單一缺陷航天軸承的摩擦力矩判據

李俊娟，楊伯原，李建華，蘇冰，周健

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

用于檢測飛機、導彈、船舶和衛星等飛行姿態、位置和角速度的陀螺儀框架靈敏軸承是微型軸承中對摩擦性能要求最高的軸承,摩擦力矩的大小和穩定性往往影響著精密儀器、儀表的指示精度和穩定性[1]，因此，摩擦力矩是衡量靈敏軸承的重要指標。靈敏軸承使用過程中不允許出現摩擦力矩大點和阻滯及波動性超標的情況，而軸承套圈溝道的圓度、表面粗糙度和形狀誤差超差是產生摩擦力矩大點和波動性的重要因素。現對軸承外圈溝道形狀誤差、內圈溝道形狀誤差、內圈溝道圓度和內圈溝道表面粗糙度超差時的動態摩擦力矩進行分析，以期得到辨別該軸承缺陷的初步判據。

1 試驗軸承

試驗軸承型號為619/5/P5，采用黃銅沖壓浮動浪形保持架，其主參數為：外徑13 mm，內徑5 mm，寬度4 mm，鋼球數8粒，鋼球直徑2 mm。

被測軸承分別存在外圈溝道形狀誤差超差、內圈溝道形狀誤差超差、內圈溝道圓度超差和內圈溝道表面粗糙度超差4種缺陷。

2 試驗

測試設備為改進的LSD-I型動態摩擦力矩測試儀，其主要由穩壓電源、電控箱、電動機、試驗裝置、力傳感器、信號采集器及計算機等組成。被測軸承固定在驅動機構主軸上，當主軸恒速轉動時，驅動被測軸承外圈旋轉，轉速1 r/min，內圈不轉，采樣時間為2 min，采樣點數為12 000。試驗軸承的軸向載荷為1 N。測試環境溫度為20～30 ℃，相對濕度保持在55%以上，并嚴格控制塵埃。

測試前先進行軸承退磁，并按有關規定清洗、烘干后，加一滴特4儀表潤滑油，再緩慢旋轉使潤滑油均布，然后在無振動的地基上進行測試。對于動態摩擦力矩不正常的軸承應重復進行退磁、清洗、加潤滑油等，若測試仍不合格或不正常，重復前面各項工作，取最好的一次。測量時，每種缺陷軸承取10套，并且每套正、反轉各測2次。

3 試驗結果分析

圖1 外圈溝道形狀誤差超差時典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數圖

圖2 外圈溝道形狀誤差超差時典型軸承小波分析后的第4～6層細節信號圖

圖3 外圈溝道形狀誤差超差時典型軸承的第5層細節信號的包絡譜

圖4 內圈溝道形狀誤差超差時典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數圖

圖5 內圈溝道形狀誤差超差時典型軸承的第4～6層細節信號圖

圖6 內圈溝道形狀誤差超差時典型軸承的第5層細節信號的包絡譜

圖7為內圈溝道圓度超差時典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數圖。由圖7可知，內圈溝道圓度超差的軸承的摩擦力矩大點較多，方差為2.167(μN·m)2，且90%樣本的方差都大于1(μN·m)2；功率譜峰值較大，約為400 W，不在靠近0的位置，概率密度函數峰值較小，圖形不太尖銳。統計得， 75%樣本的功率譜峰值都在400 W以上， 75%樣本的概率密度函數峰值都小于0.4，且圖形不太尖銳。同樣用db10進行6層小波分解，圖8中d4，d5和d6沖擊明顯，計算得d4，d5和d6與原始信號的相關系數分別為0.291 8，0.494 1和0.537 8，可見d6與原始信號的相似程度較大。對d6進行包絡譜分析(圖9)，計算得內圈接觸頻率值0.081 48 Hz在圖中包絡譜最大值附近。并計算d6峭度值為11.879，與原始信號的峭度值10.465接近；而d5包絡譜和峭度值都不如d6接近。

圖7 內圈溝道圓度超差時典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數圖

圖8 內圈溝道圓度超差時典型軸承小波分析后的第4～6層細節信號圖

圖9 內圈溝道圓度超差時典型軸承的第6層細節信號的包絡譜

圖10為內圈溝道表面粗糙度超差時典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數圖。由圖10可知，內圈溝道表面粗糙度超差的軸承的摩擦力矩的周期性不明顯，大點較多，除尖峰外，其波動范圍為5～15 μN·m，是4種缺陷中波動范圍最大的，方差較大，為3.08 (μN·m)2。統計知，60%樣本的方差都大于2( μN·m)2，且大部分都在5(μN·m)2以上。計算得峭度值Q為7.27；統計中62.5%樣本的Q值大于4。功率譜峰值較大，約為600 W，樣本統計其峰值為100～2 000 W，功率譜大點較多且不在靠近0的位置。概率密度函數峰值較小，僅有0.25，樣本統計其峰值為0.1～0.45，圖形較平坦。統計看92.5%樣本的重心頻率和全部樣本的頻率方差都大于1。

圖10 內圈溝道表面粗糙度超差時典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數圖

4 結束語

綜上所述，這4種缺陷相對于正常軸承，其摩擦力矩波動都較明顯，功率譜峰值也較大，概率密度函數都沒有正常軸承尖銳，峰值也沒有正常軸承的大，重心頻率和頻率方差都大于1。其各自的不同點在于：

(1)外圈溝道形狀誤差超差明顯的特征是峭度值Q大于4，功率譜峰值在200 W左右，概率密度函數圖形較尖銳，峰值在0.5左右；

(2)內、外圈溝道形狀誤差超差時，包絡譜峰值所對應的頻率分別與內、外圈計算的接觸頻率有對應的關系；

(3)內圈溝道圓度超差明顯的特征是其功率譜峰值在400 W以上，概率密度函數峰值小于0.4，圖形不太尖銳，方差都大于1，與其他3種缺陷的不同還表現在包絡譜峰值所對應的頻率上；

(4)內圈溝道表面粗糙度超差明顯的特征是除尖峰外摩擦力矩波動范圍在4種缺陷中最大，樣本方差大，峭度值Q大于4。

以上這些缺陷的不同點可以作為該航天軸承單一缺陷的初步判據。