動壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟?？煽啃苑治鲅芯?/h1>
2016-11-28 05:39:32王京鋒劉景林
微特電機(jī) 2016年6期
王京鋒，劉景林，卜 石
(1．西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129；2．中國航天科技九院第十六研究所，西安 710100)
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動壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟停可靠性分析研究
王京鋒1,2，劉景林1，卜 石2
(1．西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129；2．中國航天科技九院第十六研究所，西安 710100)
長壽命、低噪聲機(jī)械陀螺電機(jī)都趨于采用動壓氣體軸承，其壽命取決于動壓氣體軸承陀螺電機(jī)(以下簡稱動壓電機(jī))的啟停次數(shù)，并且以其啟停次數(shù)來表征陀螺的壽命。建立動壓電機(jī)啟?？煽啃阅Ｐ蜆淙娣治?，指出多余物和材料白斑是最主要的影響因素，提出改進(jìn)電機(jī)、軸承零組件的清洗、除氣方法，以及加嚴(yán)材料零件外觀的檢查和篩選標(biāo)準(zhǔn)，并作為動壓電機(jī)可靠性篩選手段，可進(jìn)一步有效地保證動壓電機(jī)的可靠性水平。
動壓氣體軸承電機(jī)；啟停；可靠性
0 引 言
動壓氣體軸承在高速旋轉(zhuǎn)時沒有機(jī)械接觸，它是以無源氣體形成自潤滑氣膜，通過軸承工作面的切向相對運動，使得氣膜在軸承間隙內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力來承載，因此可增加電機(jī)的連續(xù)工作壽命，同時也大大降低了軸承的噪聲水平?；趧訅簹怏w軸承的上述優(yōu)點，長壽命、低噪聲陀螺應(yīng)用場合都趨于采用動壓氣體軸承[1]。
目前，國內(nèi)在動壓氣體軸承的研制方面比較成熟的還是線軸型軸承結(jié)構(gòu)，以某型液浮陀螺使用的外轉(zhuǎn)子動壓氣體軸承電機(jī)(以下簡稱動壓電機(jī))為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示。陀螺電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子組件、定子組件、轉(zhuǎn)子體、軸套、左/右止推板、電機(jī)軸等零組件組成。動壓氣體軸承采用線軸型結(jié)構(gòu)既能確保加工精度，又解決了軸承徑向同軸度問題，還便于軸承零件的清洗和裝配，在電機(jī)反復(fù)裝拆過程中，其轉(zhuǎn)子只需一次動平衡，裝拆十分便利。
線軸型相對其它結(jié)構(gòu)有顯著優(yōu)點：①在相同外形尺寸、額定轉(zhuǎn)速、額定氣隙、相同氣體介質(zhì)條件下，線軸型軸承靜態(tài)剛度與摩擦力矩比值最大(靜態(tài)剛度與摩擦力矩之比是氣體動壓軸承優(yōu)化目標(biāo)函數(shù))。②采用普通精密加工及檢測手段即可制造線軸型氣體動壓軸承，即加工檢測相對容易。
圖1 動壓電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1 動壓氣體軸承工作原理[2]
線軸型動壓氣體軸承由軸頸軸承和止推軸承組成。軸頸軸承如圖2所示，由圓柱形軸套和圓筒形轉(zhuǎn)子構(gòu)成。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于氣體的粘性作用和摩擦，轉(zhuǎn)子會帶動氣體進(jìn)入軸承間隙中，并且一起運動。當(dāng)轉(zhuǎn)子趨近圖2位置時，形成楔形氣膜，此時徑向間隙最小，氣體被壓縮形成相應(yīng)的高壓區(qū)。這種楔形氣膜可托起軸承轉(zhuǎn)子，將軸套和轉(zhuǎn)子的工作表面完全隔離，形成了無接觸的動壓氣體軸頸軸承。
而止推軸承由轉(zhuǎn)子止推面和止推板構(gòu)成，止推軸承工作原理如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子止推面轉(zhuǎn)動時，同樣由于氣體的粘滯和摩擦作用，將會帶動氣體一起轉(zhuǎn)動。氣流沿著止推板泵入型螺旋槽中心方向泵進(jìn)，當(dāng)氣流受到止推板封閉區(qū)阻擋時，氣膜壓力升高，并在有槽區(qū)和封閉區(qū)交界處壓力達(dá)到最大值，同時每個槽臺之間存在階梯效應(yīng)，壓力成鋸齒形分布。正是這種泵進(jìn)效應(yīng)和階梯效應(yīng)一起作用產(chǎn)生了止推軸承的承載能力。
圖3 止推軸承工作原理圖
無論是軸頸軸承還是止推軸承，在正常工作時軸承定子部分和轉(zhuǎn)子部分都是無接觸的，理論上壽命無限長。但是動壓電機(jī)在啟停過程中，由于轉(zhuǎn)速不高，支承氣膜尚沒形成或正在消失，軸承表面在接觸條件下滑動，產(chǎn)生一定的低速摩擦和磨損，只要存在摩擦磨損就有可能產(chǎn)生多余物，另外考慮到在電機(jī)裝配或者零組件清洗不干凈時均會帶入多余物，這些都可能會導(dǎo)致軸承氣隙減小甚至卡滯，嚴(yán)重影響動壓電機(jī)的啟?？煽啃?，因此用動壓電機(jī)的機(jī)械陀螺壽命主要決定于陀螺電機(jī)的啟停次數(shù)，并且以其啟停次數(shù)來表征陀螺的壽命。
