關(guān)于機(jī)芯馬達(dá)軸承測(cè)試失效分析

李鳳

（喬山健康科技（上海）有限公司，上海 201815）

0 引言

按摩椅機(jī)芯的兩大主要功能是揉捏和敲打，在產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生揉捏馬達(dá)軸承或者敲打馬達(dá)軸承異音或者損壞，我們通過(guò)了解并到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)芯軸承通常會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)金屬的異音直到后來(lái)?yè)p壞停止不動(dòng)[1]。本文從以下三個(gè)方面來(lái)推斷這個(gè)異音產(chǎn)生的原因：一是設(shè)計(jì)的載荷是否合理；二是潤(rùn)滑劑是否不足或潤(rùn)滑是否產(chǎn)生異常；三是安裝方法是否正確。下面我們主要通過(guò)對(duì)這三個(gè)方向的分析來(lái)判定按摩椅機(jī)芯軸承異常的原因并提供相應(yīng)對(duì)策。

1 設(shè)計(jì)的載荷是否合理

我們主要通過(guò)對(duì)機(jī)芯馬達(dá)芯軸的受力分析，對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度計(jì)算，有效圓周力計(jì)算，皮帶對(duì)芯軸的作用力，算出機(jī)芯芯軸對(duì)所求軸承的作用力，以確認(rèn)是否符合所選用軸承的靜態(tài)負(fù)荷和動(dòng)態(tài)負(fù)荷，進(jìn)一步確認(rèn)是否是設(shè)計(jì)上的問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)芯馬達(dá)的軸承測(cè)試失效[2]。此次分析主要包括以下三大方面。

1.1 理論計(jì)算按摩球前端最大支撐力

圖1為公司目前使用的3D機(jī)芯，機(jī)芯的揉捏動(dòng)作是實(shí)現(xiàn)寬中窄的按摩動(dòng)作，其軌跡是弧形，揉捏動(dòng)作在正轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)背部肌肉有拉伸作用，在反轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)背部肌肉有擠壓作用。機(jī)芯的捶打動(dòng)作是機(jī)芯揉捏臂以揉捏軸為中心點(diǎn)藉以捶打軸傳遞的偏擺量形成鐘擺式的振幅產(chǎn)生捶打動(dòng)作，捶打軸的偏心距通常是1 mm，且左右兩邊必須反向。

圖1 機(jī)芯按摩球的受力分析Fig. 1 Force analysis of movement massage ball

假設(shè)馬達(dá)功率在沒(méi)有損耗的情況下，功率傳動(dòng)效率為1：1，則敲打動(dòng)作在圖示F1方向1s內(nèi)可以做30W的功，馬達(dá)的額定功率為30 W，按照公司的設(shè)計(jì)要求，按摩球的最快敲擊速度為700次/min，則最快敲擊速度為：700/60=11.67次/s，即每次敲擊動(dòng)作可做的最大功為：2.57W，因?yàn)槠木嚯x為1 mm，則每次敲擊的位移為：2 mm，由W=Fs可以得出該支撐桿可提供的最大壓力F=2.57/0.002=1285.35 N。由力矩平衡可以得出按摩球可以提供的最大壓力為F2=（1285.35*50.39/69.73）=928.85 N，即92.9 kg

1.2 軸承的動(dòng)態(tài)受力分析

1.2.1 馬達(dá)芯軸的受力分析

圖2 馬達(dá)芯軸的受力分析Fig. 2 Force analysis of motor mandrel

如圖2所示，馬達(dá)芯軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，僅承受兩個(gè)軸承的支撐力F2、F3與傳動(dòng)皮帶提供的壓力F1，而F1的大小因?yàn)槠幱谶\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，張力與靜態(tài)有所不同，因此我們根據(jù)馬達(dá)的極限輸出功率30 W進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度計(jì)算

（1）敲打處的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度計(jì)算。因?yàn)樵搨鲃?dòng)系統(tǒng)的大皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，計(jì)為一次敲打，則皮帶輪的最大轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為：V1=（700/60）*52.42*3.14=1920.3 mm/s（公司要求敲打速度最大為700次/min）。

（2）揉捏處的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度計(jì)算。因?yàn)樵搨鲃?dòng)系統(tǒng)的大皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)23周，才可以使渦輪完成一周的揉捏過(guò)程，則皮帶輪的最大線速度為：V2=（40/60）*23*39.5*3.14=1901.8 mm/s（要求揉捏速度最大為40次/min）。

