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热效应影响下圆锥浮环动静压轴承特性分析

圆锥动静压轴承能够同时承受径向和轴向载荷，装配过程中间隙灵活可调，广泛应用于高精密机床、透平膨胀机等机械设备中；为减少高速工况下轴承的摩擦功耗，可在轴颈和轴瓦之间引入浮环装置，浮环以一定转速稳定运转，能降低温升、提高稳定性。目前关于圆锥浮环轴承油膜热效应对润滑特性及失稳机制的影响尚未进行深入研究；以带有深浅腔的圆锥浮环动静压轴承为研究对象，建立热力学润滑控制方程；在浮环平衡的基础上，结合有限差分法和有限元法耦合求解内、外膜Reynolds方程、能量方程、温黏方程、流量平衡方程；根据线性扰动理论和Routh-Hurwitz准则导出圆锥浮环轴承-转子系统的失稳判据。结果表明：内、外膜温度场呈现分布不均匀现象，轴向封油边处油温明显高于中间位置；大端油温高于小端2~3℃；内膜温度整体高于外膜温度。热效应使轴承承载力、摩擦功耗、刚度和阻尼特性显著下降，故而削弱了系统稳定性，失稳转速随偏心率的增加趋于平稳，说明温升过高是造成轴承承载特性下降和诱发油膜失稳的重要因素。通过搭建圆锥浮环轴承实验台，采用热成像仪拍摄端泄油流温度分布，并与理论结果对比，验证了理论模型的正确性。