動(dòng)壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟停可靠性分析研究

王京鋒，劉景林，卜 石

(1．西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129；2．中國(guó)航天科技九院第十六研究所，西安 710100)

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動(dòng)壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟停可靠性分析研究

王京鋒1,2，劉景林1，卜 石2

(1．西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129；2．中國(guó)航天科技九院第十六研究所，西安 710100)

長(zhǎng)壽命、低噪聲機(jī)械陀螺電機(jī)都趨于采用動(dòng)壓氣體軸承，其壽命取決于動(dòng)壓氣體軸承陀螺電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱動(dòng)壓電機(jī))的啟停次數(shù)，并且以其啟停次數(shù)來(lái)表征陀螺的壽命。建立動(dòng)壓電機(jī)啟停可靠性模型樹(shù)全面分析，指出多余物和材料白斑是最主要的影響因素，提出改進(jìn)電機(jī)、軸承零組件的清洗、除氣方法，以及加嚴(yán)材料零件外觀的檢查和篩選標(biāo)準(zhǔn)，并作為動(dòng)壓電機(jī)可靠性篩選手段，可進(jìn)一步有效地保證動(dòng)壓電機(jī)的可靠性水平。

動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)；啟停；可靠性

0 引 言

動(dòng)壓氣體軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有機(jī)械接觸，它是以無(wú)源氣體形成自潤(rùn)滑氣膜，通過(guò)軸承工作面的切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得氣膜在軸承間隙內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力來(lái)承載，因此可增加電機(jī)的連續(xù)工作壽命，同時(shí)也大大降低了軸承的噪聲水平。基于動(dòng)壓氣體軸承的上述優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)壽命、低噪聲陀螺應(yīng)用場(chǎng)合都趨于采用動(dòng)壓氣體軸承[1]。

目前，國(guó)內(nèi)在動(dòng)壓氣體軸承的研制方面比較成熟的還是線軸型軸承結(jié)構(gòu)，以某型液浮陀螺使用的外轉(zhuǎn)子動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱動(dòng)壓電機(jī))為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示。陀螺電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子組件、定子組件、轉(zhuǎn)子體、軸套、左/右止推板、電機(jī)軸等零組件組成。動(dòng)壓氣體軸承采用線軸型結(jié)構(gòu)既能確保加工精度，又解決了軸承徑向同軸度問(wèn)題，還便于軸承零件的清洗和裝配，在電機(jī)反復(fù)裝拆過(guò)程中，其轉(zhuǎn)子只需一次動(dòng)平衡，裝拆十分便利。

線軸型相對(duì)其它結(jié)構(gòu)有顯著優(yōu)點(diǎn)：①在相同外形尺寸、額定轉(zhuǎn)速、額定氣隙、相同氣體介質(zhì)條件下，線軸型軸承靜態(tài)剛度與摩擦力矩比值最大(靜態(tài)剛度與摩擦力矩之比是氣體動(dòng)壓軸承優(yōu)化目標(biāo)函數(shù))。②采用普通精密加工及檢測(cè)手段即可制造線軸型氣體動(dòng)壓軸承，即加工檢測(cè)相對(duì)容易。

圖1 動(dòng)壓電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 動(dòng)壓氣體軸承工作原理[2]

線軸型動(dòng)壓氣體軸承由軸頸軸承和止推軸承組成。軸頸軸承如圖2所示，由圓柱形軸套和圓筒形轉(zhuǎn)子構(gòu)成。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于氣體的粘性作用和摩擦，轉(zhuǎn)子會(huì)帶動(dòng)氣體進(jìn)入軸承間隙中，并且一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子趨近圖2位置時(shí)，形成楔形氣膜，此時(shí)徑向間隙最小，氣體被壓縮形成相應(yīng)的高壓區(qū)。這種楔形氣膜可托起軸承轉(zhuǎn)子，將軸套和轉(zhuǎn)子的工作表面完全隔離，形成了無(wú)接觸的動(dòng)壓氣體軸頸軸承。

