磁滯陀螺電機是慣性姿態(tài)敏感器中陀螺的核心部件，通過磁滯陀螺電機的高速旋轉(zhuǎn)，為陀螺提供穩(wěn)定的角動量，從而可以精確測量衛(wèi)星的角速度.磁滯陀螺電機實現(xiàn)長壽命是慣性姿態(tài)敏感器長壽命的關(guān)鍵.

北京控制工程研究所自60年代開始研制某型號衛(wèi)星用磁滯陀螺電機，1980年進入型號研制階段，1987年成功應(yīng)用于返回式衛(wèi)星.目前，采用該型磁滯陀螺電機產(chǎn)品的慣性姿態(tài)敏感器已經(jīng)被應(yīng)用于數(shù)十個型號的星、船控制系統(tǒng)，有多次成功飛行經(jīng)驗.目前實際在軌連續(xù)工作壽命最長的衛(wèi)星慣性姿態(tài)敏感器，在軌連續(xù)運行時間達到2年7個月.

磁滯陀螺電機在多年的應(yīng)用中暴露出一些潤滑系統(tǒng)的問題，并且隨著中國航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，高軌道衛(wèi)星要求壽命達到15年，因此有必要采取針對性措施來改進磁滯陀螺電機以達到長壽命的目的.

1 磁滯陀螺電機工作原理

某型磁滯陀螺電機主要由軸承、轉(zhuǎn)子環(huán)、磁滯環(huán)部件和定子部件等組成，如圖1所示.

圖1 磁滯陀螺電機總體結(jié)構(gòu)圖

圖1中，定子部件是其他所有零件的安裝基體.磁滯環(huán)部件通過壓入轉(zhuǎn)子環(huán)定位，與定子部件線包形成磁回路，帶動磁滯陀螺電機轉(zhuǎn)子環(huán)旋轉(zhuǎn).磁滯陀螺電機的固定部分和旋轉(zhuǎn)部分由一對軸承進行穩(wěn)固精確地回轉(zhuǎn)支承，軸承采用面朝面方式放置，它是陀螺電機中最重要和最關(guān)鍵的部件之一.

陀螺電機正常工作時的工況為60℃高溫，工作轉(zhuǎn)速為24000r/min.在惡劣的環(huán)境中，潤滑失效必然加劇軸承表面磨損，所以解決軸承的潤滑問題是保證陀螺電機長壽命的關(guān)鍵因素.

高速陀螺電機軸承潤滑失效的最主要原因[1]是：1)由于高速效應(yīng),導(dǎo)致軸承彈流潤滑區(qū)入口處嚴重貧油,從而不能形成足夠厚的油膜以隔開軸承工作表面；2)由于高速運動所產(chǎn)生的高速剪切作用,使?jié)櫥彤a(chǎn)生大量的熱量,導(dǎo)致很高的環(huán)境溫度, 潤滑油粘度也會隨之變小,彈流油膜厚度也就隨之變薄,從而進一步惡化了潤滑油的潤滑性能；3)高速運轉(zhuǎn)還會使鋼球和軸承滾道之間出現(xiàn)自旋打滑.這些因素導(dǎo)致軸承內(nèi)部不能形成良好的彈性流體動力潤滑油膜，可能造成潤滑失效.

2 目前存在的主要失效形式

軸承失效中最普遍出現(xiàn)的失效形式包括以下情況[2-4].

(1)保持架異常磨損

保持架如果在早期裝配過程中沒有達到理想的潤滑狀態(tài)(比如由于保持架出油過慢或者過快，粗裝時溝道內(nèi)初始油量過多或者過少，或者保持架尺寸不合適、脫載等原因)，保持架很快磨損，會在保持架兜孔四周和溝道內(nèi)形成油泥，破壞軸承內(nèi)部的彈性流體潤滑環(huán)境，從而造成早期失效.

(2)保持架運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定

保持架運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定導(dǎo)致的軸承運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)嘯叫和渦動也是比較常見的故障形式.這主要與軸承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的多少以及潤滑油的粘度、高速拖動性能有關(guān).

(3)滾珠打滑導(dǎo)致軸承接觸異?；蚰p

軸承滾珠打滑導(dǎo)致軸承接觸異常或加劇軸承磨損也是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象.主要表現(xiàn)在于軸承運轉(zhuǎn)一段時間后，軸承分解發(fā)現(xiàn)鋼球表面有明顯的多條交叉接觸環(huán)帶，嚴重的時候鋼球表面全部發(fā)烏，有明顯的磨損(正常情況下鋼球表面一般只有一條比較輕的接觸痕跡)，并且軸承溝道內(nèi)部跑合帶較深難以形成潤滑油膜.

