整體端蓋式液浮陀螺電動機軸承的性能試驗

李娟，孫北奇，潘鋼鋒，謝鵬飛，張煒

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 概述

液浮陀螺是廣泛應用于導航系統中的關鍵部件。其心臟部分是陀螺電動機，為了獲得最高的陀螺精度，電動機應具有在陀螺儀的容積和懸浮能力范圍內所能獲得的最大角動量。軸承作為液浮陀螺的關鍵部件，其性能直接影響陀螺的靈敏度和導引性能，由于陀螺電動機軸承的工況環境惡劣，易出現早期失效，因此液浮陀螺的壽命均是以陀螺電動機軸承的壽命作為依據。

整體端蓋式軸承(圖1)是一種新型的液浮陀螺專用軸承，目的是為了達到剛度大、配合精度高、可靠性好、壽命長等實際使用要求。該型軸承的特點是以軸承端面定位，成對預緊方式加載使用。在實際使用時，軸承預載荷設計的穩定性和可靠性關系到軸承設計特點的實現，也關乎陀螺電動機的整體質量；需對軸承進行運轉跑合性能試驗并分析，以此來判斷軸承是否滿足主機的要求。

1—鋼漆包線；2，7—軸承；3—固緊螺帽；4—定子軸；5—防塵蓋；6—磁鋼；8—轉子環

2 軸承主要失效形式

陀螺電動機軸承的主要失效形式有：保持架磨損及運轉不穩定；潤滑油變質及流失；軸承鋼球打滑導致接觸異常或磨損。

保持架磨損是最常見的失效形式，主要通過提高保持架材料的表面耐磨性，降低接觸表面的摩擦因數來解決[1]。

保持架運轉不穩定會導致軸承運轉過程中出現嘯叫和渦動。這主要與保持架兜孔間隙和軸承引導間隙之間匹配不合理有關，同時保持架的穩定性還與軸承中潤滑油量以及潤滑油的高速拖動性能有關[2]。主要通過嚴格控制保持架兜孔間隙和軸承引導間隙之間的匹配，同時選用拖動性能更好的潤滑油來解決。

潤滑油變質及流失是軸承長期運轉后的主要失效形式。當潤滑油品選定后，裝油量是最終的決定因素，合理的裝油量可以在保證軸承潤滑可靠性的同時大幅提升產品的性能。一般通過使用具有長期穩定性和良好流散性的潤滑油來解決。

打滑導致接觸異常或磨損，主要表現在軸承運轉一段時間后，鋼球表面有明顯的多條交叉接觸環帶，嚴重時鋼球表面全部發烏，有明顯磨損。其主要通過優化軸承設計參數，降低軸承內部的旋滾比來解決。

上述失效模式均會影響整機性能，故需進行試驗驗證。試驗檢測指標選擇最能反映液浮陀螺和軸承性能的指標，分別是陀螺電動機運行停慣時間和電流、軸承跑合后的接觸表面質量以及保持架含油量的變化。

3 試驗要求

3.1 試驗軸承

為了避免軸承制造因素的影響，試驗軸承為各項精度、軸向振動檢測合格的產品，且進行了剛度配對。套圈和鋼球均進行表面TCP處理。外形尺寸為Ф16.5/Ф17.6 mm×Ф2 mm×3.5 mm (小外徑/大外徑×內徑×寬度) ；球徑為1.2 mm；保持架含油率為10%～15%。軸承參數詳見表1(表中g為重力加速度)。

表1 試驗軸承參數

3.2 液浮陀螺整機

液浮陀螺的電動機轉子、定子及相關零件均為合格品。按照正規的裝配工藝要求進行陀螺電動機的裝配，對裝配好的電動機進行精密平衡，使用配套的驅動電源進行運轉試驗，使其達到合格產品的規范要求。

3.3 試驗條件

轉速為24 000 r/min(同步轉速，外圈旋轉)；運轉時間為300～500 h；環境溫度為常溫；工作介質為大氣；載荷為徑向0.7 N，軸向6 N；潤滑方式為自潤滑；試驗儀器包括精密天平、振動測試儀、噪聲測試儀、秒表、電流表和相機。

