保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性試驗(yàn)及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則研究

柴靈芝，趙 雁，潘鋼鋒，馬金芝，鄭向凱，趙正鵬

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

航天器控制系統(tǒng)、衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)、有效載荷等轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，常采用成對(duì)預(yù)緊的角接觸球軸承。而軸承保持架運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定會(huì)加劇摩擦磨損，引起潤(rùn)滑性能下降，導(dǎo)致力矩波動(dòng)，造成姿態(tài)、軌道控制等系統(tǒng)的精度下降，甚至出現(xiàn)故障。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，軸承保持架的穩(wěn)定性問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。KINGSBURY[1]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了儀表球軸承保持架運(yùn)動(dòng)與力矩波動(dòng)的關(guān)系，認(rèn)為球與保持架的摩擦引起了保持架的渦動(dòng)，保持架的不穩(wěn)定渦動(dòng)導(dǎo)致了力矩波動(dòng)和嘯叫聲。KANNEL[2]和GUPTA[3-5]等學(xué)者關(guān)于保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的研究主要集中在動(dòng)力學(xué)仿真分析方面，通過(guò)建立軸承動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析摩擦、潤(rùn)滑、工況、幾何參數(shù)等對(duì)保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響，得出了提高保持架的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、減小摩擦力矩波動(dòng)的措施。GHAISAS等[6]以保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度偏差比作為保持架穩(wěn)定性的判斷依據(jù)，認(rèn)為速度偏差比反映了保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度的離散程度，偏差比越小對(duì)應(yīng)的保持架質(zhì)心軌跡越圓。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始利用速度傳感器、位移傳感器測(cè)量保持架的運(yùn)動(dòng)，分析了保持架渦動(dòng)形狀、渦動(dòng)頻率與潤(rùn)滑、工況等參數(shù)的關(guān)系，提出了保持架渦動(dòng)的模型[7-9]，并研究了載荷、轉(zhuǎn)速及保持架偏心質(zhì)量對(duì)保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的影響[10-13]。

目前，關(guān)于保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的研究主要集中在質(zhì)心運(yùn)動(dòng)測(cè)試及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面，但因影響保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的因素較多（主要包括摩擦、幾何、潤(rùn)滑、工況、保持架結(jié)構(gòu)等），不同因素之間又相互耦合，使得保持架的運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜。因此，關(guān)于保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的判斷方面，尚無(wú)統(tǒng)一判據(jù)，無(wú)法建立保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與軸承力矩波動(dòng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。鑒于此，本文基于高速攝像系統(tǒng)，通過(guò)拍攝保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，建立保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡與軸承力矩波動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系，并根據(jù)質(zhì)心軌跡測(cè)試結(jié)果，探索一種保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

1 試驗(yàn)對(duì)象

以某型號(hào)角接觸球軸承為例，在不同轉(zhuǎn)速下監(jiān)測(cè)軸承動(dòng)態(tài)摩擦力矩變化，同時(shí)測(cè)試保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡。軸承基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 角接觸球軸承基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)對(duì)象

采用驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備采集并監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流反映軸承摩擦力矩大小及變化，同時(shí)采用安裝于軸承正上方的高速攝像機(jī)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行拍攝，使用3D軌跡跟蹤軟件TEMA Motion對(duì)保持架、軸承旋轉(zhuǎn)套圈標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行追蹤，采用后處理程序?qū)?biāo)記點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡。驅(qū)動(dòng)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2，高速攝像機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 驅(qū)動(dòng)設(shè)備參數(shù)

表3 高速攝像機(jī)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 900 r/min試驗(yàn)結(jié)果

900 r/min轉(zhuǎn)速下測(cè)試軸承電流波動(dòng)情況如圖1所示，由圖1可知：軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電流分為穩(wěn)態(tài)和瞬時(shí)凸跳2個(gè)階段。電流測(cè)試過(guò)程中，同時(shí)分別測(cè)試電流穩(wěn)態(tài)時(shí)和凸跳瞬時(shí)的質(zhì)心軌跡與質(zhì)心位移，測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖1 900 r/min電流測(cè)試情況

圖2 900 r/min電流穩(wěn)態(tài)時(shí)的質(zhì)心結(jié)果

圖3 900 r/min電流凸跳瞬時(shí)的質(zhì)心測(cè)試結(jié)果

3.2 2 000 r/min試驗(yàn)結(jié)果

2 000 r/min轉(zhuǎn)速下測(cè)試軸承電流波動(dòng)情況如圖4所示，圖5（a）、（b）分別為電流穩(wěn)態(tài)時(shí)的質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡圖及質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖；圖6（a）、（b）分別為電流凸跳瞬時(shí)的質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡圖及質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖。

圖4 2 000 r/min電流測(cè)試情況

圖5 2 000 r/min電流穩(wěn)態(tài)時(shí)的質(zhì)心測(cè)試結(jié)果

圖6 2 000 r/min電流凸跳瞬時(shí)的質(zhì)心測(cè)試結(jié)果

3.3 4 000 r/min試驗(yàn)結(jié)果

4 000 r/min轉(zhuǎn)速下測(cè)試軸承電流波動(dòng)情況如圖7所示，質(zhì)心軌跡測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示，其中圖8（a）、（b）分別為電流穩(wěn)態(tài)時(shí)的質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡圖及質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖；圖9（a）、（b）分別為電流凸跳瞬時(shí)的質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡圖及質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖。