2 動壓電機(jī)的啟?？煽啃苑治?/h2>
一般動壓氣體軸承陀螺電機(jī)的啟停次數(shù)要求不少于3 000次。在生產(chǎn)過程中曾發(fā)生過有的動壓電機(jī)偶爾出現(xiàn)不啟動或者啟停幾百次后不啟動的故障現(xiàn)象。因此針對動壓電機(jī)的啟停可靠性需要進(jìn)行深入研究，一方面對影響啟停可靠性的每個因素進(jìn)行逐一分析，制定對策和措施，另一方面采取低壓啟動、反力矩、浮起時間等測試手段進(jìn)行篩選，保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足陀螺使用要求。
將“動壓軸承電機(jī)啟停可靠性”定義為頂事件，建立液浮陀螺動壓電機(jī)啟停可靠性的故障樹如圖4所示。
圖4 動壓軸承陀螺電機(jī)啟停可靠性分析模型
故障樹主要從陀螺本體內(nèi)部問題(D1)和動壓電機(jī)自身問題(D2)兩條分支為主線，對各分支內(nèi)容展開逐一分析。
2.1 陀螺本體內(nèi)部問題(D1)
陀螺電機(jī)裝配在液浮陀螺浮子內(nèi)部，并且浮子內(nèi)充高純度氦氣介質(zhì)?！巴勇荼倔w內(nèi)部問題”帶來的動壓電機(jī)啟停可靠性影響因素主要聚焦在浮子組件部分，而浮子內(nèi)部的絕大多數(shù)問題主要與動壓電機(jī)自身狀態(tài)有關(guān)。浮子組件示意圖如圖5所示。
圖5 陀螺浮子結(jié)構(gòu)示意圖
“陀螺本體內(nèi)部問題”故障分析主要從浮子密封、充氣、結(jié)構(gòu)特點以及過程中穩(wěn)定處理等展開分析，具體如圖6所示。
圖6 陀螺本體內(nèi)部問題分支故障樹
(1)浮子漏油(D11)
若浮子組件漏油，浮油滲入動壓軸承間隙，影響軸承氣膜建立，導(dǎo)致電機(jī)啟停過程中，軸承零件高速接觸產(chǎn)生累進(jìn)故障或突發(fā)故障，影響電機(jī)啟停次數(shù)。一般情況分解故障陀螺時重點檢查浮子氣密性(接線柱部位、浮筒與框架配合部分、充氣嘴部位)進(jìn)行故障確認(rèn)。
(2)浮子內(nèi)裝配多余物(D12)
浮子內(nèi)裝配過程中清潔不到位，或陀螺在工作、振動過程中浮子內(nèi)膠接件位移導(dǎo)致膠層脫落或框架上鍍覆層脫落，形成多余物微粒，進(jìn)入動壓電機(jī)運轉(zhuǎn)形成的流體場中，造成動壓電機(jī)氣隙的污染或堵塞，最終影響動壓電機(jī)啟動。
圖7中圈裝標(biāo)記位置是目前浮子裝配時框架上主要使用環(huán)氧膠的部位。圖8是浮子內(nèi)部流體場仿真情況。電機(jī)啟動后，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，帶動浮子內(nèi)充滿的氦氣產(chǎn)生強(qiáng)迫對流，浮子內(nèi)的氦氣在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的影響下，會產(chǎn)生復(fù)雜的流動，包括層流和紊流。氦氣流動有層流和湍流兩種形式，一般動壓電機(jī)間隙部位因尺寸狹小，為層流區(qū)。仿真云圖中繞電機(jī)附近區(qū)域為層流場，框架周圍及浮子兩端區(qū)域因結(jié)構(gòu)有圓角、棱邊等影響，在框架部位有圓角結(jié)構(gòu)及遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心位置，流體場呈顯出湍流特性。
圖7 框架結(jié)構(gòu)示意圖
圖8 浮子內(nèi)部流體場云圖
通過仿真分析，浮子內(nèi)部流體在受到高速旋轉(zhuǎn)運動下對電機(jī)產(chǎn)生風(fēng)阻效應(yīng)，會造成對電機(jī)及浮子內(nèi)壁的風(fēng)蝕，有可能在浮子內(nèi)部沉積顆粒性污染物。建議浮子內(nèi)部在最大速度暴露的結(jié)構(gòu)處不進(jìn)行鍍覆、膠接等工藝設(shè)置，可以避免產(chǎn)生風(fēng)蝕污染物。
(3)浮子內(nèi)非電機(jī)帶入揮發(fā)物(D13)
電機(jī)工作在封閉浮子組件內(nèi)，浮子內(nèi)的膠類、表面處理的化學(xué)物質(zhì)揮發(fā)后可能進(jìn)入軸承內(nèi)部沉積成為多余物。后續(xù)在電機(jī)上框架后，固定電機(jī)軸、壓塊時僅在螺紋部位使用膠，盡可能減少污染源。在電機(jī)上框架到封充氣嘴之間進(jìn)行釋放揮發(fā)物的除氣處理。應(yīng)注意熱真空后封浮筒時間間隔要求；陀螺零組件除氣后防護(hù)及保持。
(4)電機(jī)安裝后軸系材料不匹配造成的軸系變形(D14)
電機(jī)安裝后，壓緊部位由于框架、膠、電機(jī)軸材料線脹系數(shù)不一致在后期工藝過程或工作過程出現(xiàn)結(jié)構(gòu)配合不穩(wěn)定性，導(dǎo)致電機(jī)軸系變形，影響電機(jī)啟動。從目前電機(jī)監(jiān)控參數(shù)看，其慣性時間變化上反映比較明顯。
(5)浮子內(nèi)充氣壓力(D15)
