直流電動(dòng)機(jī)軸承保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的改進(jìn)

靳國(guó)棟，高武正，周益，高飛

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

微型直流電動(dòng)機(jī)一般用于航空航天系統(tǒng)中對(duì)摩擦力矩、壽命及可靠性有嚴(yán)格要求的主機(jī)上，而軸承是支承電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件，軸承的精度、性能及壽命直接影響著電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和可靠性。

該微型電動(dòng)機(jī)使用加預(yù)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(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，造成其在軸承內(nèi)部?jī)A斜、渦動(dòng)，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(rùn)滑油攪拌、聚合，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效，使軸承過(guò)度磨損而失效。

為了改善此類軸承保持架運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了2種結(jié)構(gòu)的保持架，并通過(guò)試驗(yàn)確定了較為合適的結(jié)構(gòu)類型。

1 保持架運(yùn)動(dòng)分析

微型直流電動(dòng)機(jī)軸承一般用于中低轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速≤7 200 r/min)、載荷較小(最大接觸應(yīng)力≤1 500 MPa)的工況，軸承一般不會(huì)發(fā)生疲勞失效，其失效模式主要是由于軸承內(nèi)非正常磨損導(dǎo)致精度下降以致不能滿足主機(jī)的要求。

當(dāng)軸承穩(wěn)定工作(外圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為3 500～6 000 r/min)時(shí)，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(qū)動(dòng)、約束保持架旋轉(zhuǎn)。在接觸碰撞過(guò)程中，保持架與外圈、球間存在持續(xù)的能量交換，保持架不斷地被加速和減速。正常工作時(shí)，保持架外徑面及兜孔上均存在潤(rùn)滑油膜，由油膜將2種運(yùn)動(dòng)件隔開(kāi)。通過(guò)閃頻儀分析，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的保持架存在一個(gè)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)中心，而運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的保持架中心則在一個(gè)區(qū)域內(nèi)呈雜亂無(wú)章軌跡[1]。

如果保持架結(jié)構(gòu)或引導(dǎo)參數(shù)選取不當(dāng)，將導(dǎo)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(dāng)積累的能量到達(dá)某個(gè)臨界值后，會(huì)劇烈地釋放，造成其在軸承內(nèi)部劇烈的渦動(dòng)或嘯叫。由于保持架釋放的能量直接通過(guò)球傳遞給軸承，會(huì)造成球運(yùn)轉(zhuǎn)失穩(wěn)，從而破壞軸承整體運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，進(jìn)而導(dǎo)致軸承非正常磨損。

由于保持架在軸承內(nèi)部屬于六自由度模型，其運(yùn)動(dòng)時(shí)只有套圈擋邊及球能起到部分約束作用，因此，一般通過(guò)調(diào)整保持架的外徑引導(dǎo)間隙和兜孔引導(dǎo)間隙來(lái)調(diào)整、約束保持架。延伸這一思路，在保持引導(dǎo)間隙不變的情況下，可以通過(guò)改變保持架外徑結(jié)構(gòu)來(lái)減少外引導(dǎo)面，這樣既能減小引導(dǎo)面的接觸摩擦和軸承運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhì)量[2]。

2 保持架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

該直流電動(dòng)機(jī)軸承保持架為方兜孔實(shí)體保持架。裝用該保持架的軸承在使用中出現(xiàn)了較大概率的不穩(wěn)定情況，主要表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)和噪聲加大、電流增大和溫度升高等。通過(guò)對(duì)軸承分解發(fā)現(xiàn)，保持架外徑處(兜孔兩側(cè))、兜孔內(nèi)部均出現(xiàn)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(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的問(wèn)題，將原保持架外引導(dǎo)間隙和兜孔間隙保持不變，通過(guò)以下2種方案減小外徑引導(dǎo)面：(a)沿圓周方向切除部分外徑引導(dǎo)面；(b)在每個(gè)兜孔處加工出均布的減重槽。

圖1 保持架結(jié)構(gòu)及磨損圖

2.1 方案a

在加工中心上以保持架內(nèi)徑處定位，沿圓周方向?qū)⒈３旨芡鈴矫娌糠智谐诙悼變蓚?cè)對(duì)稱位置留下1 mm寬的臺(tái)階作為外引導(dǎo)面，保持架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 方案a保持架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 方案b