而止推軸承由轉(zhuǎn)子止推面和止推板構(gòu)成，止推軸承工作原理如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子止推面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同樣由于氣體的粘滯和摩擦作用，將會(huì)帶動(dòng)氣體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。氣流沿著止推板泵入型螺旋槽中心方向泵進(jìn)，當(dāng)氣流受到止推板封閉區(qū)阻擋時(shí)，氣膜壓力升高，并在有槽區(qū)和封閉區(qū)交界處壓力達(dá)到最大值，同時(shí)每個(gè)槽臺(tái)之間存在階梯效應(yīng)，壓力成鋸齒形分布。正是這種泵進(jìn)效應(yīng)和階梯效應(yīng)一起作用產(chǎn)生了止推軸承的承載能力。

圖3 止推軸承工作原理圖

無(wú)論是軸頸軸承還是止推軸承，在正常工作時(shí)軸承定子部分和轉(zhuǎn)子部分都是無(wú)接觸的，理論上壽命無(wú)限長(zhǎng)。但是動(dòng)壓電機(jī)在啟停過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)速不高，支承氣膜尚沒(méi)形成或正在消失，軸承表面在接觸條件下滑動(dòng)，產(chǎn)生一定的低速摩擦和磨損，只要存在摩擦磨損就有可能產(chǎn)生多余物，另外考慮到在電機(jī)裝配或者零組件清洗不干凈時(shí)均會(huì)帶入多余物，這些都可能會(huì)導(dǎo)致軸承氣隙減小甚至卡滯，嚴(yán)重影響動(dòng)壓電機(jī)的啟停可靠性，因此用動(dòng)壓電機(jī)的機(jī)械陀螺壽命主要決定于陀螺電機(jī)的啟停次數(shù)，并且以其啟停次數(shù)來(lái)表征陀螺的壽命。

2 動(dòng)壓電機(jī)的啟停可靠性分析

一般動(dòng)壓氣體軸承陀螺電機(jī)的啟停次數(shù)要求不少于3 000次。在生產(chǎn)過(guò)程中曾發(fā)生過(guò)有的動(dòng)壓電機(jī)偶爾出現(xiàn)不啟動(dòng)或者啟停幾百次后不啟動(dòng)的故障現(xiàn)象。因此針對(duì)動(dòng)壓電機(jī)的啟停可靠性需要進(jìn)行深入研究，一方面對(duì)影響啟停可靠性的每個(gè)因素進(jìn)行逐一分析，制定對(duì)策和措施，另一方面采取低壓?jiǎn)?dòng)、反力矩、浮起時(shí)間等測(cè)試手段進(jìn)行篩選，保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足陀螺使用要求。

將“動(dòng)壓軸承電機(jī)啟停可靠性”定義為頂事件，建立液浮陀螺動(dòng)壓電機(jī)啟停可靠性的故障樹(shù)如圖4所示。

圖4 動(dòng)壓軸承陀螺電機(jī)啟停可靠性分析模型

故障樹(shù)主要從陀螺本體內(nèi)部問(wèn)題(D1)和動(dòng)壓電機(jī)自身問(wèn)題(D2)兩條分支為主線，對(duì)各分支內(nèi)容展開(kāi)逐一分析。

2.1 陀螺本體內(nèi)部問(wèn)題(D1)

陀螺電機(jī)裝配在液浮陀螺浮子內(nèi)部，并且浮子內(nèi)充高純度氦氣介質(zhì)。“陀螺本體內(nèi)部問(wèn)題”帶來(lái)的動(dòng)壓電機(jī)啟停可靠性影響因素主要聚焦在浮子組件部分，而浮子內(nèi)部的絕大多數(shù)問(wèn)題主要與動(dòng)壓電機(jī)自身狀態(tài)有關(guān)。浮子組件示意圖如圖5所示。

圖5 陀螺浮子結(jié)構(gòu)示意圖

“陀螺本體內(nèi)部問(wèn)題”故障分析主要從浮子密封、充氣、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及過(guò)程中穩(wěn)定處理等展開(kāi)分析，具體如圖6所示。

圖6 陀螺本體內(nèi)部問(wèn)題分支故障樹(shù)

(1)浮子漏油(D11)

若浮子組件漏油，浮油滲入動(dòng)壓軸承間隙，影響軸承氣膜建立，導(dǎo)致電機(jī)啟停過(guò)程中，軸承零件高速接觸產(chǎn)生累進(jìn)故障或突發(fā)故障，影響電機(jī)啟停次數(shù)。一般情況分解故障陀螺時(shí)重點(diǎn)檢查浮子氣密性(接線柱部位、浮筒與框架配合部分、充氣嘴部位)進(jìn)行故障確認(rèn)。

