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陀螺電機(jī)軸承保持架的改進(jìn)試驗(yàn)研究

2014-07-21 03:13:40張文濤孫北奇葛世東陸盼張蕾
軸承 2014年3期
關(guān)鍵詞:保持架鋼球油膜

張文濤,孫北奇,葛世東,陸盼,張蕾

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

某型高精度長(zhǎng)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(rùn)滑油黏度會(huì)降低。軸承工作轉(zhuǎn)速為36 000 r/min,壽命要求2萬(wàn)小時(shí)以上。軸承受載很小,所以一般不會(huì)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(rùn)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(rùn)滑油膜,軸承的潤(rùn)滑條件很差,而且不能添加任何補(bǔ)充潤(rùn)滑裝置。

隨著對(duì)陀螺電機(jī)軸承認(rèn)識(shí)的提高及對(duì)陀螺壽命和可靠性要求的不斷提高,決定對(duì)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(duì)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(guò)潤(rùn)滑油的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑技術(shù)延長(zhǎng)軸承有效壽命,減少保持架磨損;(2)針對(duì)新采用的保持架材料,通過(guò)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(rùn)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(rùn)滑油有向外徑面轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于摩擦等因素產(chǎn)生熱量,保持架出現(xiàn)溫升。由于潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油黏度降低,流動(dòng)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(dòng),將其表面的潤(rùn)滑油轉(zhuǎn)移到相接觸的滾動(dòng)面上。其中有部分潤(rùn)滑油直接轉(zhuǎn)移到軸承外引導(dǎo)面上并流失掉,不僅對(duì)軸承潤(rùn)滑無(wú)益,還會(huì)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(méi)有吸油能力,軸承溝道內(nèi)部的潤(rùn)滑油量會(huì)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(duì)于潤(rùn)滑油產(chǎn)生毛細(xì)管力。該力與微孔直徑成反比,與潤(rùn)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(rùn)滑油過(guò)快地流失,同時(shí)將與之接觸的多余潤(rùn)滑油吸入保持架,在轉(zhuǎn)速、載荷、溫度和潤(rùn)滑油特性等外界條件一定時(shí),通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)建立一種動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)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(shí)間延長(zhǎng),潤(rùn)滑油將會(huì)流失或出現(xiàn)變質(zhì),潤(rùn)滑性能變差,有時(shí)在溝道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)磨損物或外來(lái)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(wú)法建立和穩(wěn)定潤(rùn)滑油膜,軸承開(kāi)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(wú)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(guò)調(diào)整材料壓制工藝參數(shù)和提高材料強(qiáng)度來(lái)保證,其表面減摩作用也可通過(guò)PTFE來(lái)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(duì)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(guò)理論進(jìn)行模擬計(jì)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(rùn)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(kāi),但由于引導(dǎo)間隙的存在,保持架在油的拖動(dòng)力作用下不停發(fā)生碰撞。在碰撞過(guò)程中,保持架不停地加、減速,同時(shí)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(shí)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(shí),其會(huì)與鋼球及引導(dǎo)擋邊發(fā)生劇烈摩擦,同時(shí)伴隨保持架的渦動(dòng)和嘯叫,這種現(xiàn)象稱之為保持架運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性。保持架的不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致軸承動(dòng)態(tài)性能的急劇波動(dòng),同時(shí)會(huì)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(huì)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(duì)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(guò)低速動(dòng)態(tài)(LSD)力矩儀,根據(jù)陀螺電機(jī)停慣時(shí)間和毫瓦計(jì)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(zhǎng)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(dòng)和保持架與鋼球相互作用的摩擦在決定保持架運(yùn)動(dòng)中起著關(guān)鍵作用[3]。長(zhǎng)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(rùn)滑油的拖動(dòng)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(cè)試,調(diào)整預(yù)載。

(4)記錄毫瓦計(jì)變化曲線。

(5)停止陀螺電機(jī),測(cè)量停慣時(shí)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(jì)及直流永磁無(wú)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(jiàn)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(cè)溝道油膜分布情況良好,則軸承完全能運(yùn)行數(shù)萬(wàn)小時(shí)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(cè)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(huì)很長(zhǎng)[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(zhǎng)期穩(wěn)定性和尺寸的合理性,裝配了5個(gè)陀螺電機(jī),經(jīng)早期跑合進(jìn)行 LSD力矩測(cè)試、停慣時(shí)間和毫瓦計(jì)測(cè)試。

2.4.1 LSD力矩測(cè)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(jiàn)故障。在低速下,軸承的潤(rùn)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(gè)作用力對(duì)低速力矩產(chǎn)生影響:一個(gè)是鋼球與溝道接觸區(qū)產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力;另一個(gè)是鋼球和溝道因表面粗糙引起的幾何輪廓力。滑動(dòng)摩擦力矩顯示軸承的加載情況,可用LSD力矩儀調(diào)整軸承預(yù)載,鑒定配對(duì)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(dòng)范圍來(lái)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(shí)間

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

圖4 陀螺電機(jī)停慣時(shí)間

2.4.3 毫瓦計(jì)測(cè)試

毫瓦計(jì)是測(cè)量陀螺中磁滯電機(jī)輸入功率微小變化的儀器,可檢測(cè)陀螺電機(jī)潛在性能變化,尤其對(duì)陀螺電機(jī)高速工作時(shí)過(guò)潤(rùn)滑的檢測(cè)具有顯著效果,還可檢測(cè)陀螺高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(jì)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(gè)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(jì)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(wàn)小時(shí)的壽命考核試驗(yàn)驗(yàn)證了保持架材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

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