高低溫下不同材料引起步進電動機軸承卡滯問題研究

肖淵海,方曉強,嚴 亮,張煒卓

(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海 200233)

0 引 言

步進電動機是將電脈沖信號轉化成角位移的執行元件,其組成的系統簡單方便﹑成本低,因而被廣泛應用于要求較高分辨率的開環定位系統[1]。隨著現代科學技術的發展,對步進電動機的高可靠性、低能耗和輕量化等提出了越來越高的要求[2]。為了滿足輕量化的設計要求,步進電動機的機殼及端蓋常采用硬質鋁合金等輕質材料代替結構鋼材料,并在滿足結構強度要求的情況下來達到減輕電機總質量的目的。然而,在高低溫工況下,機殼和端蓋采用硬質鋁合金材料的步進電動機容易出現軸承卡滯問題。文獻[3]介紹了發動機飛輪導向軸承安裝過程出現軸承轉動卡滯的現象,并從裝配和加工制造等各個環節進行了分析探討,最后解決了軸承安裝卡滯的問題。文獻[4] 調研了鐵路客車塞拉門攜門架軸承卡滯問題,并通過實驗分析該問題,發現了問題的原因,并提出整改方案,有效地排除了塞拉門的故障。文獻[5]通過深入分析,發現了造成電樞卡死、輪對卡滯問題的原因,即鐵路機務段電力機車實驗與運行時電機竄油,以及電動機電樞軸承負荷太大,并提出了相應的解決方案,確保了牽引電機運用的安全性和可靠性。

本文采用有限元分析軟件ANSYS Workbench,分別在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下對機殼和端蓋采用不同材料的步進電動機進行仿真分析,分析高低溫下由材料不同引起步進電動機出現軸承卡滯問題的主要原因,并提出了改進措施。

1 有限元仿真分析

1.1 仿真模型的建立

本文研究高低溫下由機殼和端蓋采用不同材料,引起步進電動機出現軸承卡滯問題的主要原因,因此電機主要的不同之處在于定子部分。本文以步進電動機的定子作為研究對象,同時為了提高有限元網格的劃分效率及有限元仿真分析的計算效率,將定子中的繞組等非結構件進行了合理的簡化。根據定子的安裝固定方式和實際工況,將定子機殼法蘭面的安裝孔進行軸向位移固定,對所有零件分別加載95 ℃和-60 ℃的溫度載荷,機殼和端蓋分別設置硬質鋁合金和結構鋼材料,其余零件設置結構鋼材料,具體的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

1.2 有限元結果與討論

在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下,分別對機殼和端蓋設置硬質鋁合金和結構鋼材料的步進電動機進行有限元仿真分析,定子軸承檔處的軸向位移云圖和徑向位移云圖分別如圖2～圖5所示。

圖2 95 ℃下機殼端蓋為鋁合金時軸承檔位移云圖

圖3 95 ℃下機殼端蓋為結構鋼時軸承檔位移云圖

圖4 -60 ℃下機殼端蓋為鋁合金時軸承檔位移云圖

圖5 -60 ℃下機殼端蓋為結構鋼時軸承檔位移云圖

在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下,機殼和端蓋分別設置硬質鋁合金和結構鋼時,定子軸承檔的最大軸向位移和最大徑向位移如表1所示。

表1 高低溫下軸承檔的軸向位移和徑向位移

由圖2～圖5及表1可知,在高低溫下,由于機殼和端蓋采用不同材料(主要是材料的熱膨脹系數不同,硬質鋁合金的熱膨脹系數為2.3×10-5K-1,結構鋼的熱膨脹系數為1.2×10-5K-1),引起了軸承檔的軸向位移和徑向位移產生了差值。在高溫95 ℃下,軸承檔的軸向位移和徑向位移差值δ分別為0.014 mm和0.006 9 mm;在低溫-60 ℃下,軸承檔的軸向位移和徑向位移差值δ分別為0.016 mm和0.007 8 mm。而在此高低溫下,由于機殼和端蓋采用硬質鋁合金后引起的軸承檔軸向位移和徑向位移差值δ將直接作用于左右兩端軸承的外徑,進而減小了軸承的軸向游隙和徑向游隙,最終導致軸承出現了卡滯問題。為此,本文提出將定子軸承檔與軸承的配合間隙和步進電動機定轉子的軸向間隙在原有的基礎上分別增加了0.008 mm和0.017 mm,以抵消由材料不同引起軸承檔的軸向位移和徑向位移差值,進而避免軸承出現卡滯的問題。

2 實驗驗證

本文隨機抽取了一臺故障電機,將其定、轉子拆開并用汽油清洗干凈,把定子軸承檔內孔車掉0.008 mm,轉軸兩端軸承檔端面各車掉0.017 mm,再將定、轉子裝配起來,分別放置于溫度為95 ℃和-60 ℃的實驗設備中進行通電實驗跑合,發現轉軸轉動自由且平穩、無卡滯現象。由此說明,本文的改進措施是可行的,對類似步進電動機的結構優化具有一定的參考價值。

3 結 語

本文基于有限元分析平臺ANSYS Workbench,在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下,分別對機殼和端蓋采用不同材料的步進電動機進行了仿真分析。得到如下結論:

1)仿真結果發現了高低溫下由材料不同引起步進電動機出現軸承卡滯問題的主要原因,即:在高低溫下,由于機殼和端蓋采用不同材料(主要是熱膨脹系數不同)引起了軸承檔的軸向位移和徑向位移產生了差值,而差值δ將直接作用于左右兩端軸承的外徑,進而減小了軸承的軸向游隙和徑向游隙甚至吃掉,最終導致軸承出現了卡滯問題。

2)針對高低溫下由材料不同引起步進電動機出現軸承卡滯問題,提出了改進措施,即通過將定子軸承檔與軸承的配合間隙和步進電動機定轉子的軸向間隙在原有的基礎上分別增加了0.008 mm和0.017 mm,以抵消由材料不同引起軸承檔的軸向位移和徑向位移差值。

3)本文通過實驗驗證了改進措施的可行性,避免了高低溫下由材料不同引起步進電動機出現軸承卡滯的問題,為類似步進電動機的結構優化提供了有利參考。