(2)浮子內(nèi)裝配多余物(D12)

浮子內(nèi)裝配過(guò)程中清潔不到位，或陀螺在工作、振動(dòng)過(guò)程中浮子內(nèi)膠接件位移導(dǎo)致膠層脫落或框架上鍍覆層脫落，形成多余物微粒，進(jìn)入動(dòng)壓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)形成的流體場(chǎng)中，造成動(dòng)壓電機(jī)氣隙的污染或堵塞，最終影響動(dòng)壓電機(jī)啟動(dòng)。

圖7中圈裝標(biāo)記位置是目前浮子裝配時(shí)框架上主要使用環(huán)氧膠的部位。圖8是浮子內(nèi)部流體場(chǎng)仿真情況。電機(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)浮子內(nèi)充滿的氦氣產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流，浮子內(nèi)的氦氣在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的影響下，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)，包括層流和紊流。氦氣流動(dòng)有層流和湍流兩種形式，一般動(dòng)壓電機(jī)間隙部位因尺寸狹小，為層流區(qū)。仿真云圖中繞電機(jī)附近區(qū)域?yàn)閷恿鲌?chǎng)，框架周圍及浮子兩端區(qū)域因結(jié)構(gòu)有圓角、棱邊等影響，在框架部位有圓角結(jié)構(gòu)及遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心位置，流體場(chǎng)呈顯出湍流特性。

圖7 框架結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 浮子內(nèi)部流體場(chǎng)云圖

通過(guò)仿真分析，浮子內(nèi)部流體在受到高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下對(duì)電機(jī)產(chǎn)生風(fēng)阻效應(yīng)，會(huì)造成對(duì)電機(jī)及浮子內(nèi)壁的風(fēng)蝕，有可能在浮子內(nèi)部沉積顆粒性污染物。建議浮子內(nèi)部在最大速度暴露的結(jié)構(gòu)處不進(jìn)行鍍覆、膠接等工藝設(shè)置，可以避免產(chǎn)生風(fēng)蝕污染物。

(3)浮子內(nèi)非電機(jī)帶入揮發(fā)物(D13)

電機(jī)工作在封閉浮子組件內(nèi)，浮子內(nèi)的膠類、表面處理的化學(xué)物質(zhì)揮發(fā)后可能進(jìn)入軸承內(nèi)部沉積成為多余物。后續(xù)在電機(jī)上框架后，固定電機(jī)軸、壓塊時(shí)僅在螺紋部位使用膠，盡可能減少污染源。在電機(jī)上框架到封充氣嘴之間進(jìn)行釋放揮發(fā)物的除氣處理。應(yīng)注意熱真空后封浮筒時(shí)間間隔要求；陀螺零組件除氣后防護(hù)及保持。

(4)電機(jī)安裝后軸系材料不匹配造成的軸系變形(D14)

電機(jī)安裝后，壓緊部位由于框架、膠、電機(jī)軸材料線脹系數(shù)不一致在后期工藝過(guò)程或工作過(guò)程出現(xiàn)結(jié)構(gòu)配合不穩(wěn)定性，導(dǎo)致電機(jī)軸系變形，影響電機(jī)啟動(dòng)。從目前電機(jī)監(jiān)控參數(shù)看，其慣性時(shí)間變化上反映比較明顯。

(5)浮子內(nèi)充氣壓力(D15)

動(dòng)壓氣體軸承是以無(wú)源氣體形成潤(rùn)滑，浮子內(nèi)充氣壓力變化會(huì)影響氣體潤(rùn)滑特性及影響動(dòng)壓軸承剛度。查陀螺裝配過(guò)程數(shù)據(jù)，可排除浮子充氣時(shí)壓力不足問(wèn)題。

(6)啟停過(guò)程中電機(jī)溫度梯度影響(D16)

根據(jù)動(dòng)壓電機(jī)結(jié)構(gòu)分析，電機(jī)自身及其外部溫度梯度不均勻，將影響軸承間隙，氣膜厚度、軸承尺寸等，同時(shí)氣體粘度隨溫度增大而增加。所以動(dòng)壓電機(jī)工作在較低溫度比工作在高溫度更有利于電機(jī)啟停。