1.2.3 有效圓周力計(jì)算

揉捏、敲擊馬達(dá)的額定功率為：30 W。

根據(jù)多楔帶的計(jì)算公式，則設(shè)計(jì)功率：

上式中，KA為工況系數(shù)，取值1.6。

敲打的有效圓周力：

揉捏的有效圓周力：

1.2.4 皮帶對(duì)芯軸的作用力

圖3 皮帶對(duì)芯軸的作用力分析Fig. 3 Force analysis of belt on mandrel

根據(jù)公司編制的皮帶設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式（如圖3所示）：

計(jì)算出作用于軸上的力：Kr為帶與帶輪的楔合系數(shù)（工況系數(shù)），F(xiàn)t為皮帶張力，a1為小輪包角，一般應(yīng)≧120°則揉捏處皮帶對(duì)芯軸的壓力：

敲打處皮帶對(duì)芯軸的壓力：

1.2.5 芯軸對(duì)所求軸承的作用力

根據(jù)力矩平衡公式：F2*84.4=F1*93.2（受力分析同圖2）。

揉捏處芯軸對(duì)該軸承的壓力最大為：

敲打處芯軸對(duì)該軸承的壓力為：

表1 防塵蓋軸承與密封圈軸承的比對(duì)測(cè)試Table 1 Comparison test of dust cover bearing and sealing ring bearing

1.2.6 公司所用軸承廠商對(duì)外宣稱的動(dòng)態(tài)負(fù)荷

查公司使用的軸承廠商型錄，此廠商對(duì)外宣稱的基本額定動(dòng)負(fù)荷為3300 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們的使用環(huán)境（揉捏處芯軸對(duì)該軸承的壓力為228.6 N，敲打處芯軸對(duì)該軸承的壓力為241.4 N）。

1.3 軸承的靜態(tài)受力分析

查公司使用的軸承廠商型錄，此廠商對(duì)外宣稱的額定靜載為1370N，目前機(jī)芯軸承所需靜載因軸承使用位置不同而變化，我們?nèi)∑渲凶畲笠?guī)格之最大負(fù)載作為參考標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)測(cè)試沙袋最大重量全部承載在單一軸承上，則為600N，遠(yuǎn)低于上述公司所用軸承的廠商對(duì)外宣稱的額定靜載。

另說(shuō)明：以上計(jì)算均以單一軸承為受力對(duì)象，但實(shí)際上所有重量不可能承受在單一軸承上，根據(jù)實(shí)測(cè)靜態(tài)皮帶張力所算出的軸承受力最大僅為122N，遠(yuǎn)小于上述假設(shè)狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)以上對(duì)機(jī)芯馬達(dá)軸承的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)受力分析可以看出，目前設(shè)計(jì)使用的軸承的動(dòng)態(tài)負(fù)荷及靜態(tài)負(fù)荷遠(yuǎn)小于此軸承對(duì)外宣稱的動(dòng)態(tài)負(fù)荷和靜態(tài)負(fù)荷，所以機(jī)芯馬達(dá)的軸承測(cè)試失效不是設(shè)計(jì)上的問(wèn)題[3]。

2 潤(rùn)滑劑不足或潤(rùn)滑產(chǎn)生異常是否會(huì)導(dǎo)致軸承損壞

經(jīng)過(guò)查看幾個(gè)異音損壞的軸承，我們發(fā)現(xiàn)軸承防塵蓋上或多或少都有一些油脂存在，我們初步判定這個(gè)油脂溢出可以作為我們?cè)蚍治龅囊粋€(gè)切入點(diǎn)。在機(jī)械行業(yè)我們知道防塵蓋軸承和密封圈軸承存在如下產(chǎn)品性能差異。

（1）防塵蓋軸承。由沖壓鋼板制成，通常在防塵蓋內(nèi)徑處帶有一個(gè)圓柱形延展，與內(nèi)圈肩部形成一個(gè)長(zhǎng)的密封間隙；某些防塵蓋不帶延展，主要應(yīng)用在內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的工況，如果是外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑脂泄漏[4]。

（2）密封圈軸承。由帶抗油的鋼骨架與抗磨損的丁晴橡膠制成的密封圈與內(nèi)圈肩部的圓柱形表面或內(nèi)圈凹型輪廓間形成一個(gè)極窄的間隙，實(shí)際上是不接觸的，因此可以與同規(guī)格防塵蓋軸承在同等轉(zhuǎn)速下使用，但密封性更好[5]。

