保持架運轉穩定性試驗及評價準則研究

柴靈芝，趙 雁，潘鋼鋒，馬金芝，鄭向凱，趙正鵬

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471000；2.北京控制工程研究所，北京 100088）

航天器控制系統、衛星執行機構、有效載荷等轉子系統中，常采用成對預緊的角接觸球軸承。而軸承保持架運轉不穩定會加劇摩擦磨損，引起潤滑性能下降，導致力矩波動，造成姿態、軌道控制等系統的精度下降，甚至出現故障。

自20世紀60年代以來，軸承保持架的穩定性問題引起了國內外學者的關注。KINGSBURY[1]通過試驗發現了儀表球軸承保持架運動與力矩波動的關系，認為球與保持架的摩擦引起了保持架的渦動，保持架的不穩定渦動導致了力矩波動和嘯叫聲。KANNEL[2]和GUPTA[3-5]等學者關于保持架運轉穩定性的研究主要集中在動力學仿真分析方面，通過建立軸承動力學仿真模型，分析摩擦、潤滑、工況、幾何參數等對保持架運轉穩定性的影響，得出了提高保持架的運轉穩定性、減小摩擦力矩波動的措施。GHAISAS等[6]以保持架質心運動速度偏差比作為保持架穩定性的判斷依據，認為速度偏差比反映了保持架質心運動速度的離散程度，偏差比越小對應的保持架質心軌跡越圓。隨著傳感器技術的發展，越來越多的學者開始利用速度傳感器、位移傳感器測量保持架的運動，分析了保持架渦動形狀、渦動頻率與潤滑、工況等參數的關系，提出了保持架渦動的模型[7-9]，并研究了載荷、轉速及保持架偏心質量對保持架質心運動的影響[10-13]。

目前，關于保持架運轉穩定性的研究主要集中在質心運動測試及穩定性評價方面，但因影響保持架運轉穩定性的因素較多（主要包括摩擦、幾何、潤滑、工況、保持架結構等），不同因素之間又相互耦合，使得保持架的運動極為復雜。因此，關于保持架運轉穩定性的判斷方面，尚無統一判據，無法建立保持架運轉穩定性與軸承力矩波動的關聯關系。鑒于此，本文基于高速攝像系統，通過拍攝保持架質心運轉軌跡，建立保持架質心運轉軌跡與軸承力矩波動的內在聯系，并根據質心軌跡測試結果，探索一種保持架運轉穩定性的評價準則。

1 試驗對象

以某型號角接觸球軸承為例，在不同轉速下監測軸承動態摩擦力矩變化，同時測試保持架質心運轉軌跡。軸承基本結構參數見表1。

表1 角接觸球軸承基本結構參數

2 試驗對象

采用驅動設備連接電機驅動軸承運轉，通過驅動設備采集并監測電機運轉電流反映軸承摩擦力矩大小及變化，同時采用安裝于軸承正上方的高速攝像機對運轉軸承進行拍攝，使用3D軌跡跟蹤軟件TEMA Motion對保持架、軸承旋轉套圈標記點進行追蹤，采用后處理程序對標記點運轉數據進行處理，得到保持架質心運轉軌跡。驅動設備參數見表2，高速攝像機參數見表3。

表2 驅動設備參數

表3 高速攝像機參數

3 試驗結果

3.1 900 r/min試驗結果

900 r/min轉速下測試軸承電流波動情況如圖1所示，由圖1可知：軸承運轉過程中，電流分為穩態和瞬時凸跳2個階段。電流測試過程中，同時分別測試電流穩態時和凸跳瞬時的質心軌跡與質心位移，測試結果如圖2、圖3所示。

圖1 900 r/min電流測試情況

圖2 900 r/min電流穩態時的質心結果

圖3 900 r/min電流凸跳瞬時的質心測試結果

3.2 2 000 r/min試驗結果

2 000 r/min轉速下測試軸承電流波動情況如圖4所示，圖5（a）、（b）分別為電流穩態時的質心運轉軌跡圖及質心運轉位移隨時間變化趨勢圖；圖6（a）、（b）分別為電流凸跳瞬時的質心運轉軌跡圖及質心運轉位移隨時間變化趨勢圖。