電機(jī)啟停試驗(yàn)嚴(yán)格要求控制試驗(yàn)溫度，與陀螺工況一致，保證電機(jī)啟停整個(gè)過(guò)程溫度條件一致。

2.2 動(dòng)壓電機(jī)自身問(wèn)題(D2)

浮子內(nèi)除去陀螺本體影響因素外，電機(jī)啟停可靠性主要由電機(jī)自身決定。如圖9所示，動(dòng)壓電機(jī)自身方面主要從三條分支展開(kāi)：動(dòng)壓軸承結(jié)構(gòu)、動(dòng)壓電機(jī)多余物和電機(jī)設(shè)計(jì)。下面以此三條主線對(duì)動(dòng)壓電機(jī)自身問(wèn)題帶來(lái)的啟停可靠性故障內(nèi)容展開(kāi)逐一分析。

圖9 動(dòng)壓軸承電機(jī)啟停可靠性故障樹(shù)

(1)動(dòng)壓軸承結(jié)構(gòu)(D21)

圖10是動(dòng)壓電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)分支展開(kāi)的分析樹(shù)。

圖10 動(dòng)壓軸承結(jié)構(gòu)故障樹(shù)分支

(a)軸承結(jié)構(gòu)件精度(D211)

軸承結(jié)構(gòu)件精度通過(guò)影響軸承工作面位置關(guān)系、動(dòng)壓氣膜，最終影響啟停摩擦和力學(xué)性能。軸承結(jié)構(gòu)件精度影響電機(jī)啟停可靠性的主要指標(biāo)為軸承端面精度(D2111)和軸套垂直度(D2112)。軸套外圓對(duì)端面垂直度是通過(guò)專用工裝研磨端面保證。對(duì)于端面垂直度的測(cè)量，采用夾持軸套外圓，光管檢測(cè)端面激光入射與反射光線角度之差來(lái)判斷端面垂直度。同時(shí)，通過(guò)軸承耐回轉(zhuǎn)能力來(lái)篩選控制。一般故障陀螺電機(jī)分解時(shí)軸套和轉(zhuǎn)子體的相關(guān)精度不能復(fù)測(cè)，著重關(guān)注表面摩擦情況、多余物分布情況、前后表觀變化等。

(b)止推板變形(D212)

止推板的變形將影響軸承有效工作面相互位置關(guān)系進(jìn)而影響軸承摩擦和力學(xué)能力。若止推板在工作中出現(xiàn)形變，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸承接觸摩擦、甚至卡滯不能啟停。影響止推板變形的主要因素有：止推板溫度變形(D2121)、止推板接觸應(yīng)力變形(D2122)、止推板時(shí)效變形(D2123)。

① 止推板溫度變形(D2121)

止推板材料CrWMn屬于低合金工具鋼，其主要優(yōu)點(diǎn)是在淬火、回火后，獲得較高硬度和耐磨性，同時(shí)變形小。因?yàn)樗腗S點(diǎn)較低，淬火組織中有較多的殘留奧氏體，可抵消馬氏體的膨大作用。目前工藝技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定。

② 止推板接觸應(yīng)力變形(D2122)

在啟停過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)速不高，支承氣膜尚沒(méi)形成或正在消失，軸承表面在接觸條件下滑動(dòng)。電機(jī)可能出現(xiàn)接觸摩擦情形，根據(jù)目前實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，止推板基本沒(méi)有變化。

③ 止推板時(shí)效變形(D2123)

目前無(wú)數(shù)據(jù)描述止推板在長(zhǎng)期放置情況下，內(nèi)應(yīng)力使之變形的情況，因此，止推板實(shí)效變形還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。一般電機(jī)分解時(shí)可著重分析止推板變形量，與裝配前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；觀察止推板磨痕，多余物分布情況、成分等。

(c)軸向、徑向間隙(D213)

軸向、徑向間隙控制差異，會(huì)影響軸承的軸向、徑向承載能力一致性不好，造成在運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)條件下，軸承零件高速接觸產(chǎn)生累進(jìn)故障或突發(fā)故障。目前軸向間隙通過(guò)配合控制零件高度差，通過(guò)采用電感比較儀進(jìn)行組合間隙檢測(cè)。電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)狀態(tài)可以保證軸向、徑向間隙控制要求。

