擋邊表面粗糙度對精密電機軸承運行穩(wěn)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(tài)穩(wěn)定和指示精度[1]。在此類應(yīng)用中，精密軸承用于提供精確的旋轉(zhuǎn)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(xiàn)的電流不穩(wěn)定問題進行了研究，找出了原因并提出了解決方案。

1 現(xiàn)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(zhuǎn)速精確。電動機在恒定電壓下，要求電流平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)速精確。根據(jù)電動機使用特點，電動機旋轉(zhuǎn)軸系采用成對安裝的陶瓷球軸承。

電動機旋轉(zhuǎn)軸系中軸承運行的穩(wěn)定性對電動機性能起關(guān)鍵作用。該電動機裝配完成后，需進行電流穩(wěn)定性篩選跑合試驗，根據(jù)監(jiān)測的電動機電流情況，判斷電動機旋轉(zhuǎn)軸系性能是否穩(wěn)定。在跑合試驗過程中，經(jīng)常發(fā)生電動機電流不穩(wěn)定而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的現(xiàn)象。圖1所示為額定電壓下電動機電流產(chǎn)生的波動；圖2所示為電流不穩(wěn)導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速波動。

圖1 典型電流不穩(wěn)現(xiàn)象

圖2 電流不穩(wěn)導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)

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(wěn)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(chǎn)生的摩擦力矩、保持架與引導(dǎo)面產(chǎn)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(chǎn)生的摩擦力矩受軸承技術(shù)條件所限，改善較為困難；球和保持架的接觸屬于點接觸，產(chǎn)生的摩擦力相對較小。因此，在技術(shù)條件不變的前提下，影響軸承摩擦力矩穩(wěn)定的只有保持架與引導(dǎo)面的碰撞，故保持架與套圈大面積接觸是導(dǎo)致摩擦力矩不穩(wěn)的主要因素。

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

2.1 增大預(yù)緊力

2.1.1 預(yù)緊力與溫升的關(guān)系

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

圖3 預(yù)緊力與溫升的關(guān)系

2.1.2 預(yù)緊力與壽命的關(guān)系

根據(jù)軸承疲勞壽命計算公式

式中：Pr=XFr+YFa，可以看到當(dāng)預(yù)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(jié)果顯示了軸承壽命與預(yù)緊力的密切關(guān)系，預(yù)緊力越小(即接觸應(yīng)力越低)，壽命越長。

圖4 預(yù)緊力與壽命的關(guān)系

增大預(yù)緊力可以減小保持架不穩(wěn)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(dǎo)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(yù)緊力來提高軸承摩擦力矩的穩(wěn)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(shè)計參數(shù)和預(yù)緊力的條件下，改善外圈引導(dǎo)擋邊表面粗糙度，減小保持架與引導(dǎo)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(xiàn)摩擦力矩不穩(wěn)定的軸承，對其外圈引導(dǎo)擋邊進行拋光，用泰勒儀測量外圈引導(dǎo)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(jié)果。

表1 軸承外圈引導(dǎo)擋邊拋光前、后電流對比

由表1可知，軸承外圈引導(dǎo)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(dǎo)擋邊拋光后電動機的轉(zhuǎn)速，表明擋邊拋光后電流和轉(zhuǎn)速均較穩(wěn)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(wěn)定性是有效的，可以顯著提高電動機電流的穩(wěn)定性。

圖5 引導(dǎo)擋邊拋光前2#電動機的電流

圖6 引導(dǎo)擋邊拋光后2#電動機的電流

3 結(jié)束語

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