為了進(jìn)一步確認(rèn)防塵蓋軸承和密封圈軸承對(duì)機(jī)芯不良產(chǎn)生的影響，我們加嚴(yán)加速對(duì)這兩個(gè)軸承進(jìn)行了測(cè)試。

經(jīng)過(guò)加嚴(yán)加速測(cè)試，防塵蓋軸承在測(cè)試46小時(shí)后，甩出少量點(diǎn)狀油脂，測(cè)試72小時(shí)后，有片狀油脂溢出，而密封圈軸承在測(cè)試72小時(shí)后基本無(wú)異常，如表1所述。

由上述的測(cè)試結(jié)果我們可以看出，密封圈軸承在測(cè)試后各方面性能明顯優(yōu)于防塵蓋軸承，特別是在潤(rùn)滑脂的保持方面。而軸承依靠潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑來(lái)達(dá)到良好的使用效果, 耐久性才能達(dá)到軸承的設(shè)計(jì)壽命. 油脂的漏出,將直接導(dǎo)致軸承失效產(chǎn)生異音, 進(jìn)而縮短軸承的壽命[6]。機(jī)芯按摩球的最快敲擊速度為70次/min，也是一個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以選擇的防塵蓋軸承的規(guī)格也是影響整個(gè)機(jī)芯異音甚至損環(huán)的一個(gè)強(qiáng)相關(guān)因素，需要進(jìn)行改善。

3 按摩椅機(jī)芯軸承的安裝是否存在問(wèn)題

我們知道，安裝軸承時(shí)，可以根據(jù)其類型和尺寸，選擇機(jī)械，加熱或液壓等方法進(jìn)行。但在任何情況下，都不可以直接敲擊軸承圈，保持架，滾動(dòng)體或密封件。安裝時(shí)對(duì)軸承施加的作用力，絕不可能通過(guò)滾動(dòng)體從一個(gè)軸承圈傳遞到另一個(gè)軸承圈，否則可能會(huì)對(duì)滾道造成損壞[7-8]。安裝配合不是太緊的小軸承時(shí)，我們一般是用冷安裝的方式，可以通過(guò)一個(gè)套筒并以錘擊的方法，輕輕敲擊套筒把軸承裝到合適的位置，敲擊時(shí)應(yīng)盡量均勻地作用在軸承圈上，以防止軸承傾斜或歪斜。所以軸承安裝最重要的兩點(diǎn)是：① 以套筒安裝軸承；② 不可以通過(guò)滾動(dòng)體從一個(gè)軸承圈傳遞到另一個(gè)軸承圈，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，我們機(jī)芯軸承的壓配治具及壓配方法合理。

經(jīng)過(guò)上述一系列的分析，我們初步判定我們選擇的防塵蓋軸承不適合我們的機(jī)芯運(yùn)動(dòng)，它會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑脂的溢出而使我們的軸承更易產(chǎn)生異音甚至損壞，所以我們決定把防塵蓋軸承更換為密封圈軸承，而且我們更加規(guī)范了對(duì)軸承的使用。我們作出如下要求：

（1）使用時(shí)要定期點(diǎn)檢，點(diǎn)檢中要認(rèn)真檢查軸承的聲音，震動(dòng)，溫度潤(rùn)滑劑的情況等；

（2）通過(guò)對(duì)馬達(dá)震動(dòng)的測(cè)定，根據(jù)其變化情況可推斷軸承是否異常；

（3）除聲音和震動(dòng)外，通過(guò)測(cè)定軸承座的溫度也可推斷軸承的潤(rùn)滑情況，如果潤(rùn)滑或安裝不良，則軸承的溫度急劇上升，會(huì)出現(xiàn)異常高溫，此時(shí)我們必須停止按摩椅機(jī)芯的運(yùn)轉(zhuǎn)，分析原因并采取必要的防范措施[9-10]。

4 結(jié)論

軸承的過(guò)早損壞也不單單來(lái)自于上述幾個(gè)原因，也有可能來(lái)自軸承的制造缺陷和軸承材料的不良，也有可能來(lái)自軸承在存放和運(yùn)輸過(guò)程中的損壞，也有可能來(lái)自其他相關(guān)零配件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)其產(chǎn)生的不良運(yùn)動(dòng)阻礙，這也要求我們對(duì)軸承的選擇和使用上要更加嚴(yán)格，更加規(guī)范。