(2) 動(dòng)壓軸承電機(jī)多余物(D22)

動(dòng)壓軸承電機(jī)易受多余物影響，一旦軸承間隙進(jìn)入多余物一定會(huì)影響動(dòng)壓軸承電機(jī)啟停可靠性。圖11是動(dòng)壓電機(jī)多余物分支展開(kāi)的分析樹(shù)。

(a)裝配帶入多余物(D221)

動(dòng)壓軸承電機(jī)出現(xiàn)的多余物一般是電機(jī)外圍或電機(jī)本身產(chǎn)生多余物，或積累進(jìn)入軸承/轉(zhuǎn)子氣隙，除電機(jī)本身多余物外，外圍造成轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平穩(wěn)，影響軸承性能的主要因素有：裝配帶入多余物(D221)，其主要與氣體清潔度低(氣體本身或充氣裝置帶入)(D2211)及電機(jī)零件清洗不徹底有殘留(D2212)相關(guān)。

(b)軸承本身缺陷產(chǎn)生多余物(D222)

軸承本身產(chǎn)生多余物的主要因素有：軸承倒角帶來(lái)的毛刺(D2221)、止推板、軸套表面刻蝕積瘤殘存(D2222)、軸套、轉(zhuǎn)子體斑點(diǎn)(D2223)、軸套開(kāi)裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開(kāi)裂(D2224)。

① 軸套倒角帶來(lái)的毛刺(D2221)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)倒角毛刺是通過(guò)倒角后拋研、40×顯微鏡下檢查、裝配前清晰檢查、三維視頻儀照相檢查的措施來(lái)進(jìn)行篩選控制。

圖11 動(dòng)壓軸承電機(jī)多余物故障樹(shù)分支

② 止推板、軸套表面刻蝕積瘤殘存或有缺陷(D2222)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)刻蝕積瘤問(wèn)題是通過(guò)拋研、40×顯微鏡下檢查、裝配前清晰檢查、三維視頻儀照相檢查的措施來(lái)進(jìn)行篩選控制。后續(xù)故障陀螺分解時(shí)著重分析電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面情況，是否有積瘤脫落，缺陷擴(kuò)大、摩擦痕跡等。

③ 軸套、轉(zhuǎn)子體斑點(diǎn)(D2223)

查閱資料和咨詢相關(guān)專家了解到，白色斑點(diǎn)是立方碳化硼材料在加工過(guò)程基體表面剝落區(qū)凹凸不平造成反光強(qiáng)度不同，因而在宏觀上呈現(xiàn)為白斑[3]。材料白斑區(qū)的成分經(jīng)分析是正常的碳化硼相，并非夾雜有外來(lái)其他物質(zhì)。白斑現(xiàn)象可以通過(guò)提高試樣強(qiáng)度和改進(jìn)加工工藝來(lái)消除。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)表面檢查、拍照，并且對(duì)轉(zhuǎn)子體端面白斑進(jìn)行篩選。

④ 軸套開(kāi)裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開(kāi)裂(D2224)

目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸套開(kāi)裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開(kāi)裂現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軸套開(kāi)裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開(kāi)裂的控制，是通過(guò)40倍顯微鏡下外觀檢查、裝配過(guò)程中三維視頻儀照相檢查進(jìn)行的。

(c)電機(jī)揮發(fā)物(D223)

揮發(fā)物在軸承間隙沉積形成多余物，其分以下兩條故障路徑：① 電機(jī)內(nèi)膠類(D2231);② 電機(jī)內(nèi)漆類(D2232)。電機(jī)內(nèi)揮發(fā)物來(lái)自電機(jī)定子上浸漬的絕緣漆和定子疊片間膠等。熱真空過(guò)程中電機(jī)內(nèi)膠漆揮發(fā)最為明顯，采用脫脂棉擦拭熱真空箱內(nèi)壁能夠看到黃色揮發(fā)物，隨著熱真空時(shí)間增加、次數(shù)增加，無(wú)揮發(fā)物出現(xiàn)。

(d)軸承零件濕度影響(D224)