(4)潤滑油流失、變質(zhì)

潤滑油變質(zhì)、流失是長期運轉(zhuǎn)后陀螺電機軸承的主要失效形式.經(jīng)過長時間運轉(zhuǎn)性能下降的電機軸承分解后，經(jīng)?？梢杂^察到軸承內(nèi)部缺失潤滑油或者潤滑油酸解變質(zhì)的情況，因此潤滑油保證不流散性能以及性能的長期穩(wěn)定性已經(jīng)是制約軸承長期運轉(zhuǎn)壽命的主要因素.

3 采取的措施

軸承要達到長壽命的要求，必須對潤滑系統(tǒng)進行改進.一方面可以通過優(yōu)化軸承的設(shè)計參數(shù)，降低軸承內(nèi)部接觸應(yīng)力, 減小軸承的內(nèi)部打滑，降低軸承接觸磨損；另一方面可以采用潤滑性能更好的潤滑油，改善軸承表面的潤滑狀態(tài)，并且通過提高保持架材料的抗磨損能力和保持架的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，減少保持架的磨損，改善軸承內(nèi)部的油循環(huán)狀態(tài).

3.1 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

軸承的內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：球中心圓直徑、接觸角、鋼球直徑、球數(shù)、內(nèi)圈溝曲率系數(shù)、外圈溝曲率系數(shù).這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同組合將導(dǎo)致軸承不同的使用性能.

(1)球中心圓直徑

軸承的球中心圓直徑主要影響軸承的球數(shù)以及鋼球旋轉(zhuǎn)的離心力大小.中心圓直徑越大，允許軸承裝的鋼球越多，軸承承載能力越高；但鋼球旋轉(zhuǎn)的離心力也越大.同時，中心圓直徑的大小要受到軸承內(nèi)外徑幾何尺寸的約束，其允許變動的范圍很小.

(2)鋼球直徑和球數(shù)

鋼球越大，單個鋼球承載能力越大；同樣直徑下，球數(shù)越多，軸承承載能力越大.但是球徑越大，所能裝的鋼球越少.因此在保證保持架過梁強度的情況下，軸承的球徑和球數(shù)存在一個最佳組合狀態(tài).

陀螺電機軸承球中心圓直徑、鋼球直徑和球數(shù)受到軸承幾何尺寸的約束，并考慮到技術(shù)狀態(tài)的繼承性，軸承球中心圓直徑、鋼球直徑和球數(shù)設(shè)計參數(shù)不變化.

(3)接觸角

軸承的接觸角主要影響到軸承徑向剛度和軸向剛度的分配情況.軸承的接觸角越大，軸承軸向剛度越大，徑向剛度越小.另外接觸角還影響到軸承高速旋轉(zhuǎn)下的自轉(zhuǎn)打滑情況及鋼球所受陀螺力矩的大小.接觸角越大，軸承鋼球高速旋轉(zhuǎn)下所受陀螺力矩越大，鋼球的自轉(zhuǎn)打滑越容易發(fā)生，軸承高速性能越差.同時，根據(jù)軸承動負荷容量計算方法，軸承接觸角越小，軸承動負荷容量越大.

某型磁滯陀螺電機軸承最初設(shè)計時選擇24°～27°這種較大的接觸角，主要考慮到陀螺電機兩端軸承的等剛度，可以滿足大機動大過載條件下衛(wèi)星導(dǎo)航的需求.但是目前陀螺電機軸承在加工完成后都測軸承剛度，裝配時根據(jù)剛度接近的原則來選配軸承，因此沒有必要選擇較大的接觸角來保證兩端軸承剛度一致.由于陀螺電機轉(zhuǎn)速很高，減小接觸角對降低鋼球的陀螺力矩很有好處，并可以利用減少高速運轉(zhuǎn)時滾珠與保持架的摩擦磨損來延長馬達壽命.因此，可以適當(dāng)減小陀螺電機軸承的接觸角到19°～22°.

(4)內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)f

內(nèi)、外圈的溝曲率半徑R=fDW，式中DW為軸承中徑.溝曲率半徑的大小是影響軸承負荷容量、壽命、剛性、摩擦力矩的重要參數(shù).溝曲率半徑增大，摩擦力矩會減小，但是軸承負荷容量減小，壽命縮短，接觸剛度變小.同時不同的內(nèi)、外圈溝曲率半徑的組合，對軸承中鋼球的運轉(zhuǎn)接觸和打滑以及高速下內(nèi)外接觸角的變化情況有很大影響.

