基于正交试验的液体动静压球轴承动态特性数值分析

偏心率是衡量轴承性能的关键参数，它描述了轴承内部润滑膜的均匀性和稳定性，为研究轴承工作参数对轴承的偏心率影响，本文以小孔节流的液体动静压球轴承为研究对象，根据流量连续条件求解出油腔压力，使用有限差分法离散化Reynolds方程并通过松弛迭代法求解得到无量纲油膜压力，进而得到轴承承载力，基于液体动静压球轴承转子系统动力学模型并采用欧拉算法计算得到轴承平衡时轴心的位置，从而求出轴承的偏心率。采用正交试验方法，探究了转速、供油压力、油膜厚度对液体动静压球轴承的偏心率的影响，对试验结果进行极差分析和方差分析可得：试验条件下，轴承的工作参数对偏心率的影响从大到小排序依次为：供油压力、转速、油膜厚度，并确定出供油压力为2.5 Mpa、油膜厚度为30 μm、转速为2500 r/min时，液体动静压球轴承的偏心率最小。

液体动静压球轴承具有高回转精度、高转速、低震动、长寿命等优势，在高速精密机床领域应用广泛。轴承在工作时，由于受到不同的工作条件影响，轴心与轴瓦中心会产生一定的偏移，两者之间的偏移距离定义为偏心距。偏心距与轴承内外环半径间隙的比值定义为偏心率，它对轴承的工作状态有着重要的影响。偏心率小的轴承可以提供更小的定位精度、减轻轴承的振动、降低轴承的磨损、同时具有更高的极限转速，适用于高速旋转的机床应用。因此，研究轴承的偏心率是很有必要的。对于轴承的数值分析以及运动特性，许多专家学者已经有了广泛的研究。侯予等针对径向气体轴承的偏心率在试验中“测不准”，提出了一套新的径向气体轴承偏心率理论计算方法[1]。董宁等对水润滑轴承进行流体润滑数值计算，讨论了转速对轴承偏心率的影响，结果表明，随着转速的增加，轴承的偏心率减小，较大的偏心率会导致油膜温度的升高，对轴承的工作不利[2]。秦薇等建立了液体动静压球轴承转子系统动力学模型，通过欧拉算法计算出轴承转子中心轨迹，探究了质量和载荷对转子回转精度的影响，结果表明，质量的增加和载荷的改变会降低转子的回转精度，即轴承的偏心率会增大[3]。马文生等建立了滑动轴承基于短轴承的非线性油膜力模型，得出了转速对偏心率的影响规律，结果表明， 在一定范围内随着转速的增加，转子中心会朝着轴瓦中心运动，轴承的偏心率变小，超过这个范围时， 转速对轴承偏心率影响不明显[4]。本文在现有研究的基础上，基于液体动静压球轴承转子系统动力学模型，使用数值计算方法计算出轴承偏心率的理论值，以轴承的偏心率为试验目标，采用正交试验方法研究轴承的转速、供油压力、油膜厚度等工作和结构参数对轴承偏心率的影响规律，确定出各因素的主次顺序以及显著性。