動壓氣體軸承是以無源氣體形成潤滑，浮子內(nèi)充氣壓力變化會影響氣體潤滑特性及影響動壓軸承剛度。查陀螺裝配過程數(shù)據(jù)，可排除浮子充氣時壓力不足問題。
(6)啟停過程中電機(jī)溫度梯度影響(D16)
根據(jù)動壓電機(jī)結(jié)構(gòu)分析，電機(jī)自身及其外部溫度梯度不均勻，將影響軸承間隙，氣膜厚度、軸承尺寸等，同時氣體粘度隨溫度增大而增加。所以動壓電機(jī)工作在較低溫度比工作在高溫度更有利于電機(jī)啟停。
電機(jī)啟停試驗嚴(yán)格要求控制試驗溫度，與陀螺工況一致，保證電機(jī)啟停整個過程溫度條件一致。
2.2 動壓電機(jī)自身問題(D2)
浮子內(nèi)除去陀螺本體影響因素外，電機(jī)啟?？煽啃灾饕呻姍C(jī)自身決定。如圖9所示，動壓電機(jī)自身方面主要從三條分支展開：動壓軸承結(jié)構(gòu)、動壓電機(jī)多余物和電機(jī)設(shè)計。下面以此三條主線對動壓電機(jī)自身問題帶來的啟?？煽啃怨收蟽?nèi)容展開逐一分析。
圖9 動壓軸承電機(jī)啟?？煽啃怨收蠘?/p>
(1)動壓軸承結(jié)構(gòu)(D21)
圖10是動壓電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)分支展開的分析樹。
圖10 動壓軸承結(jié)構(gòu)故障樹分支
(a)軸承結(jié)構(gòu)件精度(D211)
軸承結(jié)構(gòu)件精度通過影響軸承工作面位置關(guān)系、動壓氣膜，最終影響啟停摩擦和力學(xué)性能。軸承結(jié)構(gòu)件精度影響電機(jī)啟?？煽啃缘闹饕笜?biāo)為軸承端面精度(D2111)和軸套垂直度(D2112)。軸套外圓對端面垂直度是通過專用工裝研磨端面保證。對于端面垂直度的測量，采用夾持軸套外圓，光管檢測端面激光入射與反射光線角度之差來判斷端面垂直度。同時，通過軸承耐回轉(zhuǎn)能力來篩選控制。一般故障陀螺電機(jī)分解時軸套和轉(zhuǎn)子體的相關(guān)精度不能復(fù)測，著重關(guān)注表面摩擦情況、多余物分布情況、前后表觀變化等。
(b)止推板變形(D212)
止推板的變形將影響軸承有效工作面相互位置關(guān)系進(jìn)而影響軸承摩擦和力學(xué)能力。若止推板在工作中出現(xiàn)形變，可能會導(dǎo)致電機(jī)軸承接觸摩擦、甚至卡滯不能啟停。影響止推板變形的主要因素有：止推板溫度變形(D2121)、止推板接觸應(yīng)力變形(D2122)、止推板時效變形(D2123)。
① 止推板溫度變形(D2121)
止推板材料CrWMn屬于低合金工具鋼，其主要優(yōu)點是在淬火、回火后，獲得較高硬度和耐磨性，同時變形小。因為它的MS點較低，淬火組織中有較多的殘留奧氏體，可抵消馬氏體的膨大作用。目前工藝技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定。
② 止推板接觸應(yīng)力變形(D2122)
在啟停過程中，由于轉(zhuǎn)速不高，支承氣膜尚沒形成或正在消失，軸承表面在接觸條件下滑動。電機(jī)可能出現(xiàn)接觸摩擦情形，根據(jù)目前實際試驗數(shù)據(jù)，止推板基本沒有變化。
③ 止推板時效變形(D2123)
目前無數(shù)據(jù)描述止推板在長期放置情況下，內(nèi)應(yīng)力使之變形的情況，因此，止推板實效變形還需進(jìn)一步試驗驗證。一般電機(jī)分解時可著重分析止推板變形量，與裝配前數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；觀察止推板磨痕，多余物分布情況、成分等。
(c)軸向、徑向間隙(D213)
軸向、徑向間隙控制差異，會影響軸承的軸向、徑向承載能力一致性不好，造成在運動或振動條件下，軸承零件高速接觸產(chǎn)生累進(jìn)故障或突發(fā)故障。目前軸向間隙通過配合控制零件高度差，通過采用電感比較儀進(jìn)行組合間隙檢測。電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)狀態(tài)可以保證軸向、徑向間隙控制要求。
(2) 動壓軸承電機(jī)多余物(D22)
動壓軸承電機(jī)易受多余物影響，一旦軸承間隙進(jìn)入多余物一定會影響動壓軸承電機(jī)啟停可靠性。圖11是動壓電機(jī)多余物分支展開的分析樹。
(a)裝配帶入多余物(D221)
動壓軸承電機(jī)出現(xiàn)的多余物一般是電機(jī)外圍或電機(jī)本身產(chǎn)生多余物，或積累進(jìn)入軸承/轉(zhuǎn)子氣隙，除電機(jī)本身多余物外，外圍造成轉(zhuǎn)子運行不平穩(wěn)，影響軸承性能的主要因素有：裝配帶入多余物(D221)，其主要與氣體清潔度低(氣體本身或充氣裝置帶入)(D2211)及電機(jī)零件清洗不徹底有殘留(D2212)相關(guān)。
(b)軸承本身缺陷產(chǎn)生多余物(D222)
軸承本身產(chǎn)生多余物的主要因素有：軸承倒角帶來的毛刺(D2221)、止推板、軸套表面刻蝕積瘤殘存(D2222)、軸套、轉(zhuǎn)子體斑點(D2223)、軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂(D2224)。
① 軸套倒角帶來的毛刺(D2221)