在加工中心上以保持架內(nèi)徑面定位，用銑刀在每個(gè)兜孔位置加工出減重圓弧槽，保留過(guò)梁位置處的外徑面作為引導(dǎo)面，保持架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 方案b保持架結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 保持架性能對(duì)比

將方案a和b與原保持架進(jìn)行性能對(duì)比，分別測(cè)量其質(zhì)量、引導(dǎo)面積，并裝入軸承中測(cè)量啟動(dòng)摩擦力矩，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，a和b結(jié)構(gòu)保持架的質(zhì)量分別降低了22.76%和10.05%，引導(dǎo)面積分別減少了74.13%和56.54%。因此相應(yīng)的成品軸承啟動(dòng)摩擦力矩也隨之降低，且在啟動(dòng)摩擦力矩測(cè)試過(guò)程中，a和b結(jié)構(gòu)保持架均沒(méi)有出現(xiàn)摩擦力矩大點(diǎn)等異常情況。

表1 3種結(jié)構(gòu)保持架性能測(cè)試結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

分別采用a和b結(jié)構(gòu)的保持架及同一組內(nèi)圈、外圈和球裝配的軸承，在專用運(yùn)轉(zhuǎn)裝置上進(jìn)行常溫(20℃±5 ℃)、真空條件下的試驗(yàn)，軸承轉(zhuǎn)速為5 300 r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為3 000 h。

運(yùn)轉(zhuǎn)3 000 h后對(duì)軸承進(jìn)行分解檢查，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)：在保持架外徑引導(dǎo)面上、兜孔兩側(cè)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(diǎn)，總體上看，保持架接觸磨損情況均非常輕微，軸承可以繼續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。

分析保持架運(yùn)轉(zhuǎn)接觸情況和運(yùn)轉(zhuǎn)電流圖(圖4)可得以下結(jié)論。

(1)采用原保持架的軸承，保持架存在一定的概率會(huì)出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定情況，不穩(wěn)定時(shí)電動(dòng)機(jī)電流(等同于軸承摩擦力矩)發(fā)生明顯波動(dòng)，波動(dòng)范圍為平均值的20%，且該波動(dòng)情況不會(huì)隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間得到抑制或消除，因此隨著電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，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(jié)構(gòu)保持架的值偏大10%左右，與啟動(dòng)摩擦力矩測(cè)試結(jié)果相一致。

(2)采用a和b結(jié)構(gòu)保持架的軸承，其電動(dòng)機(jī)電流較原軸承明顯平穩(wěn)，電流平均值和波動(dòng)幅度也偏小；從兩者接觸情況來(lái)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(dǎo)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(méi)有改變，這對(duì)提高保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性是有利的。

(3)采用原保持架和a結(jié)構(gòu)保持架的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及振動(dòng)情況大致相同，聲音柔和連續(xù)，手感振動(dòng)適中；而采用b結(jié)構(gòu)保持架的軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲明顯較前兩種大，手感振動(dòng)也稍大，這與保持架外引導(dǎo)面不連續(xù)，其與套圈擋邊接觸也不連續(xù)有關(guān)。

圖4 采用3種保持架的電動(dòng)機(jī)電流圖

(4)在提高保持架穩(wěn)定性和降低軸承摩擦力矩方面，a和b結(jié)構(gòu)的保持架處于同一水平，但b結(jié)構(gòu)保持架給加工和檢測(cè)帶來(lái)了難度，容易造成減重圓弧槽不能相對(duì)兜孔均布，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)平衡性也會(huì)遜于a結(jié)構(gòu)保持架。因此，綜合分析認(rèn)為a結(jié)構(gòu)保持架更優(yōu)。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的2種保持架均能提高電動(dòng)機(jī)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，降低軸承摩擦力矩，但由于a結(jié)構(gòu)保持架更容易加工和檢測(cè)，其結(jié)構(gòu)更優(yōu)。

(2)a結(jié)構(gòu)保持架在主機(jī)載荷較小、中等轉(zhuǎn)速、對(duì)摩擦力矩有嚴(yán)格要求的工況中均能良好應(yīng)用。