圖7 4 000 r/min電流測(cè)試情況

圖8 4 000 r/min電流穩(wěn)態(tài)時(shí)的質(zhì)心測(cè)試結(jié)果

圖9 4 000 r/min電流凸跳瞬時(shí)的質(zhì)心測(cè)試結(jié)果

3.4 6 000 r/min試驗(yàn)結(jié)果

6 000r/min轉(zhuǎn)速下測(cè)試軸承電流波動(dòng)情況如圖10所示，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中電流穩(wěn)定，只有穩(wěn)態(tài)一個(gè)階段。保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡測(cè)試結(jié)果如圖11所示，其中圖11（a）、（b）分別為質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡圖及質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖。

圖10 6 000 r/min電流測(cè)試情況

圖11 6 000 r/min電流波動(dòng)瞬時(shí)的質(zhì)心測(cè)試結(jié)果

4 保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

4.1 定性判斷

根據(jù)保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡形狀可以初步判斷其穩(wěn)定性，根據(jù)圖1~11可知：

（1）在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)電流穩(wěn)定，保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡呈近似圓形，保持架質(zhì)心位移隨時(shí)間變化規(guī)律，說(shuō)明保持架為穩(wěn)定渦動(dòng)狀態(tài)，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

（2）在900 r/min、2 000 r/min、4 000 r/min轉(zhuǎn)速下，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)電流出現(xiàn)頻繁波動(dòng)現(xiàn)象，整個(gè)電流測(cè)試過(guò)程中，包含電流穩(wěn)定及瞬時(shí)凸跳2個(gè)階段。當(dāng)電流穩(wěn)定時(shí)，保持架質(zhì)心位移隨時(shí)間變化相對(duì)規(guī)律，保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡近似橢圓，與6 000 r/min轉(zhuǎn)速下相比，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有所減弱；當(dāng)電流凸跳時(shí)，保持架質(zhì)心位移隨時(shí)間變化規(guī)律性變差，位移峰值出現(xiàn)較大的波動(dòng)，且電流波動(dòng)瞬間，保持架質(zhì)心位移出現(xiàn)一處明顯偏移，而保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡為不規(guī)則的紊亂形態(tài)，說(shuō)明保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有所減弱。

4.2 定量判斷

由保持架質(zhì)心軌跡形狀及質(zhì)心軌跡對(duì)時(shí)間變化的規(guī)律性，僅能判定在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)相對(duì)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速降低，穩(wěn)定性有所減弱，無(wú)法建立保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)與軸承力矩波動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系。為此，本文引進(jìn)波動(dòng)比這一參數(shù)來(lái)定量判斷各轉(zhuǎn)速下的保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移波動(dòng)比定義為保持架運(yùn)轉(zhuǎn)位移峰值的波動(dòng)范圍與平均運(yùn)轉(zhuǎn)半徑之比，由公式（1）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各轉(zhuǎn)速下波動(dòng)比

由表4可知：6 000 r/min轉(zhuǎn)速下保持架質(zhì)心位移波動(dòng)比較小，說(shuō)明在該轉(zhuǎn)速下保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好；隨著轉(zhuǎn)速降低，波動(dòng)比明顯增大，且在4 000 r/min、2 000 r/min、900 r/min轉(zhuǎn)速下，電流凸跳時(shí)的波動(dòng)比與穩(wěn)態(tài)相比較大，與6 000 r/min轉(zhuǎn)速下的波動(dòng)比相比，明顯高出約30~80倍，說(shuō)明隨著轉(zhuǎn)速降低，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性明顯變差。因此，保持架質(zhì)心位移波動(dòng)比數(shù)值與軸承摩擦力矩波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，波動(dòng)比越大，摩擦力矩波動(dòng)越大。

5 結(jié)論

本文基于高速攝像系統(tǒng)，對(duì)軸承保持架質(zhì)心軌跡進(jìn)行拍攝，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的保持架質(zhì)心軌跡進(jìn)行分析，提出了一種保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的判定方法，該方法同時(shí)可建立保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與力矩波動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明如下。

（1）通過(guò)保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化的規(guī)律性和質(zhì)心軌跡的規(guī)則性，可以初步定性判定保持架的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。當(dāng)保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化相對(duì)規(guī)律時(shí)或質(zhì)心軌跡呈規(guī)則的圓形形狀時(shí)，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)相對(duì)穩(wěn)定；反之，當(dāng)保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時(shí)間變化的規(guī)律性變差時(shí)或質(zhì)心軌跡形狀趨于紊亂時(shí)，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有所下降。

（2）軸承力矩凸跳是由保持架質(zhì)心軌跡波動(dòng)引起的。當(dāng)電流凸跳時(shí)，保持架質(zhì)心位移峰值出現(xiàn)明顯偏移，質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡為不規(guī)則的紊亂形態(tài)。

（3）保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移波動(dòng)比這一定量指標(biāo)可以有效反應(yīng)其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，波動(dòng)比越小，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)越穩(wěn)定，同時(shí)軸承力矩波動(dòng)越小；反之，波動(dòng)比越大，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性越差，軸承力矩波動(dòng)越大，出現(xiàn)凸跳越明顯。