圖4 2 000 r/min電流測試情況

圖5 2 000 r/min電流穩態時的質心測試結果

圖6 2 000 r/min電流凸跳瞬時的質心測試結果

3.3 4 000 r/min試驗結果

4 000 r/min轉速下測試軸承電流波動情況如圖7所示，質心軌跡測試結果如圖8、圖9所示，其中圖8（a）、（b）分別為電流穩態時的質心運轉軌跡圖及質心運轉位移隨時間變化趨勢圖；圖9（a）、（b）分別為電流凸跳瞬時的質心運轉軌跡圖及質心運轉位移隨時間變化趨勢圖。

圖7 4 000 r/min電流測試情況

圖8 4 000 r/min電流穩態時的質心測試結果

圖9 4 000 r/min電流凸跳瞬時的質心測試結果

3.4 6 000 r/min試驗結果

6 000r/min轉速下測試軸承電流波動情況如圖10所示，軸承運轉過程中電流穩定，只有穩態一個階段。保持架質心運轉軌跡測試結果如圖11所示，其中圖11（a）、（b）分別為質心運轉軌跡圖及質心運轉位移隨時間變化趨勢圖。

圖10 6 000 r/min電流測試情況

圖11 6 000 r/min電流波動瞬時的質心測試結果

4 保持架運轉穩定性評價準則

4.1 定性判斷

根據保持架質心運轉軌跡形狀可以初步判斷其穩定性，根據圖1~11可知：

（1）在6 000 r/min轉速下，軸承運轉電流穩定，保持架質心運轉軌跡呈近似圓形，保持架質心位移隨時間變化規律，說明保持架為穩定渦動狀態，保持架運轉穩定。

（2）在900 r/min、2 000 r/min、4 000 r/min轉速下，軸承運轉電流出現頻繁波動現象，整個電流測試過程中，包含電流穩定及瞬時凸跳2個階段。當電流穩定時，保持架質心位移隨時間變化相對規律，保持架質心運轉軌跡近似橢圓，與6 000 r/min轉速下相比，保持架運轉穩定性有所減弱；當電流凸跳時，保持架質心位移隨時間變化規律性變差，位移峰值出現較大的波動，且電流波動瞬間，保持架質心位移出現一處明顯偏移，而保持架質心運轉軌跡為不規則的紊亂形態，說明保持架運轉穩定性有所減弱。

4.2 定量判斷

由保持架質心軌跡形狀及質心軌跡對時間變化的規律性，僅能判定在6 000 r/min轉速下，保持架運轉相對穩定，轉速降低，穩定性有所減弱，無法建立保持架質心運動與軸承力矩波動的內在聯系。為此，本文引進波動比這一參數來定量判斷各轉速下的保持架運轉穩定性，保持架質心運轉位移波動比定義為保持架運轉位移峰值的波動范圍與平均運轉半徑之比，由公式（1）計算，計算結果見表4。

表4 各轉速下波動比

由表4可知：6 000 r/min轉速下保持架質心位移波動比較小，說明在該轉速下保持架運轉穩定性較好；隨著轉速降低，波動比明顯增大，且在4 000 r/min、2 000 r/min、900 r/min轉速下，電流凸跳時的波動比與穩態相比較大，與6 000 r/min轉速下的波動比相比，明顯高出約30~80倍，說明隨著轉速降低，保持架運轉穩定性明顯變差。因此，保持架質心位移波動比數值與軸承摩擦力矩波動存在對應關系，波動比越大，摩擦力矩波動越大。

5 結論

本文基于高速攝像系統，對軸承保持架質心軌跡進行拍攝，對不同轉速下的保持架質心軌跡進行分析，提出了一種保持架運轉穩定性的判定方法，該方法同時可建立保持架運轉穩定性與力矩波動的內在聯系。研究結果表明如下。

（1）通過保持架質心運轉位移隨時間變化的規律性和質心軌跡的規則性，可以初步定性判定保持架的運轉穩定性。當保持架質心運轉位移隨時間變化相對規律時或質心軌跡呈規則的圓形形狀時，保持架運轉相對穩定；反之，當保持架質心運轉位移隨時間變化的規律性變差時或質心軌跡形狀趨于紊亂時，保持架運轉穩定性有所下降。

（2）軸承力矩凸跳是由保持架質心軌跡波動引起的。當電流凸跳時，保持架質心位移峰值出現明顯偏移，質心運轉軌跡為不規則的紊亂形態。

（3）保持架質心運轉位移波動比這一定量指標可以有效反應其運轉穩定性，波動比越小，保持架運轉越穩定，同時軸承力矩波動越小；反之，波動比越大，保持架運轉穩定性越差，軸承力矩波動越大，出現凸跳越明顯。