軸承表面水分在氣膜增壓情況下形成“露點(diǎn)”影響電機(jī)剛度，繼而影響電機(jī)啟動(dòng)特性。一方面，如果過(guò)程中防護(hù)不到位，軸承表面在穩(wěn)定處理或熱真空后可能存在水分；另外充氣的氣體未經(jīng)干燥過(guò)濾，氣體濕度不確定，會(huì)給浮子組件內(nèi)帶入濕氣，后期可能造成裝入陀螺后的動(dòng)壓軸承零件在啟動(dòng)中產(chǎn)生累進(jìn)故障，影響啟停可靠性。

(3)電機(jī)設(shè)計(jì)(D23)

動(dòng)壓軸承電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)啟動(dòng)力矩裕量是否充裕也會(huì)影響動(dòng)壓軸承電機(jī)啟停可靠性。圖12是動(dòng)壓電機(jī)設(shè)計(jì)因素分支展開(kāi)的分析樹(shù)。動(dòng)壓氣體軸承材料的性能關(guān)系到軸承能否正常工作，進(jìn)而決定軸承的壽命。為提高軸承壽命,軸承材料必須耐磨。為防止軸承在高速接觸時(shí)破壞軸承,材料還要具有防卡的特性。陀螺用氣體軸承比一般普通用氣體軸承對(duì)材料的要求更為嚴(yán)格,主要表現(xiàn)在要求動(dòng)壓軸承具有穩(wěn)定的微小間隙和低的靜摩擦力矩,使軸承轉(zhuǎn)子質(zhì)心和氣膜動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定,同時(shí),應(yīng)保證靜摩擦造成的熱耗要小。

圖12 電機(jī)設(shè)計(jì)故障樹(shù)分支

2.3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)該型動(dòng)壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟動(dòng)可靠性影響各因素的分析，可以歸納為以下兩條主要影響因素：(1)多余物或揮發(fā)物帶來(lái)的影響;(2)材料白斑等缺陷帶來(lái)的影響。后續(xù)需要針對(duì)以上因素進(jìn)行改進(jìn)措施。

3 改進(jìn)的措施

3.1 零組件清洗技術(shù)

動(dòng)壓電機(jī)軸承污染是不可避免的，因?yàn)楝F(xiàn)階段以至今后較長(zhǎng)時(shí)期，拘于技術(shù)局限尚不能杜絕污染源。如定子線包浸漆，轉(zhuǎn)子組件用膠合劑，軸承零件加工用冷卻液，研磨膏及稀釋劑，磁滯環(huán)和定子疊片絕緣噴膠等，都是揮發(fā)性污染源，高溫環(huán)境下?lián)]發(fā)濃度還會(huì)增大。又如電機(jī)零件分別用高比重合金、鈦合金、磁滯合金、碳化硼制成，無(wú)論表面多么光潔，由于材料物理本性所決定的晶構(gòu)洞穴存在而藏污納垢，以高比重合金最甚，碳化硼次之。這兩個(gè)基本原因決定了軸承被污染不可避免，相應(yīng)地只能采取排除污染、抑制污染的措施。

然而定子和轉(zhuǎn)子組合件的特殊性給化學(xué)溶劑清洗造成種種限制，如轉(zhuǎn)子組件清洗不能用酸堿，用常規(guī)溶劑卻無(wú)效，采用離子轟炸清洗對(duì)小深孔又難以奏效。面對(duì)矛盾如此交錯(cuò)的化學(xué)清洗問(wèn)題，擇一而就地解決根本不可能，只有謹(jǐn)慎試驗(yàn)、逐一適從。

目前從調(diào)查污染物成分入手，針對(duì)不同零件分別配方清洗。堅(jiān)持化學(xué)溶劑清洗與物理清洗方法相結(jié)合，經(jīng)長(zhǎng)期試驗(yàn)摸索，逐漸形成動(dòng)壓電機(jī)有效清洗工藝。從而裝配清洗，排除軸承表面污染膜等按規(guī)定工藝規(guī)程進(jìn)行，效果顯著穩(wěn)定。

