艋近藉【面小磁极所产生的磁场盛应创碰头的碰通彗越人读山的信号越强：反z 信号越弱( 幽1 5 ) 。 第一# 绪论 r “n ，、，、 _ 酱仨= i b 记i 位r 寸 记录也尺寸小 * 低蠢央高度仃捌千墙十记最位t 寸 一4 t 恭，基、；套0r 盘i ”；拳、 二】口 = 】 m ) * 氍蠢头高度仃利于摊高谴盘z 量度 幽1 - 5 礁头t 行高度与记录位尺寸的关系 磁盘盘片自多层膜结构组成，从内到外一般为盘基、底层、衬层、磁层、保护层和润滑层。醯 小磁间隙的途径有两个： 。是减薄保护膜和润揖膜的厚度，一是降低磁头与磁盘问的e 行高度。前 者促进了基于磁介质保护膜的制备技术和材科学菩方面的研究，后者使得磁头，磁盘从近接触向准接 触乃至直接接触方向拄展。近年来，随着硬盘磁记录密度的不断提高避头e 高迅速f 降，目前 1 0 0 g b 容量以上便盘的e 行高度已降到1 0 a m 以f 。 表t1 帛l 酗1 - 6 揭示了破头滑块的发展演变过程。陆着碰头e 高的降低，碰头精块的发展经历了 小喇( m i n i ) 、微型( m i c r o ) 、纳米型( n a n o ) 、皮米型( p i c o ) 、e 米型( f e m t o ) 等儿个阶段，其 气膜承载面( a i r b e a n n g s u r f a c e a b s ) 也经历了两体、三体、五体乃至更复加几何形状。 表1 磁头滑块的发展演变 m i n i m i e f on a b op i c of e m t o 碰头滑块 1 7 0 5 0 3 0 2 0 年代1 9 7 5 1 9 8 7 1 9 9 01 9 9 52 0 0 3 长度( m i l l )4 0 028 02 1 2 508 5 宽度( m m ) 3222 41 6 0i 0 007 0 高度( m m ) 08 606 0m 4 30 3 002 3 重量( r a g ) 5 5 0 1 62 59160 6 预载力( n ) 0l0 0 5m 0 3 50 0 2 5o 0 1 5 幽l 西磁头滑块的发展 竭 东南大学颀f ：学位论文 当气膜问隙降低剑纳米颦级时，连续介质的假设不再成立，因此必须对描述气体润滑理论的经 典雷诺方程加以修正，由此带来了一系列头盘系统的力学问题，这是本文研究的主要内容。 1 3 磁头磁盘系统相关技术研究现状 1 3 1 磁头磁盘系统静力学分析 磁头磁盘系统的静力学研究主要集中在稀薄气体润滑模型的修正、修止r e y n o l d s 方程的求解和 气膜特性的分析等方面。国外有关这方面的研究始于7 0 年代，9 0 年代以后有了较火进展。 温彻斯特硬盘都是以空气为润滑介质，可以川经典r e y n o l d s 方程描述。当气膜间隙h 降至与气体 平均分子程入相当或更小时，连续介质假设不再成立，需要考虑气体分子稀薄效应，对r e y n o l d s 方 程进行修正，通常用k n u d s e n 数k ( = 名厅) 描述气体稀薄效应程度。1 9 8 3 年b r u g d o r f e r l 4 1 首次将分子 运动论引入到气膜润滑领域，提出了一阶滑移模型，得到了一阶滑移修正的雷诺方程。随着k 不断 增长，一阶滑移模型不在适用。在1 9 8 3 年，h i s a 习等提出了二阶滑移模型。此外，一些研究者利用气 体动力学的理论也对稀薄效应进行了深入有效的研究。1 9 8 5 年g a n s t 6 】基于b g l 模型，从线性 b o l t i z m a n n 方程入手推导了类似+ t r e y n o l d s 方程的润滑方程，并认为所推剑的方程在任意k n u d s e n 数 下均使h 。随后f u i k u i 等p 】改进tg a n s 的方法，从线性b o l t z m a n n 方程推导了目前仍被广泛采刚的修 正r e y n o l d s 方程，并指b u r g d o r f e r 的一阶滑移修止模型时机负载能力偏人，而h s i a 等的二阶滑流模 型的数值则偏小。针对这个问题，随后在1 9 9 3 年，m i t s u y a s l 提出了1 5 阶滑移修止的r e y n o l d s 方程。 并给山方程中表面调：宵系数的数值；2 0 0 0 年，w e i d o n gh u a n g 年i i b o g y 9 进一步研究了表面调节系数 对磁头气动力计算的影响，进一步提高气膜压强分布的仿真精度。