目前陀螺電機軸承的內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)均為0.57，計算結(jié)果表明，陀螺電機的動負荷能力和靜負荷能力均較小，旋滾比較大，影響了軸承的疲勞壽命和抗力學(xué)性能，并加大了軸承滾珠打滑的趨勢.因此，適當(dāng)減小陀螺電機溝曲率系數(shù)到內(nèi)圈溝曲率系數(shù)為0.53、外圈溝曲率系數(shù)為0.55[5-6].

更改前后軸承的設(shè)計參數(shù)以及性能參數(shù)變化對比如表1所示.

從表1可以看出,優(yōu)化后的軸承的各項性能指標(biāo)均沒有出現(xiàn)下降的情況,大部分性能指標(biāo)要優(yōu)于原有軸承,其中旋滾比參數(shù)降低了20%，動負荷容量增加了37.8%，疲勞壽命增加了162%.

3.2 保持架材料改進

保持架在一般的工業(yè)軸承中僅起到隔離滾珠的作用，但在長壽命陀螺電機中卻是保障馬達軸承正常潤滑的關(guān)鍵部件.陀螺電機的保持架是多孔含油保持架，軸承工作時，保持架隨著軸承的運轉(zhuǎn)，在離心力的作用下會析出潤滑油對軸承進行潤滑，在鋼球與內(nèi)、外圈滾道以及保持架之間建立起穩(wěn)定的循環(huán)供油潤滑系統(tǒng)，如圖2所示.因此，陀螺電機軸承工況條件要求保持架不僅要使鋼球保持分隔，防止相鄰鋼球的直接接觸外，還要作為潤滑源為軸承內(nèi)部的潤滑提供潤滑油.

表1 更改前后軸承的設(shè)計參數(shù)以及性能參數(shù)對比

圖2 軸承內(nèi)部循環(huán)潤滑示意圖

原有的軸承保持架材料為聚酰亞胺+PTFE+WoS2多孔復(fù)合材料.主要采用聚酰亞胺高分子材料為骨架，在內(nèi)部填充聚四氟乙烯和WoS2等固體轉(zhuǎn)移材料，其主要作用是通過軸承運轉(zhuǎn)過程中降低鋼球和保持架兜孔之間以及引導(dǎo)擋邊和保持架外徑的相互摩擦，減小鋼球和滾道之間的摩擦磨損，來達到延長保持架潤滑壽命的目的.但是由于WoS2是無機材料，與其他兩種有機高分子是完全不相溶的，所以WoS2在材料中基本上是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，影響表面彈流油膜的有效性.此外，由于有WoS2成分存在，保持架材料較為疏松，影響保持架材料含油保持率的提高.

目前WoS2成分的彌散強化作用已經(jīng)可以通過調(diào)整材料壓制工藝參數(shù)，提高材料強度來替代，其表面減摩作用也可以通過聚四氟乙烯來替代.所以軸承保持架材料去掉WoS2成分，采用聚酰亞胺和PTFE多孔復(fù)合材料.更改前后保持架材料的性能參數(shù)變化對比如表2所示.

表2 更改前后保持架材料性能參數(shù)對比

3.3 潤滑油選擇

陀螺電機原采用的是4123空間精密軸承潤滑油.4123油是一種酯類合成油，具有優(yōu)良的潤滑性能，在高速陀螺電機中得到了比較廣泛的應(yīng)用，也有許多成功的使用經(jīng)驗.但是這種油是1982年研制成功并定型的，隨著應(yīng)用要求的提高，4123油的一些弱點也漸漸顯露出來，最主要的就是油品的長期性能穩(wěn)定性.酯類合成油由于具有長期放置酸解的傾向，所以潤滑油使用一段時間會出現(xiàn)潤滑油酸值增大的情況，這種情況會降低油的潤滑性能，并有可能腐蝕軸承零件.綜合國外發(fā)展趨勢和某型陀螺電機自身存在的一些問題，需要尋找一種可以替代的新型潤滑油.