現(xiàn)場對倒角毛刺是通過倒角后拋研、40×顯微鏡下檢查、裝配前清晰檢查、三維視頻儀照相檢查的措施來進(jìn)行篩選控制。
圖11 動壓軸承電機(jī)多余物故障樹分支
② 止推板、軸套表面刻蝕積瘤殘存或有缺陷(D2222)
現(xiàn)場對刻蝕積瘤問題是通過拋研、40×顯微鏡下檢查、裝配前清晰檢查、三維視頻儀照相檢查的措施來進(jìn)行篩選控制。后續(xù)故障陀螺分解時著重分析電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面情況，是否有積瘤脫落，缺陷擴(kuò)大、摩擦痕跡等。
③ 軸套、轉(zhuǎn)子體斑點(D2223)
查閱資料和咨詢相關(guān)專家了解到，白色斑點是立方碳化硼材料在加工過程基體表面剝落區(qū)凹凸不平造成反光強(qiáng)度不同，因而在宏觀上呈現(xiàn)為白斑[3]。材料白斑區(qū)的成分經(jīng)分析是正常的碳化硼相，并非夾雜有外來其他物質(zhì)。白斑現(xiàn)象可以通過提高試樣強(qiáng)度和改進(jìn)加工工藝來消除?，F(xiàn)場通過表面檢查、拍照，并且對轉(zhuǎn)子體端面白斑進(jìn)行篩選。
④ 軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂(D2224)
目前沒有發(fā)現(xiàn)軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂現(xiàn)象?，F(xiàn)場對軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂的控制，是通過40倍顯微鏡下外觀檢查、裝配過程中三維視頻儀照相檢查進(jìn)行的。
(c)電機(jī)揮發(fā)物(D223)
揮發(fā)物在軸承間隙沉積形成多余物，其分以下兩條故障路徑：① 電機(jī)內(nèi)膠類(D2231);② 電機(jī)內(nèi)漆類(D2232)。電機(jī)內(nèi)揮發(fā)物來自電機(jī)定子上浸漬的絕緣漆和定子疊片間膠等。熱真空過程中電機(jī)內(nèi)膠漆揮發(fā)最為明顯，采用脫脂棉擦拭熱真空箱內(nèi)壁能夠看到黃色揮發(fā)物，隨著熱真空時間增加、次數(shù)增加，無揮發(fā)物出現(xiàn)。
(d)軸承零件濕度影響(D224)
軸承表面水分在氣膜增壓情況下形成“露點”影響電機(jī)剛度，繼而影響電機(jī)啟動特性。一方面，如果過程中防護(hù)不到位，軸承表面在穩(wěn)定處理或熱真空后可能存在水分；另外充氣的氣體未經(jīng)干燥過濾，氣體濕度不確定，會給浮子組件內(nèi)帶入濕氣，后期可能造成裝入陀螺后的動壓軸承零件在啟動中產(chǎn)生累進(jìn)故障，影響啟?？煽啃?。
(3)電機(jī)設(shè)計(D23)
動壓軸承電機(jī)設(shè)計時啟動力矩裕量是否充裕也會影響動壓軸承電機(jī)啟停可靠性。圖12是動壓電機(jī)設(shè)計因素分支展開的分析樹。動壓氣體軸承材料的性能關(guān)系到軸承能否正常工作，進(jìn)而決定軸承的壽命。為提高軸承壽命,軸承材料必須耐磨。為防止軸承在高速接觸時破壞軸承,材料還要具有防卡的特性。陀螺用氣體軸承比一般普通用氣體軸承對材料的要求更為嚴(yán)格,主要表現(xiàn)在要求動壓軸承具有穩(wěn)定的微小間隙和低的靜摩擦力矩,使軸承轉(zhuǎn)子質(zhì)心和氣膜動態(tài)特性穩(wěn)定,同時,應(yīng)保證靜摩擦造成的熱耗要小。
圖12 電機(jī)設(shè)計故障樹分支
2.3 小結(jié)
通過對該型動壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟動可靠性影響各因素的分析，可以歸納為以下兩條主要影響因素：(1)多余物或揮發(fā)物帶來的影響;(2)材料白斑等缺陷帶來的影響。后續(xù)需要針對以上因素進(jìn)行改進(jìn)措施。
3 改進(jìn)的措施
3.1 零組件清洗技術(shù)
動壓電機(jī)軸承污染是不可避免的，因為現(xiàn)階段以至今后較長時期，拘于技術(shù)局限尚不能杜絕污染源。如定子線包浸漆，轉(zhuǎn)子組件用膠合劑，軸承零件加工用冷卻液，研磨膏及稀釋劑，磁滯環(huán)和定子疊片絕緣噴膠等，都是揮發(fā)性污染源，高溫環(huán)境下?lián)]發(fā)濃度還會增大。又如電機(jī)零件分別用高比重合金、鈦合金、磁滯合金、碳化硼制成，無論表面多么光潔，由于材料物理本性所決定的晶構(gòu)洞穴存在而藏污納垢，以高比重合金最甚，碳化硼次之。這兩個基本原因決定了軸承被污染不可避免，相應(yīng)地只能采取排除污染、抑制污染的措施。
然而定子和轉(zhuǎn)子組合件的特殊性給化學(xué)溶劑清洗造成種種限制，如轉(zhuǎn)子組件清洗不能用酸堿，用常規(guī)溶劑卻無效，采用離子轟炸清洗對小深孔又難以奏效。面對矛盾如此交錯的化學(xué)清洗問題，擇一而就地解決根本不可能，只有謹(jǐn)慎試驗、逐一適從。
目前從調(diào)查污染物成分入手，針對不同零件分別配方清洗。堅持化學(xué)溶劑清洗與物理清洗方法相結(jié)合，經(jīng)長期試驗摸索，逐漸形成動壓電機(jī)有效清洗工藝。從而裝配清洗，排除軸承表面污染膜等按規(guī)定工藝規(guī)程進(jìn)行，效果顯著穩(wěn)定。
