整體端蓋式液浮陀螺電動機(jī)軸承的性能試驗

李娟，孫北奇，潘鋼鋒，謝鵬飛，張煒

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 概述

液浮陀螺是廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。其心臟部分是陀螺電動機(jī)，為了獲得最高的陀螺精度，電動機(jī)應(yīng)具有在陀螺儀的容積和懸浮能力范圍內(nèi)所能獲得的最大角動量。軸承作為液浮陀螺的關(guān)鍵部件，其性能直接影響陀螺的靈敏度和導(dǎo)引性能，由于陀螺電動機(jī)軸承的工況環(huán)境惡劣，易出現(xiàn)早期失效，因此液浮陀螺的壽命均是以陀螺電動機(jī)軸承的壽命作為依據(jù)。

整體端蓋式軸承(圖1)是一種新型的液浮陀螺專用軸承，目的是為了達(dá)到剛度大、配合精度高、可靠性好、壽命長等實(shí)際使用要求。該型軸承的特點(diǎn)是以軸承端面定位，成對預(yù)緊方式加載使用。在實(shí)際使用時，軸承預(yù)載荷設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性關(guān)系到軸承設(shè)計特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，也關(guān)乎陀螺電動機(jī)的整體質(zhì)量；需對軸承進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)跑合性能試驗并分析，以此來判斷軸承是否滿足主機(jī)的要求。

1—鋼漆包線；2，7—軸承；3—固緊螺帽；4—定子軸；5—防塵蓋；6—磁鋼；8—轉(zhuǎn)子環(huán)

2 軸承主要失效形式

陀螺電動機(jī)軸承的主要失效形式有：保持架磨損及運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定；潤滑油變質(zhì)及流失；軸承鋼球打滑導(dǎo)致接觸異常或磨損。

保持架磨損是最常見的失效形式，主要通過提高保持架材料的表面耐磨性，降低接觸表面的摩擦因數(shù)來解決[1]。

保持架運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定會導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)嘯叫和渦動。這主要與保持架兜孔間隙和軸承引導(dǎo)間隙之間匹配不合理有關(guān)，同時保持架的穩(wěn)定性還與軸承中潤滑油量以及潤滑油的高速拖動性能有關(guān)[2]。主要通過嚴(yán)格控制保持架兜孔間隙和軸承引導(dǎo)間隙之間的匹配，同時選用拖動性能更好的潤滑油來解決。

潤滑油變質(zhì)及流失是軸承長期運(yùn)轉(zhuǎn)后的主要失效形式。當(dāng)潤滑油品選定后，裝油量是最終的決定因素，合理的裝油量可以在保證軸承潤滑可靠性的同時大幅提升產(chǎn)品的性能。一般通過使用具有長期穩(wěn)定性和良好流散性的潤滑油來解決。

打滑導(dǎo)致接觸異常或磨損，主要表現(xiàn)在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后，鋼球表面有明顯的多條交叉接觸環(huán)帶，嚴(yán)重時鋼球表面全部發(fā)烏，有明顯磨損。其主要通過優(yōu)化軸承設(shè)計參數(shù)，降低軸承內(nèi)部的旋滾比來解決。

上述失效模式均會影響整機(jī)性能，故需進(jìn)行試驗驗證。試驗檢測指標(biāo)選擇最能反映液浮陀螺和軸承性能的指標(biāo)，分別是陀螺電動機(jī)運(yùn)行停慣時間和電流、軸承跑合后的接觸表面質(zhì)量以及保持架含油量的變化。

3 試驗要求

3.1 試驗軸承

為了避免軸承制造因素的影響，試驗軸承為各項精度、軸向振動檢測合格的產(chǎn)品，且進(jìn)行了剛度配對。套圈和鋼球均進(jìn)行表面TCP處理。外形尺寸為Ф16.5/Ф17.6 mm×Ф2 mm×3.5 mm (小外徑/大外徑×內(nèi)徑×寬度) ；球徑為1.2 mm；保持架含油率為10%～15%。軸承參數(shù)詳見表1(表中g(shù)為重力加速度)。

表1 試驗軸承參數(shù)

3.2 液浮陀螺整機(jī)

液浮陀螺的電動機(jī)轉(zhuǎn)子、定子及相關(guān)零件均為合格品。按照正規(guī)的裝配工藝要求進(jìn)行陀螺電動機(jī)的裝配，對裝配好的電動機(jī)進(jìn)行精密平衡，使用配套的驅(qū)動電源進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗，使其達(dá)到合格產(chǎn)品的規(guī)范要求。

3.3 試驗條件

轉(zhuǎn)速為24 000 r/min(同步轉(zhuǎn)速，外圈旋轉(zhuǎn))；運(yùn)轉(zhuǎn)時間為300～500 h；環(huán)境溫度為常溫；工作介質(zhì)為大氣；載荷為徑向0.7 N，軸向6 N；潤滑方式為自潤滑；試驗儀器包括精密天平、振動測試儀、噪聲測試儀、秒表、電流表和相機(jī)。

