直流電動機軸承保持架運轉穩定性的改進

靳國棟，高武正，周益，高飛

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.北京控制工程研究所，北京 100190)

微型直流電動機一般用于航空航天系統中對摩擦力矩、壽命及可靠性有嚴格要求的主機上，而軸承是支承電動機運轉的核心部件，軸承的精度、性能及壽命直接影響著電動機的動態性能和可靠性。

該微型電動機使用加預載荷的角接觸球軸承，軸承裝用聚酰亞胺保持架。通常由于保持架運轉不穩定，造成其在軸承內部傾斜、渦動，與套圈擋邊及球非正常接觸、碰撞，使磨損物在溝道中聚集，并和潤滑油攪拌、聚合，導致潤滑失效，使軸承過度磨損而失效。

為了改善此類軸承保持架運轉不穩定性，優化設計了2種結構的保持架，并通過試驗確定了較為合適的結構類型。

1 保持架運動分析

微型直流電動機軸承一般用于中低轉速(轉速≤7 200 r/min)、載荷較小(最大接觸應力≤1 500 MPa)的工況，軸承一般不會發生疲勞失效，其失效模式主要是由于軸承內非正常磨損導致精度下降以致不能滿足主機的要求。

當軸承穩定工作(外圈旋轉，轉速為3 500～6 000 r/min)時，保持架外徑面與外圈擋邊、兜孔與球均存在不間斷的接觸碰撞，從而驅動、約束保持架旋轉。在接觸碰撞過程中，保持架與外圈、球間存在持續的能量交換，保持架不斷地被加速和減速。正常工作時，保持架外徑面及兜孔上均存在潤滑油膜，由油膜將2種運動件隔開。通過閃頻儀分析，穩定運轉的保持架存在一個穩定的旋轉中心，而運轉不穩定的保持架中心則在一個區域內呈雜亂無章軌跡[1]。

如果保持架結構或引導參數選取不當，將導致保持架與擋邊、兜孔接觸碰撞加劇，造成保持架上能量的積累和堆積。當積累的能量到達某個臨界值后，會劇烈地釋放，造成其在軸承內部劇烈的渦動或嘯叫。由于保持架釋放的能量直接通過球傳遞給軸承，會造成球運轉失穩，從而破壞軸承整體運轉的平穩性，進而導致軸承非正常磨損。

由于保持架在軸承內部屬于六自由度模型，其運動時只有套圈擋邊及球能起到部分約束作用，因此，一般通過調整保持架的外徑引導間隙和兜孔引導間隙來調整、約束保持架。延伸這一思路，在保持引導間隙不變的情況下，可以通過改變保持架外徑結構來減少外引導面，這樣既能減小引導面的接觸摩擦和軸承運轉摩擦力矩，減少保持架外徑處的能量交換，又能減輕保持架質量[2]。

2 保持架結構優化方案

該直流電動機軸承保持架為方兜孔實體保持架。裝用該保持架的軸承在使用中出現了較大概率的不穩定情況，主要表現為電動機運轉時振動和噪聲加大、電流增大和溫度升高等。通過對軸承分解發現，保持架外徑處(兜孔兩側)、兜孔內部均出現明顯的摩擦磨損痕跡，有黑色磨損物在外徑面處堆積的情況(圖1)。

為解決保持架運轉不穩定的問題，將原保持架外引導間隙和兜孔間隙保持不變，通過以下2種方案減小外徑引導面：(a)沿圓周方向切除部分外徑引導面；(b)在每個兜孔處加工出均布的減重槽。

圖1 保持架結構及磨損圖

2.1 方案a

在加工中心上以保持架內徑處定位，沿圓周方向將保持架外徑面部分切除，在兜孔兩側對稱位置留下1 mm寬的臺階作為外引導面，保持架結構如圖2所示。

圖2 方案a保持架結構示意圖

2.2 方案b

在加工中心上以保持架內徑面定位，用銑刀在每個兜孔位置加工出減重圓弧槽，保留過梁位置處的外徑面作為引導面，保持架結構如圖3所示。

圖3 方案b保持架結構示意圖

2.3 保持架性能對比

將方案a和b與原保持架進行性能對比，分別測量其質量、引導面積，并裝入軸承中測量啟動摩擦力矩，測試結果見表1。

由表中數據可以看出，a和b結構保持架的質量分別降低了22.76%和10.05%，引導面積分別減少了74.13%和56.54%。因此相應的成品軸承啟動摩擦力矩也隨之降低，且在啟動摩擦力矩測試過程中，a和b結構保持架均沒有出現摩擦力矩大點等異常情況。

表1 3種結構保持架性能測試結果

3 試驗驗證

分別采用a和b結構的保持架及同一組內圈、外圈和球裝配的軸承，在專用運轉裝置上進行常溫(20℃±5 ℃)、真空條件下的試驗，軸承轉速為5 300 r/min，運轉時間為3 000 h。

運轉3 000 h后對軸承進行分解檢查，通過觀察發現：在保持架外徑引導面上、兜孔兩側沿圓周方向有2條輕微接觸痕跡，兜孔四周存在輕微磨損點，總體上看，保持架接觸磨損情況均非常輕微，軸承可以繼續長期運轉。

分析保持架運轉接觸情況和運轉電流圖(圖4)可得以下結論。

(1)采用原保持架的軸承，保持架存在一定的概率會出現運轉不穩定情況，不穩定時電動機電流(等同于軸承摩擦力矩)發生明顯波動，波動范圍為平均值的20%，且該波動情況不會隨運轉時間得到抑制或消除，因此隨著電動機運轉時間的延長，軸承非正常磨損是不可避免的。其電流平均值也比a和b結構保持架的值偏大10%左右，與啟動摩擦力矩測試結果相一致。

(2)采用a和b結構保持架的軸承，其電動機電流較原軸承明顯平穩，電流平均值和波動幅度也偏小；從兩者接觸情況來看，保持架外徑面處接觸非常輕微，兜孔中接觸情況正常，表明隨著保持架引導面積的減小，軸承摩擦力矩亦減小，保持架和套圈接觸情況得到了改善，而兜孔與球的接觸沒有改變，這對提高保持架運轉穩定性是有利的。

(3)采用原保持架和a結構保持架的軸承運轉噪聲及振動情況大致相同，聲音柔和連續，手感振動適中；而采用b結構保持架的軸承的運轉噪聲明顯較前兩種大，手感振動也稍大，這與保持架外引導面不連續，其與套圈擋邊接觸也不連續有關。

圖4 采用3種保持架的電動機電流圖

(4)在提高保持架穩定性和降低軸承摩擦力矩方面，a和b結構的保持架處于同一水平，但b結構保持架給加工和檢測帶來了難度，容易造成減重圓弧槽不能相對兜孔均布，運轉時動平衡性也會遜于a結構保持架。因此，綜合分析認為a結構保持架更優。

4 結論

(1)經過改進的2種保持架均能提高電動機軸承運轉的穩定性，降低軸承摩擦力矩，但由于a結構保持架更容易加工和檢測，其結構更優。

(2)a結構保持架在主機載荷較小、中等轉速、對摩擦力矩有嚴格要求的工況中均能良好應用。