3.2 零組件熱真空除氣處理
動壓電機(jī)失效的主要原因是軸承表面污染；定子繞組浸漬漆和各種粘合劑在工作溫度下運轉(zhuǎn)揮發(fā)出來的低分子有機(jī)物，在氣體動壓軸承螺旋線泵的作用下，進(jìn)入氣膜間隙而沉積在軸承表面形成污染；清洗零件用的溶液殘余物；軸承啟停過程中軸承接觸磨損產(chǎn)生的微粒；空氣和氦氣中的水蒸氣，電機(jī)零件和浮子零件中的潮氣。
動壓電機(jī)采用熱真空除氣技術(shù)，預(yù)先清除定子的絕緣漆、膠的易揮發(fā)氣體，避免污染軸承工作表面。熱真空處理完后用脫脂棉蘸汽油或酒精擦洗熱真空箱內(nèi)壁，如發(fā)現(xiàn)脫脂棉有黃色污染物，重復(fù)進(jìn)行熱真空除氣，直至熱真空箱內(nèi)壁無黃色污染物。另一方面為了降低有機(jī)物揮發(fā)對動壓軸承的污染，從設(shè)計和工藝上盡量減少以至排除這些污染。定子繞組的浸漬漆和定、轉(zhuǎn)子疊片的粘合劑采用耐高溫低熱失重的浸漆和粘合劑，并進(jìn)行長期高溫后處理，讓低分子提前揮發(fā)以便在工作溫度下盡可能少的揮發(fā)有機(jī)物，充分采用高純度氦氣。工藝上采用所有電機(jī)零件和浮子零件干燥后裝配。軸承采用不對稱螺旋槽，以排除濕氣等。最近幾年也出現(xiàn)了一些新的工藝技術(shù)，如電機(jī)定子包封、鐵心疊片不用膠、定子外加防污染的屏蔽罩，這樣都可以有效地防止有機(jī)物揮發(fā)污染。
3.3 動壓電機(jī)碳化硼材料“白斑”問題
動壓電機(jī)使用的熱壓微晶碳化硼零件磨光表面可見一些白色斑點，通過金相顯微鏡與電子探針的分析可以得出, “白斑”實際上是大小形狀不同的孔洞。這些孔洞周圍的材料組織結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，不會帶來嚴(yán)重影響陀螺電機(jī)壽命的風(fēng)險，但是由于孔洞可能帶來藏納微小多余物的風(fēng)險，因此建議產(chǎn)品不使用出現(xiàn)“白斑”的碳化硼零件。未見“白斑”的碳化硼零件也需要按照專用清洗工藝對零件進(jìn)行有效清洗，這樣才可保證動壓電機(jī)的高可靠性。
4 結(jié) 語
通過建立動壓電機(jī)啟?？煽啃阅Ｐ筒⑦M(jìn)行全面分析，針對每一個分支制定相應(yīng)技術(shù)和管理措施，降低軸承啟停可靠性風(fēng)險，同時確定了其中最主要的影響因素，采取改進(jìn)電機(jī)、軸承零組件的清洗、除氣方法，加嚴(yán)對關(guān)鍵材料零件外觀的檢查和篩選標(biāo)準(zhǔn)，可保證動壓電機(jī)的高可靠性。
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The Start and Stop Reliability of Study a Dynamic Hydrodynamic Gas Bearing Gyroscope Motor
WANGJing-feng1,2，LIUJing-lin1，BUShi2
(1．Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129,China；2．The 16th Institute，CATEC，Xi’an 710100,China)
The dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor was used for the liquid floated gyro with long-period and low-noise traits. The period of the liquid floated gyro depended on the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, with the start and stop times measured. Through the systematic analyzing of the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, some technical measures were made on every branch of the start and stop reliability tree. Surplus material and white spots are the most important factor on the start and stop reliability. Some new thinking with regard to cleaning and degassing technology, appearance inspection and screening of the part of the dynamic hydrodynamic gas bearing were presented in the end. These were used for the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, the reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor obviously improves.