2 0 0 2 年，e d d i ey i n k w e en g 1 0 】 指出边界滑移速度不仅与剪切应力有关，而且还与白身的密度有关，提出应力密度比率模型， 并证明了此滑流模型在人k n u d s e n 条件下比以前的模型更为精确。 修正r e y n o l d s 方程为变系数、非线性的_ 二阶二维偏微分方程，它的数值求解是研究磁头、磁盘 系统的关键。有关修正r e y n o l d s 方程的求解，国内外主要采用有限差分法和有限元法，其中有限差 分法适用性好。u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y 的c m l 实验室在磁头的数值计算方面进行了人量 的研究。1 9 8 6 年，m i u 希i b o g y n l h q w h i t e n i g 锄式计算- j t a p e r - f l a t 型磁头。1 9 9 0 年，r u i z 署l l b o g y 圮 l 列 采用二阶速度滑移模型和f 蹦型对磁头雁盘系统进行了仿真计算。1 9 9 5 年，c h 狎i b o g ，t 4 1 针对具有 不规则表面的磁头滑块突山了冈子隐式计算格式。1 9 9 7 年，l u 提出了用于磁头匕行计算的多重网格 控制体积型1 5 j ，随后h u 对该方法义进行了进一步优化【1 6 l 。1 9 9 9 年，w u g l l 3 0 9 y t l 7 】又结合自适应无结 构三角网格生成技术和迎风有限体积法对磁头飞行特性进行仿真计算。2 0 0 0 年，w e i d o n gh u a n g 和 b o g ) ，【1 8 】进一步研究了表面调二宵系数对磁头气动力计算的影响，进一步提高气膜压强分布的仿真精 度。2 0 0 2 年，e d d i ey i n k w e en g 【i 引指出边界滑移速度不仅与剪切应力有关，而且还与自身的密度有 关，提出应力密度比率模型，并证明了此滑流模型在大k n u d s e n 条件下比以前的模型更为精确。 同年，w ul i n 和b o g y t 2 0 l 模拟了飞高在5 r i m 以下时分子之间的范德华力及其对磁头静态飞行姿态的影 响。 国内相关相关研究起步较晚。在润滑理论方面，彭永卿等考虑纳米尺度效应的影响，在f k 模 型中引入了纳米尺度影响冈子【2 。在数值计算方面，吴建康采川算子分裂算法和谁结构三角网格的 有限元法计算磁头的气膜压强分布，采用算子分裂算法可以有效克服在高轴承数时的数值不稳定性， 消除数值振荡j 。 1 3 2 磁头磁盘系统动力学分析 磁头磁盘系统动态分析与仿真依据时域内的r e y n o l d s 方程、磁头以及悬架的运动方程。磁头的 6 第一章绪论 运动是由气膜压强、悬架预载力及力矩所决定的。气膜承载力和预载力可以川刚度系数和阻尼系数 或者其他的动力学参数米表示。在磁头的动力学分析中，气膜的动特性参数( 如刚度叙述和阻尼系 数) 很有必要，冈为气膜的性质闲置了系统的臼然频率并且对决定和控制振幅的峰值有重要影响。 1 9 7 1 年，t a n g j 【2 列对系统进行了动力学仿真，在时域内求解了滑块的运动方程和气体润滑方程。但 是时域内求解有一个严重的不足，即无法解决：悬浮机构对系统动特性的影响，频域内求解法冈其能 够解决这以问题而得到j 。泛应州。1 9 7 5 年和1 9 9 0 年，o n o 和h a y a s h i 分别在频域内川摄动法计算了 气膜相对于磁盘振动的动力学响应，计算了气膜的无量纲刚度系数平无量纲阻尼系数，但是o n o 的 润滑模型没有考虑分子滑流作川，h a y a s h i 的研究重点比较了不同滑流修正模型的求解精度，没有考 虑到高k n u d s e n 数时表面粗糙度的影响作用，因此所建模型都和实际情况有一定的差距【2 4 筇j 。1 9 9 0 年，r u i z 1 2 1 研究了磁头经过凸起、磁头寻轨以及头盘系统激素停e l 的动特性。1 9 9 6 年，w a n g l o n g l i 【2 6 】计算了磁头乜行高度为5 0 n m 时气膜的无量纲刚度系数和无量纲阻尼系数，并且在润滑模型中 引入粗糙度冈子考虑表面粗糙度的影响冈素，得出许多有价值的结论。