陀螺電機(jī)軸承保持架的改進(jìn)試驗(yàn)研究

張文濤，孫北奇，葛世東，陸盼，張蕾

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.一拖(洛陽)車橋有限公司，河南 洛陽 471039)

某型高精度長壽命陀螺電機(jī)軸承工作環(huán)境溫度為80 ℃，內(nèi)部實(shí)際工作溫度一般為80～100 ℃，在此溫度下軸承潤滑油黏度會降低。軸承工作轉(zhuǎn)速為36 000 r/min，壽命要求2萬小時以上。軸承受載很小，所以一般不會出現(xiàn)表面疲勞失效的情況，但精度要求很高，其失效多為磨損導(dǎo)致的精度失效。由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致彈流潤滑接觸區(qū)入口出現(xiàn)缺油現(xiàn)象，使軸承的彈流油膜厚度降低30%以上[1]。由于不能形成良好的彈流潤滑油膜，軸承的潤滑條件很差，而且不能添加任何補(bǔ)充潤滑裝置。

隨著對陀螺電機(jī)軸承認(rèn)識的提高及對陀螺壽命和可靠性要求的不斷提高，決定對該型軸承進(jìn)行改進(jìn)，以提高陀螺電機(jī)的壽命和可靠性。

1 改進(jìn)措施

在原軸承的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對保持架材料和尺寸作出改進(jìn)：(1)保持架采用強(qiáng)度和耐磨性更好的多孔聚酰亞胺復(fù)合材料，通過潤滑油的轉(zhuǎn)移潤滑技術(shù)延長軸承有效壽命，減少保持架磨損；(2)針對新采用的保持架材料，通過試驗(yàn)找到合適的保持架兜孔尺寸和引導(dǎo)尺寸，并經(jīng)前期跑合和用戶裝機(jī)壽命考核試驗(yàn)驗(yàn)證保持架尺寸的合理性。

1.1 保持架轉(zhuǎn)移潤滑的基本原理

由于離心力的作用，多孔含油保持架內(nèi)的潤滑油有向外徑面轉(zhuǎn)移的趨勢。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時由于摩擦等因素產(chǎn)生熱量，保持架出現(xiàn)溫升。由于潤滑油體積膨脹系數(shù)比保持架骨架材料的大，保持架材料內(nèi)部微孔內(nèi)所含的潤滑油體積增大量比微孔體積增大量大，將產(chǎn)生一種壓迫潤滑油向外表面滲溢的內(nèi)壓力。隨著保持架溫度升高，內(nèi)部潤滑油黏度降低，流動性增強(qiáng)，產(chǎn)生向鋼球表面轉(zhuǎn)移的傾向。鋼球不停轉(zhuǎn)動，將其表面的潤滑油轉(zhuǎn)移到相接觸的滾動面上。其中有部分潤滑油直接轉(zhuǎn)移到軸承外引導(dǎo)面上并流失掉，不僅對軸承潤滑無益，還會引起軸承的質(zhì)量漂移，因此在工作中應(yīng)盡量減少這部分油量。若保持架沒有吸油能力，軸承溝道內(nèi)部的潤滑油量會不斷增多，并向周圍流失。多孔含油保持架具有回收油的能力，由于多孔保持架材料內(nèi)微孔可看作相互貫通的微毛細(xì)管，其對于潤滑油產(chǎn)生毛細(xì)管力。該力與微孔直徑成反比，與潤滑和多孔材料間的表面張力成正比。該力阻止保持架內(nèi)潤滑油過快地流失，同時將與之接觸的多余潤滑油吸入保持架，在轉(zhuǎn)速、載荷、溫度和潤滑油特性等外界條件一定時，通過運(yùn)轉(zhuǎn)會建立一種動態(tài)平衡，此時出油和吸油速率相等，油膜厚度穩(wěn)定，這是一種理想的平衡狀態(tài)，是多孔含油保持架的平穩(wěn)工作期。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時間延長，潤滑油將會流失或出現(xiàn)變質(zhì)，潤滑性能變差，有時在溝道內(nèi)會出現(xiàn)磨損物或外來異物，這些因素導(dǎo)致平衡的破壞。若不能在新的條件下建立平衡，則無法建立和穩(wěn)定潤滑油膜，軸承開始失效。

