保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性試驗及評價準(zhǔn)則研究

柴靈芝，趙 雁，潘鋼鋒，馬金芝，鄭向凱，趙正鵬

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 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)定會加劇摩擦磨損，引起潤滑性能下降，導(dǎo)致力矩波動，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，軸承保持架的穩(wěn)定性問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。KINGSBURY[1]通過試驗發(fā)現(xiàn)了儀表球軸承保持架運(yùn)動與力矩波動的關(guān)系，認(rèn)為球與保持架的摩擦引起了保持架的渦動，保持架的不穩(wěn)定渦動導(dǎo)致了力矩波動和嘯叫聲。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力學(xué)仿真分析方面，通過建立軸承動力學(xué)仿真模型，分析摩擦、潤滑、工況、幾何參數(shù)等對保持架運(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、減小摩擦力矩波動的措施。GHAISAS等[6]以保持架質(zhì)心運(yùn)動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)動速度的離散程度，偏差比越小對應(yīng)的保持架質(zhì)心軌跡越圓。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始利用速度傳感器、位移傳感器測量保持架的運(yùn)動，分析了保持架渦動形狀、渦動頻率與潤滑、工況等參數(shù)的關(guān)系，提出了保持架渦動的模型[7-9]，并研究了載荷、轉(zhuǎn)速及保持架偏心質(zhì)量對保持架質(zhì)心運(yùn)動的影響[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)動測試及穩(wěn)定性評價方面，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，尚無統(tǒng)一判據(jù)，無法建立保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與軸承力矩波動的關(guān)聯(lián)關(guān)系。鑒于此，本文基于高速攝像系統(tǒng)，通過拍攝保持架質(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的內(nèi)在聯(lián)系，并根據(jù)質(zhì)心軌跡測試結(jié)果，探索一種保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的評價準(zhǔn)則。

1 試驗對象

以某型號角接觸球軸承為例，在不同轉(zhuǎn)速下監(jiān)測軸承動態(tài)摩擦力矩變化，同時測試保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡。軸承基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 角接觸球軸承基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗對象

采用驅(qū)動設(shè)備連接電機(jī)驅(qū)動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動設(shè)備采集并監(jiān)測電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流反映軸承摩擦力矩大小及變化，同時采用安裝于軸承正上方的高速攝像機(jī)對運(yùn)轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行拍攝，使用3D軌跡跟蹤軟件TEMA Motion對保持架、軸承旋轉(zhuǎn)套圈標(biāo)記點進(jìn)行追蹤，采用后處理程序?qū)?biāo)記點運(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)動設(shè)備參數(shù)見表2，高速攝像機(jī)參數(shù)見表3。

表2 驅(qū)動設(shè)備參數(shù)

表3 高速攝像機(jī)參數(shù)

3 試驗結(jié)果

3.1 900 r/min試驗結(jié)果

900 r/min轉(zhuǎn)速下測試軸承電流波動情況如圖1所示，由圖1可知：軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電流分為穩(wěn)態(tài)和瞬時凸跳2個階段。電流測試過程中，同時分別測試電流穩(wěn)態(tài)時和凸跳瞬時的質(zhì)心軌跡與質(zhì)心位移，測試結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖1 900 r/min電流測試情況

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

圖3 900 r/min電流凸跳瞬時的質(zhì)心測試結(jié)果

3.2 2 000 r/min試驗結(jié)果

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

圖4 2 000 r/min電流測試情況

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

圖6 2 000 r/min電流凸跳瞬時的質(zhì)心測試結(jié)果

3.3 4 000 r/min試驗結(jié)果

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

圖7 4 000 r/min電流測試情況

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

圖9 4 000 r/min電流凸跳瞬時的質(zhì)心測試結(jié)果

3.4 6 000 r/min試驗結(jié)果

6 000r/min轉(zhuǎn)速下測試軸承電流波動情況如圖10所示，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電流穩(wěn)定，只有穩(wěn)態(tài)一個階段。保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡測試結(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)位移隨時間變化趨勢圖。

圖10 6 000 r/min電流測試情況

圖11 6 000 r/min電流波動瞬時的質(zhì)心測試結(jié)果

4 保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性評價準(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)心位移隨時間變化規(guī)律，說明保持架為穩(wěn)定渦動狀態(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)頻繁波動現(xiàn)象，整個電流測試過程中，包含電流穩(wěn)定及瞬時凸跳2個階段。當(dāng)電流穩(wěn)定時，保持架質(zhì)心位移隨時間變化相對規(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，保持架質(zhì)心位移隨時間變化規(guī)律性變差，位移峰值出現(xiàn)較大的波動，且電流波動瞬間，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)心軌跡對時間變化的規(guī)律性，僅能判定在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)相對穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速降低，穩(wěn)定性有所減弱，無法建立保持架質(zhì)心運(yùn)動與軸承力矩波動的內(nèi)在聯(lián)系。為此，本文引進(jìn)波動比這一參數(shù)來定量判斷各轉(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)位移波動比定義為保持架運(yùn)轉(zhuǎn)位移峰值的波動范圍與平均運(yùn)轉(zhuǎn)半徑之比，由公式（1）計算，計算結(jié)果見表4。

表4 各轉(zhuǎn)速下波動比

由表4可知：6 000 r/min轉(zhuǎn)速下保持架質(zhì)心位移波動比較小，說明在該轉(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，電流凸跳時的波動比與穩(wěn)態(tài)相比較大，與6 000 r/min轉(zhuǎn)速下的波動比相比，明顯高出約30~80倍，說明隨著轉(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)心位移波動比數(shù)值與軸承摩擦力矩波動存在對應(yīng)關(guān)系，波動比越大，摩擦力矩波動越大。

5 結(jié)論

本文基于高速攝像系統(tǒng)，對軸承保持架質(zhì)心軌跡進(jìn)行拍攝，對不同轉(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，該方法同時可建立保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與力矩波動的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明如下。

（1）通過保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時間變化的規(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)位移隨時間變化相對規(guī)律時或質(zhì)心軌跡呈規(guī)則的圓形形狀時，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)相對穩(wěn)定；反之，當(dāng)保持架質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)位移隨時間變化的規(guī)律性變差時或質(zhì)心軌跡形狀趨于紊亂時，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)心軌跡波動引起的。當(dāng)電流凸跳時，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，波動比越小，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)越穩(wěn)定，同時軸承力矩波動越??；反之，波動比越大，保持架運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性越差，軸承力矩波動越大，出現(xiàn)凸跳越明顯。