摘要
浮环轴承具有内、外两层油膜，工作时浮环以一定转速平稳运转，能够降低摩擦功耗、提高稳定性，广泛应用于透平膨胀机、涡轮增压器等高速旋转机械中。随着转速的增加，温升过高致使润滑油黏度下降，成为引发润滑失效和转子系统失稳的重要因素;另一方面，载荷增加和冲击等造成浮环变形和油膜气液两相流等现象，使得浮环轴承性能与热效应、变形及表面形貌等多种因素密切相关。为防止温升过高造成油膜破裂和转子失稳，在轴承的润滑设计中必须纳入热力学计算，并考虑变形、表面形貌等多种因素的影响，建立更加接近实际工况的数学物理模型，为高速浮环轴承的润滑理论分析和工程应用提供参考。 本文以深、浅腔径向浮环动静压轴承为研究对象，根据流体动力润滑、传热学及弹性力学等理论，建立浮环动静压轴承的热流体润滑控制方程及转子系统运动方程，采用有限元和有限差分法进行数值求解，研究热效应、浮环变形、表面形貌、两相流等多种因素对轴承性能的影响;组建实验平台，进行浮环动静压轴承特性实验验证。主要研究内容分为以下四个部分: (1)浮环动静压轴承热流体润滑特性分析 从Navier-Stokes方程、流量连续性方程等基本方程出发，针对浮环动静压轴承高速运转时油膜层流、紊流同时存在的现象，推导了相应流态下内、外膜的Reynolds方程、能量方程和各类边界条件;建立热流体润滑特性参数联合方程组，确定数值求解算法。基于浮环平衡，计算得到不同工况内、外膜压力场、温度场及环速比、承载力、摩擦功耗、端泄流量等特性参数并分析热效应对轴承特性的影响。结果表明:高速工况下内、外膜同时存在层流和紊流现象，深、浅腔尺寸比越大，紊流效应越明显;内、外膜压力和温度沿周向逐渐升高，在封油面出现峰值，最小膜厚处温升最高，轴向端面温度高于油腔中部，内膜温度高于外膜温度;相同工况计入热效应计算的内、外膜承载力、摩擦力、摩擦功耗均低于等温计算值，端泄流量大于等温计算值，转速越高，两种模型计算结果相差越大。 (2)浮环动静压轴承-转子系统热力学稳定性分析 采用摄动法获得浮环动静压轴承热力学动态特性参数，针对内、外膜建立统一的运动方程组，根据Routh-Hurwitz准则给出浮环轴承-转子系统的热失稳判据并分析热力学因素对轴承系统动力特性的影响，结果显示:热效应使油膜刚度系数（绝对值）和阻尼系数减小，并且转速越高，偏心越大，减小幅度越明显;热效应是削弱稳定性的主要因素，进油温度升高，失稳转速下降，转子系统出现失稳的可能性越大;因此可通过控制进油温度、改善油品黏度特性等提高轴承动态刚度特性和稳定性。 (3)浮环变形及表面形貌等因素影响分析 将浮环弹性变形方程引入浮环动静压轴承的润滑计算中，求解浮环弹性变形对油膜厚度的改变量及轴承特性的影响，结果表明铜基合金材质的浮环弹性模量低、刚度小，容易发生变形，在中、低偏心下，计入浮环变形因素对系统稳定性具有积极作用。 基于统计学原理，建立考虑表面粗糙度的浮环动静压轴承润滑模型，分析轴承特性随表面粗糙度纹理方向及数值的变化规律，并采用M2000摩擦磨损试验机对轴承摩擦特性进行实验验证，结果显示横向表面粗糙度有利于提高轴承的承载力和刚度，可通过优化零件表面的形貌参数、选择合适的浮环材料提升轴承的承载能力及稳定性。 针对变载、冲击引起润滑油气液两相流的情况，组建气液两相润滑油制备装置并测试两相流黏度随含气率的变化规律，拟合得到适用于低含气率下含气润滑油的黏温关系表达式并完善浮环动静压轴承的热流体润滑控制方程，发现含气率在2.50％范围内，由气泡引起油膜黏度的增加，可提高系统综合刚度和阻尼减振性，改善系统稳定性。 (4)浮环动静压轴承热流体润滑特性实验验证 设计、组建浮环动静压轴承-转子系统实验台，测量不同转速、载荷下轴承的环速比、系统流量、系统刚度、阻尼和轴心轨迹曲线，发现转子系统在给定工况下运行状态良好;采用红外热成像仪拍摄内、外膜端泄油流的温度分布，对比分析了不同转速、载荷工况下数值计算与实验观测的温度值，变化趋势吻合性较好，验证了本文热流体润滑模型的正确性。 本文研究成果对浮环动静压轴承热流体润滑机制研究和轴承-转子系统的设计与应用提供了理论基础和实验数据支撑。
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