1 9 9 7 年，h u 2 7 1 研究了三种不 同磁头飞行高度低t - - 2 5 n m 时的动态稳定性和匕行高度的波动情况，讨论了磁头遇剑凸起和磁头寻 道是表面粗糙度对磁头飞高波动的影响。随着磁头飞高的不断减小，出现了近接触式( n e a rc o n t a c t ) 和接触式( c o n t a c t ) 磁头磁盘系统。2 0 0 1 年，r u n h a r tw a n g t m 通过实验的方法考察了磁头、磁盘系 统在起飞时、近接触区以及借出去的动力学性能。2 0 0 3 年t h o r n t o n 和b o 扩卅应用非线性动力学模 型分析了超低飞高磁头的动态特性。2 0 0 5 年，g u p t a 和b o g 广叫研究发现当磁头飞行高度低于5 n m 时就必须考虑范德华力以及静电作用对于飞行状态的影响。 1 4 课题来源及主要内容 1 4 1 课题来源 本课题是国家自然科学基金“基于微驱动器的近接触高密磁盘系统关键技术研究”( 5 0 5 0 5 0 0 7 ) 和江苏省自然科学基金“准接触高密磁盘系统微驱动器设计理论承i 关键技术研究”( b i c 2 0 0 7 1 1 3 ) 共 同资助项目。 1 4 2 本文主要内容 本文第一章讲述了课题来源、研究意义、硬盘的基本结构和硬盘的发展历史，论述了磁头磁盘 系统相关技术的国内外研究现状。 第二章详细介绍了描述气体润滑的r e y n o l d s 方程，并且在稀薄效应下采用各种不同的滑流模型 对经典r e y n o l d s 方程进行修正和比较。采蒯有限差分法分析对f u k u i k a n e k o 滑流模型修正下的 r e y n o l d s 方程进行求解，得到p i c o 磁头的压强分布。然后本文根据基于分子动力学模拟的非线性滑 移边界条件建立了新的滑流模型，分析初滑移长度和极限剪切率对于磁头压强分布的影响。 第三章引入分子力对磁头静特性的影响，介绍了磁头飞行姿态求解模型及方法，利用磁头稳态 飞行状态下所受作用力之和和力矩之和分别为零的性质建立最优化模型，在目标函数中对作用力的 残著和力矩的残差分别作了归一化处理，使两者处于同样的数量级。通过变量代换将约束最优化模 型转化为无约束虽优化模型，采用f l e t c h e r 开关算法对无约束最优化模型进行计算。 第四章研究了p i c o 磁头的动力学特性。采用摄动法计算了p i c o 磁头的无量纲气膜刚度系数和无 量纲气膜阻尼系数，并对系统的稳定性进行了分析。论文中忽略了磁头的侧倾转动和摆动，用两自 由度数学模型来描述气膜的动力学性能。由气膜的动特性参数分析气膜的基本动特性，求解了两自 由度的动力学方程组，并分析磁头磁盘系统的稳定性和动态响应情况，重点分析磁头平动模式时的 响应情况。 7 东南人学硕j ：学位论义 2 1 引言 第二章超薄气膜润滑的非线性滑移模型 磁头磁盘系统的静力学分析主要是求解描述气体润滑理论的r e y n o l d s 方程以及求解磁头稳定飞 行时飞行姿态。图2 1 为磁头( 包块滑块和读写头) 飞行示意图，硬盘的读写头安装在滑块尾端， 滑块通过一个簧片与：悬臂( s u s p e n s i o na r m ) 相连，再经由悬臂和驱动器( r o t a r ya c t u a t o r ) 连结， 在驱动器作用下可以沿磁盘j 径方向作寻轨运动。除了转动外，磁头有三个方向的自由度：沿z 轴 垂直方向冉勺直线运动、绕簧片与磁头结点即y 轴的俯仰方向( p i t c hd i r e c t i o n ) 的运动和磁头绕x 轴 侧倾方向( r o l ld i r e c t i o n ) 的运动。 图2 - 1 磁头飞行状态示意图 硬盘工作时，磁头在气膜承载力的作用下离开磁盘，飞浮于其上，磁头和磁盘之间形成气膜， 气膜的承载力使磁头在稳态时能够保持平稳的飞行高度，因此硬盘是成功运用气体润滑理论的例子。 对于硬盘系统，存储密度的提高不仅取决于磁盘介质和制造下艺等方面的改进，更依赖于磁头在盘 面上的飞行特性。此外，为保证硬盘读写数据的稳定性，必须尽可能的使磁头保持恒定的飞高，波 动较小。合理设计磁头气膜承载面，可以使磁头保持优良的飞行特性。因此分析磁头、磁盘系统的 静力学特性对于硬盘的设计具有非常重要的意义。 正确计算气膜的压强分布是静力学分析的基础。本章采用