3.2 零組件熱真空除氣處理

動(dòng)壓電機(jī)失效的主要原因是軸承表面污染；定子繞組浸漬漆和各種粘合劑在工作溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)揮發(fā)出來(lái)的低分子有機(jī)物，在氣體動(dòng)壓軸承螺旋線泵的作用下，進(jìn)入氣膜間隙而沉積在軸承表面形成污染；清洗零件用的溶液殘余物；軸承啟停過(guò)程中軸承接觸磨損產(chǎn)生的微粒；空氣和氦氣中的水蒸氣，電機(jī)零件和浮子零件中的潮氣。

動(dòng)壓電機(jī)采用熱真空除氣技術(shù)，預(yù)先清除定子的絕緣漆、膠的易揮發(fā)氣體，避免污染軸承工作表面。熱真空處理完后用脫脂棉蘸汽油或酒精擦洗熱真空箱內(nèi)壁，如發(fā)現(xiàn)脫脂棉有黃色污染物，重復(fù)進(jìn)行熱真空除氣，直至熱真空箱內(nèi)壁無(wú)黃色污染物。另一方面為了降低有機(jī)物揮發(fā)對(duì)動(dòng)壓軸承的污染，從設(shè)計(jì)和工藝上盡量減少以至排除這些污染。定子繞組的浸漬漆和定、轉(zhuǎn)子疊片的粘合劑采用耐高溫低熱失重的浸漆和粘合劑，并進(jìn)行長(zhǎng)期高溫后處理，讓低分子提前揮發(fā)以便在工作溫度下盡可能少的揮發(fā)有機(jī)物，充分采用高純度氦氣。工藝上采用所有電機(jī)零件和浮子零件干燥后裝配。軸承采用不對(duì)稱螺旋槽，以排除濕氣等。最近幾年也出現(xiàn)了一些新的工藝技術(shù)，如電機(jī)定子包封、鐵心疊片不用膠、定子外加防污染的屏蔽罩，這樣都可以有效地防止有機(jī)物揮發(fā)污染。

3.3 動(dòng)壓電機(jī)碳化硼材料“白斑”問(wèn)題

動(dòng)壓電機(jī)使用的熱壓微晶碳化硼零件磨光表面可見(jiàn)一些白色斑點(diǎn)，通過(guò)金相顯微鏡與電子探針的分析可以得出, “白斑”實(shí)際上是大小形狀不同的孔洞。這些孔洞周圍的材料組織結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，不會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響陀螺電機(jī)壽命的風(fēng)險(xiǎn)，但是由于孔洞可能帶來(lái)藏納微小多余物的風(fēng)險(xiǎn)，因此建議產(chǎn)品不使用出現(xiàn)“白斑”的碳化硼零件。未見(jiàn)“白斑”的碳化硼零件也需要按照專用清洗工藝對(duì)零件進(jìn)行有效清洗，這樣才可保證動(dòng)壓電機(jī)的高可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建立動(dòng)壓電機(jī)啟停可靠性模型并進(jìn)行全面分析，針對(duì)每一個(gè)分支制定相應(yīng)技術(shù)和管理措施，降低軸承啟停可靠性風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)確定了其中最主要的影響因素，采取改進(jìn)電機(jī)、軸承零組件的清洗、除氣方法，加嚴(yán)對(duì)關(guān)鍵材料零件外觀的檢查和篩選標(biāo)準(zhǔn)，可保證動(dòng)壓電機(jī)的高可靠性。

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The Start and Stop Reliability of Study a Dynamic Hydrodynamic Gas Bearing Gyroscope Motor

WANGJing-feng1,2，LIUJing-lin1，BUShi2

(1．Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129,China；2．The 16th Institute，CATEC，Xi’an 710100,China)

The dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor was used for the liquid floated gyro with long-period and low-noise traits. The period of the liquid floated gyro depended on the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, with the start and stop times measured. Through the systematic analyzing of the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, some technical measures were made on every branch of the start and stop reliability tree. Surplus material and white spots are the most important factor on the start and stop reliability. Some new thinking with regard to cleaning and degassing technology, appearance inspection and screening of the part of the dynamic hydrodynamic gas bearing were presented in the end. These were used for the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, the reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor obviously improves.

dynamic hydrodynamic gas bearing motor; start and stop; reliability

2015-06-26

TM307+.1

A

1004-7018(2016)06-0017-06

王京鋒(1981-)，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橥勇蓦姍C(jī)技術(shù)。