專用電動機結(jié)構(gòu)對軸承性能的影響

李文超，潘鋼鋒，高 飛，馬小梅

(洛陽軸研科技股份有限公司 特種軸承開發(fā)部,河南 洛陽 471039)

單機是控制系統(tǒng)的關鍵執(zhí)行部件，其壽命、精度和可靠性直接影響到整個系統(tǒng)的控制精度與壽命,主要性能指標為壽命、可靠性、功耗、質(zhì)量和外形尺寸。專用電動機主要決定單機的外形尺寸和質(zhì)量，是單機的主要質(zhì)量源和轉(zhuǎn)動慣量源，專用電動機結(jié)構(gòu)直接影響軸承的性能，進而影響單機的壽命和可靠性，因此對專用電動機結(jié)構(gòu)進行分析非常重要。

1 專用電動機結(jié)構(gòu)

專用電動機結(jié)構(gòu)如圖1所示。影響專用電動機結(jié)構(gòu)的因素主要為厚度和傾斜角，厚度和傾斜角不同，專用電動機結(jié)構(gòu)也不同，其固有頻率和放大因子也隨之變化，對軸承性能的影響不同，所以必須對專用電動機結(jié)構(gòu)進行分析，并分析不同條件下的結(jié)構(gòu)對軸承性能的影響。而軸承性能主要考核接觸應力和安全裕度，可根據(jù)軸承接觸應力和安全裕度確定專用電動機結(jié)構(gòu)。

圖1 專用電動機結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)單機和專用電動機不同的性能要求和使用特點，對影響軸承性能的專用電動機結(jié)構(gòu)的厚度和傾斜角進行方案組合，如表1所示。

表1 各方案的幅板厚度與傾斜角

專用電動機結(jié)構(gòu)決定了其固有頻率和放大因子。其中，1階固有頻率有可能與系統(tǒng)本體產(chǎn)生諧振；由于系統(tǒng)對單機的振動試驗要求為2 000 Hz，在振動情況下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生放大因子，而結(jié)構(gòu)產(chǎn)生放大因子的頻率段主要集中在其固有頻率段，在固有頻率段由于放大因子的作用，很有可能對軸承的性能產(chǎn)生影響。為了分析結(jié)構(gòu)對軸承性能的影響，必須對其固有頻率和放大因子進行分析，同時計算結(jié)構(gòu)在振動產(chǎn)生放大因子的情況下軸承的接觸應力，分析軸承的安全性和可靠性，根據(jù)分析結(jié)果，確定其厚度和角度。

2.1 結(jié)構(gòu)的固有頻率

專用電動機結(jié)構(gòu)的固有頻率由結(jié)構(gòu)特性和材料決定，系統(tǒng)在試驗過程中，單機的1階頻率有可能與系統(tǒng)本體發(fā)生諧振，為了有效避開系統(tǒng)本體的諧振頻率和分析單機的放大因子，必須對專用電動機的固有頻率進行計算分析，經(jīng)計算，專用電動機結(jié)構(gòu)前4階固有頻率值如表2所示。

表2 專用電動機結(jié)構(gòu)固有頻率 Hz

由表2可知：固有頻率在低頻狀態(tài)下隨幅板厚度增加而增大，在高頻則變化很小；而改變傾斜角的大小，專用電動機結(jié)構(gòu)的固有頻率變化很小。

2.2 結(jié)構(gòu)的放大因子

單機的力學振動試驗條件為0～2 000 Hz,而專用電動機結(jié)構(gòu)的前4階固有頻率小于2 000 Hz，在振動過程中，在某一頻率或頻率段專用電動機結(jié)構(gòu)由于諧振會產(chǎn)生放大，對軸承和單機的性能可能會造成很大的影響。在專用電動機結(jié)構(gòu)設計中，必須對放大因子進行計算分析，并分析專用電動機結(jié)構(gòu)在振動情況下對軸承的影響。

在有限元分析過程中，加速度的響應測試點均為專用電動機的輪緣上端，下面就6種方案的放大因子進行分析計算，結(jié)果如表3所示，加速度響應曲線如圖2所示。

表3 專用電動機結(jié)構(gòu)的放大因子

圖2 專用電動機結(jié)構(gòu)加速度響應曲線

2.3 結(jié)構(gòu)對軸承的影響分析

根據(jù)單機的外形尺寸、質(zhì)量和環(huán)境振動試驗條件等技術要求，單機轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量約為2.8 kg，環(huán)境振動試驗條件規(guī)定的基礎振動為13×9.8 m/s2，振動載荷計算公式為：質(zhì)量×放大因子×基礎振動，則6種方案的振動載荷分別為：3 661，1 813，3 203，5 867，2 792，4 382 N。由于單機軸向振動時為一套軸承受載，徑向振動時為兩套軸承均衡受載(即每套軸承只承受振動載荷的一半)，所以只需對軸向振動時軸承的接觸應力進行分析。

經(jīng)分析，軸承的最大接觸應力和安全裕度如表4所示，軸承最大應力均為內(nèi)圈與鋼球的接觸部位，各方案軸承接觸應力云圖見圖3，其中方案2剖視云圖如圖4所示。

表4 軸承最大接觸應力

圖3 軸承接觸應力云圖

圖4 方案2軸承接觸應力剖視云圖

由上述分析可知：

(1)根據(jù)系統(tǒng)可靠性和安全性標準要求，單機在振動情況下的安全裕度為0.25，由于不銹鋼材料9Cr18的許用接觸應力為3 700 MPa[1]，在振動情況下軸承的最大應力不允許超過2 960 MPa。根據(jù)有限元分析結(jié)果，方案1、方案2、方案3、方案5在振動情況下軸承最大應力小于接觸應力3 700 MPa，但是只有方案2的安全裕度高于系統(tǒng)標準；方案4與方案6在振動情況下軸承的最大應力大于接觸應力3 700 MPa，很可能對軸承造成損壞，甚至會造成單機失效。

(2)專用電動機結(jié)構(gòu)的合理設計有效降低了放大因子，提高了單機軸承的安全性和可靠性。

根據(jù)上述分析，該系統(tǒng)單機采用方案2，即厚度為4 mm，傾斜角為9°。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)單機在9.8 m/s2的加速度正弦掃描情況下，放大因子為6，經(jīng)正弦振動、隨機振動、沖擊、系統(tǒng)試驗等一系列力學環(huán)境試驗，結(jié)構(gòu)安全可靠，性能穩(wěn)定,完全能夠滿足系統(tǒng)主動段的力學環(huán)境要求,在確保軸承性能的穩(wěn)定性和安全性的同時提高了單機結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。