擋邊表面粗糙度對精密電機軸承運行穩定性的影響

李娟，朱博文，葛世東

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

很多精密裝置，如大型望遠鏡、特殊控制平臺裝置等都需要非常嚴格的運動控制，以達到較高的姿態穩定和指示精度[1]。在此類應用中，精密軸承用于提供精確的旋轉運動。

文中針對使用陶瓷球軸承的某專用精密電動機在運行過程中出現的電流不穩定問題進行了研究，找出了原因并提出了解決方案。

1 現象與問題

某控制裝置中使用了直流無刷精密電動機，其特點是承受載荷小、轉速精確。電動機在恒定電壓下，要求電流平穩，輸出轉速精確。根據電動機使用特點，電動機旋轉軸系采用成對安裝的陶瓷球軸承。

電動機旋轉軸系中軸承運行的穩定性對電動機性能起關鍵作用。該電動機裝配完成后，需進行電流穩定性篩選跑合試驗，根據監測的電動機電流情況，判斷電動機旋轉軸系性能是否穩定。在跑合試驗過程中，經常發生電動機電流不穩定而導致其轉速不穩定的現象。圖1所示為額定電壓下電動機電流產生的波動；圖2所示為電流不穩導致電動機轉速波動。

圖1 典型電流不穩現象

圖2 電流不穩導致電動機轉速不穩

2 機理分析與試驗

分析可知，在電動機本身合格的情況下，影響其電流穩定性的因素主要是軸承摩擦力矩。

通常軸承摩擦力矩主要包括6個方面：彈性滯后引起的摩擦力矩、差動滑動引起的摩擦力矩、自旋滑動引起的摩擦力矩、保持架與球接觸產生的摩擦力矩、保持架與引導面產生的摩擦力矩和油膜黏性引起的摩擦力矩[2]。

在專用電動機軸承中，彈性滯后、差動滑動、自旋滑動和油膜黏性損失產生的摩擦力矩受軸承技術條件所限，改善較為困難；球和保持架的接觸屬于點接觸，產生的摩擦力相對較小。因此，在技術條件不變的前提下，影響軸承摩擦力矩穩定的只有保持架與引導面的碰撞，故保持架與套圈大面積接觸是導致摩擦力矩不穩的主要因素。

該專用電動機使用的軸承為外圈引導方式，為減小保持架與外圈接觸對軸承運行穩定性的影響，提高軸承的摩擦力矩穩定性，可從增大軸承預緊力和改善軸承引導擋邊表面粗糙度兩個方面來實現。

2.1 增大預緊力

2.1.1 預緊力與溫升的關系

由于預緊力增大，陶瓷球與套圈的接觸應力亦增大，其接觸區由滑動引起的發熱會顯著增加。軸承預緊力與溫升的關系如圖3所示，混合陶瓷球軸承的溫升隨著預緊力的增大而提高；同時，預緊力較大時溫升增加幅度較大[3]。

圖3 預緊力與溫升的關系

2.1.2 預緊力與壽命的關系

根據軸承疲勞壽命計算公式

式中：Pr=XFr+YFa，可以看到當預緊力Fa增大時，Pr隨之增大，在潤滑條件不變的情況下軸承的疲勞壽命將縮短。

圖4中的試驗結果顯示了軸承壽命與預緊力的密切關系，預緊力越小(即接觸應力越低)，壽命越長。

圖4 預緊力與壽命的關系

增大預緊力可以減小保持架不穩定對軸承摩擦力矩的干擾，但由于陶瓷球與套圈接觸力增大，會導致運行過程中軸承溫升過大和軸承壽命縮短的不良后果。因此，靠增大預緊力來提高軸承摩擦力矩的穩定性是不可行的。

2.2 改善外圈擋邊表面粗糙度

在不能改變設計參數和預緊力的條件下，改善外圈引導擋邊表面粗糙度，減小保持架與引導面間的摩擦力是可取的方案。

取10套在專用電動機跑合過程中出現摩擦力矩不穩定的軸承，對其外圈引導擋邊進行拋光，用泰勒儀測量外圈引導擋邊表面粗糙度值并逐一編號記錄；使用原保持架，按工藝要求重新清洗裝配，表1給出了拋光前、后試驗記錄的電流對比結果。

表1 軸承外圈引導擋邊拋光前、后電流對比

由表1可知，軸承外圈引導擋邊拋光后表面粗糙度值大大降低，進而使電動機電流波動減小非常明顯。圖5、圖6為2#電動機電流曲線對比，圖7為引導擋邊拋光后電動機的轉速，表明擋邊拋光后電流和轉速均較穩定。

由此可知，降低軸承擋邊表面粗糙度值，對改善軸承摩擦力矩穩定性是有效的，可以顯著提高電動機電流的穩定性。

圖5 引導擋邊拋光前2#電動機的電流

圖6 引導擋邊拋光后2#電動機的電流

3 結束語

在對軸承運轉穩定性要求較高的使用環境中，非重要參數也可能對軸承性能產生重要影響。本案表明，在不改變軸承設計參數的條件下，僅通過改善軸承外圈引導擋邊表面粗糙度，就可有效減小保持架與外圈引導面接觸產生的摩擦力，使軸承運行穩定性得到顯著提高，滿足主機配套使用要求。