3.4 試驗電動機的要求

100 h后整機停慣時間為40～50 s；電動機電流變化量不超過5%。

4 試驗結果及分析

4.1 陀螺電動機運行停慣時間及電流

陀螺電動機運行停慣時間及電流試驗數據見表2。

由表2可知，試驗電動機在430 h的試驗過程中各項數據正常，軸承的停慣時間在整個運轉過程中呈變長穩定趨勢，100 h后停慣時間穩定在40～50 s，電流變化量為3%，小于電動機試驗的考核指標。這說明軸承跑合運轉正常，軸承內部無異常磨損情況出現。

表2 陀螺電動機運行停慣時間及電流

4.2 軸承分解情況

分解跑合后的軸承發現，內、外圈溝道表面無明顯的接觸異常和磨痕，在顯微鏡下觀察發現溝道表面均有一層薄薄的油膜；鋼球表面無明顯磨痕，也均附著有一層薄薄的油膜；保持架表面和兜孔也較正常，無明顯的接觸磨損情況出現。

上述軸承分解情況表明，整個軸承接觸表面質量正常。由此，排除了以下3種軸承失效模式出現的可能性，即：(1)保持架材料耐磨性差而導致保持架出現早期異常磨損；(2)保持架設計參數不合理使保持架高速運轉不穩定而導致其異常磨損；(3)軸承設計參數不合理或軸承預載荷不合適而導致軸承運轉聲音異常以及鋼球公轉和自轉打滑使軸承出現異常磨損。

4.3 保持架含油情況

保持架是軸承運轉時潤滑油的來源。軸承內部的潤滑路線為保持架→軸承零件→保持架，從而形成潤滑循環系統。保持架的存油性能和含油量對軸承的長期運轉壽命有較大影響。

試驗前一端軸承的保持架質量為13.28 mg，含油量為1.35 mg，含油率為11.3%。經過430 h試驗后，保持架質量為13.27 mg，含油量為1.34 mg，考慮到測量誤差，基本上無變化。

試驗前另一端軸承的保持架質量為13.35 mg，含油量為1.50 mg，含油率為11.2%。經過430 h試驗后，保持架質量為13.36 mg，含油量為1.51 mg，考慮到測量誤差，基本上也無變化。

說明軸承經過試驗后，保持架所含潤滑油無明顯流失，結合軸承分解后的表面分析情況可知，保持架的含油量足以形成可靠的潤滑油膜，軸承潤滑系統是可靠的。

從試驗結果可知，保持架含油率符合試驗考核要求的10%～15%。該軸承經過430 h運轉分解后，軸承內部潤滑油的流失并不明顯，潤滑油酸解變質的現象也未發生，所以正常條件下可保障軸承壽命。

4.4 噪聲監測

環境噪聲為60 dB，在運轉過程中噪聲變化不大，確認整機工作正常。

5 結束語

由于高速陀螺電動機的失效曲線是典型的兩頭高中間低的浴盆形狀，即在0～300 h易出現較高的早期失效概率，中間段是失效概率很低的穩定段，后期是磨損到一定程度的壽命即將到期的較高的失效概率區間。其中0～300 h的早期失效是高速陀螺電動機最致命的問題，由于早期運轉各零件的表面摩擦狀態和潤滑狀態都未進入最佳狀態，易出現軸承的早期磨損問題，如果磨損嚴重，中間的失效概率的穩定段就會變得非常短，電動機壽命也會受到很大影響；所以盡可能地降低和消除高速陀螺電動機軸承的早期異常運轉磨損是保證高速陀螺電動機壽命的關鍵。通過400 h的高速陀螺電動機性能試驗監測、軸承試驗后分解的外觀檢查以及保持架含油狀態的分析測試可知，軸承整體運行狀態穩定，潤滑狀態良好，沒有出現鋼球打滑和保持架異常磨損的情況，從而證明了軸承的結構設計參數、預載荷控制、保持架結構尺寸以及潤滑狀態的控制非常合理，有效避免了軸承早期失效中的鋼球打滑、保持架嘯叫和渦動及溝道貧油等情況，為高速陀螺電動機的長期運轉打下了良好基礎。