1.2 保持架材料的改進(jìn)

原軸承保持架材料為聚酰亞胺(PI)+聚四氟乙烯(PTFE)+二硫化鎢(WS2)多孔復(fù)合材料，主要采用PI高分子材料為骨架，在內(nèi)部添充PTFE和WS2等固體轉(zhuǎn)移材料。由于WS2為無機(jī)材料，與其他2種有機(jī)高分子完全不相溶，所以WS2基本處于被高分子材料包覆的狀態(tài)，在保持架接觸情況下有可能脫落，從而影響表面彈流油膜的有效性，而其彌散強(qiáng)化作用完全可通過調(diào)整材料壓制工藝參數(shù)和提高材料強(qiáng)度來保證，其表面減摩作用也可通過PTFE來保證，所以改進(jìn)后軸承采用PI+PTFE多孔復(fù)合材料，此復(fù)合材料已在多種高速陀螺電機(jī)上獲得成功應(yīng)用。

除保持架材料外，保持架的結(jié)構(gòu)形式、引導(dǎo)方式、表面粗糙度、質(zhì)量等對軸承摩擦力矩和壽命的影響也較大。由于現(xiàn)在還不能通過理論進(jìn)行模擬計算，保持架的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)還需根據(jù)保持架材料的種類結(jié)合所浸的潤滑油進(jìn)行試驗(yàn)，以找到一種高速穩(wěn)定性較好的保持架結(jié)構(gòu)尺寸。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 保持架導(dǎo)致的軸承失效

一般情況下，保持架、鋼球及引導(dǎo)擋邊間被一層薄薄的彈流油膜隔開，但由于引導(dǎo)間隙的存在，保持架在油的拖動力作用下不停發(fā)生碰撞。在碰撞過程中，保持架不停地加、減速，同時也在不斷吸收和消耗能量。在保持架兜孔間隙和引導(dǎo)間隙匹配不合適的時候，保持架吸收的能量大于消耗的能量。當(dāng)保持架的能量積累到一定程度時，其會與鋼球及引導(dǎo)擋邊發(fā)生劇烈摩擦，同時伴隨保持架的渦動和嘯叫，這種現(xiàn)象稱之為保持架運(yùn)動的不穩(wěn)定性。保持架的不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致軸承動態(tài)性能的急劇波動，同時會在保持架引導(dǎo)面和兜孔上產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。這些磨損物一方面會堵塞保持架內(nèi)部的微孔，阻斷保持架的油循環(huán)路徑，使軸承工作表面發(fā)生缺油現(xiàn)象；另一方面磨損物被帶入溝道，產(chǎn)生磨粒磨損，導(dǎo)致軸承早期失效[2]。

2.2 保持架試驗(yàn)方案及目的

針對改進(jìn)后的保持架材料，選取2種保持架尺寸。首先進(jìn)行短期跑合試驗(yàn)，通過低速動態(tài)(LSD)力矩儀，根據(jù)陀螺電機(jī)停慣時間和毫瓦計篩選出較好的保持架尺寸，再經(jīng)主機(jī)用戶確認(rèn)并進(jìn)行壽命考核試驗(yàn)，以驗(yàn)證保持架材料的長期穩(wěn)定性。

2.3 保持架試驗(yàn)研究

鋼球與溝道接觸處的拖動和保持架與鋼球相互作用的摩擦在決定保持架運(yùn)動中起著關(guān)鍵作用[3]。長期經(jīng)驗(yàn)表明，高速陀螺電機(jī)保持架與套圈匹配的主要因素是保持架的間隙(兜孔間隙和引導(dǎo)間隙)和潤滑油的拖動力曲線。限于條件，以下僅研究保持架的最佳間隙。

2.3.1 試驗(yàn)步驟

(1)保持架經(jīng)超聲波清洗、抽提、烘干、真空浸油處理、甩油、分組包裝。

(2)清洗試驗(yàn)用軸承零件及陀螺電機(jī)組件。

(3)裝配、試運(yùn)轉(zhuǎn)、LSD力矩儀測試，調(diào)整預(yù)載。

(4)記錄毫瓦計變化曲線。

(5)停止陀螺電機(jī)，測量停慣時間。

(6)重復(fù)試驗(yàn)3次，確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果。

2.3.2 試驗(yàn)參數(shù)