國際上的陀螺電機潤滑油主要經(jīng)歷了精煉礦物油、合成脂類油、碳氫合成油、碳氫硅油這幾個發(fā)展階段[7].其中碳氫合成油現(xiàn)在是國外航天用油的主力軍，其代表油品為聚α-烯烴(PAO)和多烷基環(huán)戊烷(MACs)，兩種油在航天機構(gòu)潤滑領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用.碳氫硅油還處于小批量試制階段，沒有投入使用.中國在聚α-烯烴和多烷基環(huán)戊烷方面也進行了許多研究工作.

國內(nèi)目前已經(jīng)在4123空間精密軸承潤滑油的基礎(chǔ)上研制出了一種符合美軍標(biāo)MIL-L-53131A的的某型軸承潤滑油.從該潤滑油摩擦磨損測試情況來看，潤滑減摩效果和油品的穩(wěn)定性優(yōu)于4123油，潤滑性能良好，是一種很好的4123潤滑油的替代產(chǎn)品.其主要成分是合成酯類油+聚α-烯烴，既繼承了合成酯類油良好的潤滑性能，也通過添加聚α-烯烴提高了潤滑油的長期穩(wěn)定性.

4123潤滑油和某型潤滑油性能參數(shù)如表3所示.

表3 某型潤滑油與4123潤滑油性能對比

從表3可以看出，該型潤滑油的酸值遠小于4123潤滑油，并且潤滑性能明顯優(yōu)于4123潤滑油.

4 壽命試驗驗證

改進后的陀螺電機開展了1 ∶1壽命試驗驗證，對產(chǎn)品進行壽命評估，并利用試驗子樣解剖輔助進行壽命評價[6].

為使陀螺電機的試驗數(shù)據(jù)對陀螺的壽命有一定的參考價值，專門研制了高溫真空罐，驅(qū)動設(shè)備和運行支架，使陀螺電機的壽命條件盡量與陀螺浮子中的條件一致.

分批次共計投入26個陀螺電機壽命試驗子樣和6個解剖子樣進行1 ∶1壽命試驗.試驗子樣最早一批于2010年9月30日開始試驗，最晚一批于2011年6月10日開始試驗，馬達試驗時間最長約為19032小時，最短約為12960小時，壽命試驗子樣情況如表4所示(時間截止2013年4月10日).

表4 陀螺電機壽命試驗情況

根據(jù)表4中各陀螺電機試驗情況，由中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院對改進后的陀螺電機壽命進行了評估(評估時間2011年11月1日)，根據(jù)威布爾壽命分布模型，在取置信度為0.7，有效子樣n=26，失效數(shù)F=0，形狀參數(shù)m=1.952的條件下，平均故障前時間(MTTF)大于30000小時，并預(yù)期可以達到更長的壽命[8].

6個解剖試驗子樣分別于1000小時、3000小時和8000小時壽命試驗后(各2個)進行了測試和解剖.測試和解剖結(jié)果表明，試驗子樣的低速摩擦力矩、滑行時間、微功率等技術(shù)指標(biāo)均在合格范圍以內(nèi)，軸承均無異常磨損情況，8000小時后保持架含油率降低了約30%.由于保持架含油率降低是一個逐步變慢的過程，因此，根據(jù)測試和解剖情況預(yù)計陀螺電機還可以正常工作相當(dāng)長的一段時間.

5 結(jié) 論

為了實現(xiàn)某型磁滯陀螺電機的長壽命，本文從改進軸承潤滑系統(tǒng)的3個方面進行了研究.通過理論分析和計算優(yōu)化了軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低了軸承內(nèi)部接觸應(yīng)力，提高了軸承動負荷容量和疲勞壽命，篩選并確定了保持架的材料配方，提高了保持架摩擦磨損性能和含油性能.此外，通過對潤滑油各方面性能的分析對比找出了可替代原有潤滑油的性能更優(yōu)良的新型潤滑油.

進行以上3個方面的改進，試驗表明改進后的磁滯陀螺電機MTTF大于30000小時，達到了長壽命的效果.

參 考 文 獻

[1]萬長森．滾動軸承的分析方法[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1985

[2]劉澤九，賀士荃，劉暉. 滾動軸承應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007

[3]溫詩鑄，黃平. 摩擦學(xué)原理[M]. 3版. 北京：清華大學(xué)出版社，2008

[4]Erwin V Z．Lubricant effects on bearing life[R]．NASA-TM-88875 87N15467, 1986

[5]岡本純?nèi)蜉S承的設(shè)計計算[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003

[6]劉澤九．滾動軸承應(yīng)用手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010

[7]Tiago C，Beatriz G，Armando C，et al. Friction torque in grease lubricated thrust ball bearings [J]. Tribology International，2011，44：523-531

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