3.4 試驗電動機(jī)的要求

100 h后整機(jī)停慣時間為40～50 s；電動機(jī)電流變化量不超過5%。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 陀螺電動機(jī)運(yùn)行停慣時間及電流

陀螺電動機(jī)運(yùn)行停慣時間及電流試驗數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，試驗電動機(jī)在430 h的試驗過程中各項數(shù)據(jù)正常，軸承的停慣時間在整個運(yùn)轉(zhuǎn)過程中呈變長穩(wěn)定趨勢，100 h后停慣時間穩(wěn)定在40～50 s，電流變化量為3%，小于電動機(jī)試驗的考核指標(biāo)。這說明軸承跑合運(yùn)轉(zhuǎn)正常，軸承內(nèi)部無異常磨損情況出現(xiàn)。

表2 陀螺電動機(jī)運(yùn)行停慣時間及電流

4.2 軸承分解情況

分解跑合后的軸承發(fā)現(xiàn)，內(nèi)、外圈溝道表面無明顯的接觸異常和磨痕，在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)溝道表面均有一層薄薄的油膜；鋼球表面無明顯磨痕，也均附著有一層薄薄的油膜；保持架表面和兜孔也較正常，無明顯的接觸磨損情況出現(xiàn)。

上述軸承分解情況表明，整個軸承接觸表面質(zhì)量正常。由此，排除了以下3種軸承失效模式出現(xiàn)的可能性，即：(1)保持架材料耐磨性差而導(dǎo)致保持架出現(xiàn)早期異常磨損；(2)保持架設(shè)計參數(shù)不合理使保持架高速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定而導(dǎo)致其異常磨損；(3)軸承設(shè)計參數(shù)不合理或軸承預(yù)載荷不合適而導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲音異常以及鋼球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)打滑使軸承出現(xiàn)異常磨損。

4.3 保持架含油情況

保持架是軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時潤滑油的來源。軸承內(nèi)部的潤滑路線為保持架→軸承零件→保持架，從而形成潤滑循環(huán)系統(tǒng)。保持架的存油性能和含油量對軸承的長期運(yùn)轉(zhuǎn)壽命有較大影響。

試驗前一端軸承的保持架質(zhì)量為13.28 mg，含油量為1.35 mg，含油率為11.3%。經(jīng)過430 h試驗后，保持架質(zhì)量為13.27 mg，含油量為1.34 mg，考慮到測量誤差，基本上無變化。

試驗前另一端軸承的保持架質(zhì)量為13.35 mg，含油量為1.50 mg，含油率為11.2%。經(jīng)過430 h試驗后，保持架質(zhì)量為13.36 mg，含油量為1.51 mg，考慮到測量誤差，基本上也無變化。

說明軸承經(jīng)過試驗后，保持架所含潤滑油無明顯流失，結(jié)合軸承分解后的表面分析情況可知，保持架的含油量足以形成可靠的潤滑油膜，軸承潤滑系統(tǒng)是可靠的。

從試驗結(jié)果可知，保持架含油率符合試驗考核要求的10%～15%。該軸承經(jīng)過430 h運(yùn)轉(zhuǎn)分解后，軸承內(nèi)部潤滑油的流失并不明顯，潤滑油酸解變質(zhì)的現(xiàn)象也未發(fā)生，所以正常條件下可保障軸承壽命。

4.4 噪聲監(jiān)測

環(huán)境噪聲為60 dB，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噪聲變化不大，確認(rèn)整機(jī)工作正常。

5 結(jié)束語

由于高速陀螺電動機(jī)的失效曲線是典型的兩頭高中間低的浴盆形狀，即在0～300 h易出現(xiàn)較高的早期失效概率，中間段是失效概率很低的穩(wěn)定段，后期是磨損到一定程度的壽命即將到期的較高的失效概率區(qū)間。其中0～300 h的早期失效是高速陀螺電動機(jī)最致命的問題，由于早期運(yùn)轉(zhuǎn)各零件的表面摩擦狀態(tài)和潤滑狀態(tài)都未進(jìn)入最佳狀態(tài)，易出現(xiàn)軸承的早期磨損問題，如果磨損嚴(yán)重，中間的失效概率的穩(wěn)定段就會變得非常短，電動機(jī)壽命也會受到很大影響；所以盡可能地降低和消除高速陀螺電動機(jī)軸承的早期異常運(yùn)轉(zhuǎn)磨損是保證高速陀螺電動機(jī)壽命的關(guān)鍵。通過400 h的高速陀螺電動機(jī)性能試驗監(jiān)測、軸承試驗后分解的外觀檢查以及保持架含油狀態(tài)的分析測試可知，軸承整體運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，潤滑狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)鋼球打滑和保持架異常磨損的情況，從而證明了軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、預(yù)載荷控制、保持架結(jié)構(gòu)尺寸以及潤滑狀態(tài)的控制非常合理，有效避免了軸承早期失效中的鋼球打滑、保持架嘯叫和渦動及溝道貧油等情況，為高速陀螺電動機(jī)的長期運(yùn)轉(zhuǎn)打下了良好基礎(chǔ)。