用LSD力矩儀、毫瓦計及直流永磁無刷陀螺電機(jī)作為分析、試驗(yàn)手段。輸出電壓為40 V，改進(jìn)后軸承轉(zhuǎn)速為36 000 r/min，保持架材料為多孔材料(PI+PTFE)，試驗(yàn)用油采用4129高低溫儀表油，軸向載荷7 N、徑向載荷0.7 N、保持架含油量4～8 mg等與原軸承保持不變。

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.3.1 方案1

由圖1可知，保持架兜孔輕微磨損，鋼球跑合帶較正常，且能清晰看見鋼球和溝道上的油膜。若陀螺電機(jī)軸承經(jīng)前期跑合后目測溝道油膜分布情況良好，則軸承完全能運(yùn)行數(shù)萬小時而不失效[4]。

圖1 方案1軸承分解

2.3.3.2 方案2

圖2 方案2軸承分解

由圖2可知，保持架兜孔嚴(yán)重磨損，鋼球發(fā)烏，外溝道上跑合印十分明顯且跑合帶較寬，內(nèi)、外圈上已看不到清晰的油膜。經(jīng)前期跑合后若目測溝道油膜分布情況不好，表明軸承表面化學(xué)特性不良，軸承若繼續(xù)運(yùn)行下去，則壽命不會很長[4]。

2.4 主機(jī)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方案1中保持架材料的長期穩(wěn)定性和尺寸的合理性，裝配了5個陀螺電機(jī)，經(jīng)早期跑合進(jìn)行 LSD力矩測試、停慣時間和毫瓦計測試。

2.4.1 LSD力矩測試

LSD力矩儀能在模擬軸承實(shí)際預(yù)載及低速條件下定性判別軸承常見故障。在低速下，軸承的潤滑油膜很薄，造成鋼球與溝道直接接觸。在這種情況下，有2個作用力對低速力矩產(chǎn)生影響：一個是鋼球與溝道接觸區(qū)產(chǎn)生的滑動摩擦力；另一個是鋼球和溝道因表面粗糙引起的幾何輪廓力?；瑒幽Σ亮仫@示軸承的加載情況，可用LSD力矩儀調(diào)整軸承預(yù)載，鑒定配對軸承的同軸度。幾何輪廓力矩可顯示鋼球或溝道的表面粗糙度、損傷及粒子污染[4]。

3#陀螺電機(jī)的LSD力矩曲線如圖3所示，其平均值為430 mV，且曲線波幅小。工藝上要求LSD力矩為300～700 mV，從曲線的波動范圍來看，完全滿足工藝要求。

圖3 3#陀螺電機(jī)的LSD力矩曲線

2.4.2 停慣時間

陀螺電機(jī)停慣時間如圖4所示。由圖4可知，5個陀螺電機(jī)停慣時間均不同程度呈增長趨勢，2#陀螺電機(jī)停慣時間雖在第3～5天呈下降趨勢，但比第1天的停慣時間長。工藝上要求停慣時間為120 s≤t≤180 s，從圖中可知，5個陀螺電機(jī)停慣時間在8天后都在合格范圍內(nèi)。

圖4 陀螺電機(jī)停慣時間

2.4.3 毫瓦計測試

毫瓦計是測量陀螺中磁滯電機(jī)輸入功率微小變化的儀器，可檢測陀螺電機(jī)潛在性能變化，尤其對陀螺電機(jī)高速工作時過潤滑的檢測具有顯著效果，還可檢測陀螺高速運(yùn)轉(zhuǎn)時保持架不正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成的嘯叫[4]。

1#～5#陀螺電機(jī)的毫瓦計曲線如圖5所示。由圖5可知，除2#陀螺電機(jī)的毫功率為50 mW左右外，其他4個陀螺電機(jī)的毫功率基本為30 mW左右，滿足裝配工藝上小于100 mW的要求。

圖5 毫瓦計曲線

3 結(jié)論

(2)主機(jī)單位的裝機(jī)試驗(yàn)證明改進(jìn)方案成功可行。經(jīng)近2萬小時的壽命考核試驗(yàn)驗(yàn)證了保持架材料的長期穩(wěn)定性。