dynamic hydrodynamic gas bearing motor; start and stop; reliability
2015-06-26
TM307+.1
A
1004-7018(2016)06-0017-06
王京鋒(1981-)，博士研究生，高級工程師，研究方向為陀螺電機(jī)技術(shù)。
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王京鋒，劉景林，卜 石
(1．西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129；2．中國航天科技九院第十六研究所，西安 710100)
?
動壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟停可靠性分析研究
王京鋒1,2，劉景林1，卜 石2
(1．西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129；2．中國航天科技九院第十六研究所，西安 710100)
長壽命、低噪聲機(jī)械陀螺電機(jī)都趨于采用動壓氣體軸承，其壽命取決于動壓氣體軸承陀螺電機(jī)(以下簡稱動壓電機(jī))的啟停次數(shù)，并且以其啟停次數(shù)來表征陀螺的壽命。建立動壓電機(jī)啟?？煽啃阅Ｐ蜆淙娣治?，指出多余物和材料白斑是最主要的影響因素，提出改進(jìn)電機(jī)、軸承零組件的清洗、除氣方法，以及加嚴(yán)材料零件外觀的檢查和篩選標(biāo)準(zhǔn)，并作為動壓電機(jī)可靠性篩選手段，可進(jìn)一步有效地保證動壓電機(jī)的可靠性水平。
動壓氣體軸承電機(jī)；啟停；可靠性
0 引 言
動壓氣體軸承在高速旋轉(zhuǎn)時沒有機(jī)械接觸，它是以無源氣體形成自潤滑氣膜，通過軸承工作面的切向相對運動，使得氣膜在軸承間隙內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力來承載，因此可增加電機(jī)的連續(xù)工作壽命，同時也大大降低了軸承的噪聲水平?；趧訅簹怏w軸承的上述優(yōu)點，長壽命、低噪聲陀螺應(yīng)用場合都趨于采用動壓氣體軸承[1]。
目前，國內(nèi)在動壓氣體軸承的研制方面比較成熟的還是線軸型軸承結(jié)構(gòu)，以某型液浮陀螺使用的外轉(zhuǎn)子動壓氣體軸承電機(jī)(以下簡稱動壓電機(jī))為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示。陀螺電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子組件、定子組件、轉(zhuǎn)子體、軸套、左/右止推板、電機(jī)軸等零組件組成。動壓氣體軸承采用線軸型結(jié)構(gòu)既能確保加工精度，又解決了軸承徑向同軸度問題，還便于軸承零件的清洗和裝配，在電機(jī)反復(fù)裝拆過程中，其轉(zhuǎn)子只需一次動平衡，裝拆十分便利。
線軸型相對其它結(jié)構(gòu)有顯著優(yōu)點：①在相同外形尺寸、額定轉(zhuǎn)速、額定氣隙、相同氣體介質(zhì)條件下，線軸型軸承靜態(tài)剛度與摩擦力矩比值最大(靜態(tài)剛度與摩擦力矩之比是氣體動壓軸承優(yōu)化目標(biāo)函數(shù))。②采用普通精密加工及檢測手段即可制造線軸型氣體動壓軸承，即加工檢測相對容易。
圖1 動壓電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1 動壓氣體軸承工作原理[2]
線軸型動壓氣體軸承由軸頸軸承和止推軸承組成。軸頸軸承如圖2所示，由圓柱形軸套和圓筒形轉(zhuǎn)子構(gòu)成。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于氣體的粘性作用和摩擦，轉(zhuǎn)子會帶動氣體進(jìn)入軸承間隙中，并且一起運動。當(dāng)轉(zhuǎn)子趨近圖2位置時，形成楔形氣膜，此時徑向間隙最小，氣體被壓縮形成相應(yīng)的高壓區(qū)。這種楔形氣膜可托起軸承轉(zhuǎn)子，將軸套和轉(zhuǎn)子的工作表面完全隔離，形成了無接觸的動壓氣體軸頸軸承。
而止推軸承由轉(zhuǎn)子止推面和止推板構(gòu)成，止推軸承工作原理如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子止推面轉(zhuǎn)動時，同樣由于氣體的粘滯和摩擦作用，將會帶動氣體一起轉(zhuǎn)動。氣流沿著止推板泵入型螺旋槽中心方向泵進(jìn)，當(dāng)氣流受到止推板封閉區(qū)阻擋時，氣膜壓力升高，并在有槽區(qū)和封閉區(qū)交界處壓力達(dá)到最大值，同時每個槽臺之間存在階梯效應(yīng)，壓力成鋸齒形分布。正是這種泵進(jìn)效應(yīng)和階梯效應(yīng)一起作用產(chǎn)生了止推軸承的承載能力。
圖3 止推軸承工作原理圖
無論是軸頸軸承還是止推軸承，在正常工作時軸承定子部分和轉(zhuǎn)子部分都是無接觸的，理論上壽命無限長。但是動壓電機(jī)在啟停過程中，由于轉(zhuǎn)速不高，支承氣膜尚沒形成或正在消失，軸承表面在接觸條件下滑動，產(chǎn)生一定的低速摩擦和磨損，只要存在摩擦磨損就有可能產(chǎn)生多余物，另外考慮到在電機(jī)裝配或者零組件清洗不干凈時均會帶入多余物，這些都可能會導(dǎo)致軸承氣隙減小甚至卡滯，嚴(yán)重影響動壓電機(jī)的啟?？煽啃?，因此用動壓電機(jī)的機(jī)械陀螺壽命主要決定于陀螺電機(jī)的啟停次數(shù)，并且以其啟停次數(shù)來表征陀螺的壽命。
2 動壓電機(jī)的啟?？煽啃苑治?/h2>
一般動壓氣體軸承陀螺電機(jī)的啟停次數(shù)要求不少于3 000次。在生產(chǎn)過程中曾發(fā)生過有的動壓電機(jī)偶爾出現(xiàn)不啟動或者啟停幾百次后不啟動的故障現(xiàn)象。因此針對動壓電機(jī)的啟停可靠性需要進(jìn)行深入研究，一方面對影響啟停可靠性的每個因素進(jìn)行逐一分析，制定對策和措施，另一方面采取低壓啟動、反力矩、浮起時間等測試手段進(jìn)行篩選，保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足陀螺使用要求。
將“動壓軸承電機(jī)啟停可靠性”定義為頂事件，建立液浮陀螺動壓電機(jī)啟停可靠性的故障樹如圖4所示。
圖4 動壓軸承陀螺電機(jī)啟停可靠性分析模型
故障樹主要從陀螺本體內(nèi)部問題(D1)和動壓電機(jī)自身問題(D2)兩條分支為主線，對各分支內(nèi)容展開逐一分析。
2.1 陀螺本體內(nèi)部問題(D1)
陀螺電機(jī)裝配在液浮陀螺浮子內(nèi)部，并且浮子內(nèi)充高純度氦氣介質(zhì)?！巴勇荼倔w內(nèi)部問題”帶來的動壓電機(jī)啟停可靠性影響因素主要聚焦在浮子組件部分，而浮子內(nèi)部的絕大多數(shù)問題主要與動壓電機(jī)自身狀態(tài)有關(guān)。浮子組件示意圖如圖5所示。
圖5 陀螺浮子結(jié)構(gòu)示意圖
“陀螺本體內(nèi)部問題”故障分析主要從浮子密封、充氣、結(jié)構(gòu)特點以及過程中穩(wěn)定處理等展開分析，具體如圖6所示。
圖6 陀螺本體內(nèi)部問題分支故障樹
(1)浮子漏油(D11)
若浮子組件漏油，浮油滲入動壓軸承間隙，影響軸承氣膜建立，導(dǎo)致電機(jī)啟停過程中，軸承零件高速接觸產(chǎn)生累進(jìn)故障或突發(fā)故障，影響電機(jī)啟停次數(shù)。一般情況分解故障陀螺時重點檢查浮子氣密性(接線柱部位、浮筒與框架配合部分、充氣嘴部位)進(jìn)行故障確認(rèn)。
(2)浮子內(nèi)裝配多余物(D12)
浮子內(nèi)裝配過程中清潔不到位，或陀螺在工作、振動過程中浮子內(nèi)膠接件位移導(dǎo)致膠層脫落或框架上鍍覆層脫落，形成多余物微粒，進(jìn)入動壓電機(jī)運轉(zhuǎn)形成的流體場中，造成動壓電機(jī)氣隙的污染或堵塞，最終影響動壓電機(jī)啟動。
圖7中圈裝標(biāo)記位置是目前浮子裝配時框架上主要使用環(huán)氧膠的部位。圖8是浮子內(nèi)部流體場仿真情況。電機(jī)啟動后，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，帶動浮子內(nèi)充滿的氦氣產(chǎn)生強(qiáng)迫對流，浮子內(nèi)的氦氣在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的影響下，會產(chǎn)生復(fù)雜的流動，包括層流和紊流。氦氣流動有層流和湍流兩種形式，一般動壓電機(jī)間隙部位因尺寸狹小，為層流區(qū)。仿真云圖中繞電機(jī)附近區(qū)域為層流場，框架周圍及浮子兩端區(qū)域因結(jié)構(gòu)有圓角、棱邊等影響，在框架部位有圓角結(jié)構(gòu)及遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心位置，流體場呈顯出湍流特性。
圖7 框架結(jié)構(gòu)示意圖
圖8 浮子內(nèi)部流體場云圖
通過仿真分析，浮子內(nèi)部流體在受到高速旋轉(zhuǎn)運動下對電機(jī)產(chǎn)生風(fēng)阻效應(yīng)，會造成對電機(jī)及浮子內(nèi)壁的風(fēng)蝕，有可能在浮子內(nèi)部沉積顆粒性污染物。建議浮子內(nèi)部在最大速度暴露的結(jié)構(gòu)處不進(jìn)行鍍覆、膠接等工藝設(shè)置，可以避免產(chǎn)生風(fēng)蝕污染物。
(3)浮子內(nèi)非電機(jī)帶入揮發(fā)物(D13)
電機(jī)工作在封閉浮子組件內(nèi)，浮子內(nèi)的膠類、表面處理的化學(xué)物質(zhì)揮發(fā)后可能進(jìn)入軸承內(nèi)部沉積成為多余物。后續(xù)在電機(jī)上框架后，固定電機(jī)軸、壓塊時僅在螺紋部位使用膠，盡可能減少污染源。在電機(jī)上框架到封充氣嘴之間進(jìn)行釋放揮發(fā)物的除氣處理。應(yīng)注意熱真空后封浮筒時間間隔要求；陀螺零組件除氣后防護(hù)及保持。
(4)電機(jī)安裝后軸系材料不匹配造成的軸系變形(D14)
電機(jī)安裝后，壓緊部位由于框架、膠、電機(jī)軸材料線脹系數(shù)不一致在后期工藝過程或工作過程出現(xiàn)結(jié)構(gòu)配合不穩(wěn)定性，導(dǎo)致電機(jī)軸系變形，影響電機(jī)啟動。從目前電機(jī)監(jiān)控參數(shù)看，其慣性時間變化上反映比較明顯。
(5)浮子內(nèi)充氣壓力(D15)
動壓氣體軸承是以無源氣體形成潤滑，浮子內(nèi)充氣壓力變化會影響氣體潤滑特性及影響動壓軸承剛度。查陀螺裝配過程數(shù)據(jù)，可排除浮子充氣時壓力不足問題。
(6)啟停過程中電機(jī)溫度梯度影響(D16)
根據(jù)動壓電機(jī)結(jié)構(gòu)分析，電機(jī)自身及其外部溫度梯度不均勻，將影響軸承間隙，氣膜厚度、軸承尺寸等，同時氣體粘度隨溫度增大而增加。所以動壓電機(jī)工作在較低溫度比工作在高溫度更有利于電機(jī)啟停。
電機(jī)啟停試驗嚴(yán)格要求控制試驗溫度，與陀螺工況一致，保證電機(jī)啟停整個過程溫度條件一致。
2.2 動壓電機(jī)自身問題(D2)
浮子內(nèi)除去陀螺本體影響因素外，電機(jī)啟?？煽啃灾饕呻姍C(jī)自身決定。如圖9所示，動壓電機(jī)自身方面主要從三條分支展開：動壓軸承結(jié)構(gòu)、動壓電機(jī)多余物和電機(jī)設(shè)計。下面以此三條主線對動壓電機(jī)自身問題帶來的啟?？煽啃怨收蟽?nèi)容展開逐一分析。
圖9 動壓軸承電機(jī)啟?？煽啃怨收蠘?/p>
(1)動壓軸承結(jié)構(gòu)(D21)
圖10是動壓電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)分支展開的分析樹。
圖10 動壓軸承結(jié)構(gòu)故障樹分支
(a)軸承結(jié)構(gòu)件精度(D211)
軸承結(jié)構(gòu)件精度通過影響軸承工作面位置關(guān)系、動壓氣膜，最終影響啟停摩擦和力學(xué)性能。軸承結(jié)構(gòu)件精度影響電機(jī)啟?？煽啃缘闹饕笜?biāo)為軸承端面精度(D2111)和軸套垂直度(D2112)。軸套外圓對端面垂直度是通過專用工裝研磨端面保證。對于端面垂直度的測量，采用夾持軸套外圓，光管檢測端面激光入射與反射光線角度之差來判斷端面垂直度。同時，通過軸承耐回轉(zhuǎn)能力來篩選控制。一般故障陀螺電機(jī)分解時軸套和轉(zhuǎn)子體的相關(guān)精度不能復(fù)測，著重關(guān)注表面摩擦情況、多余物分布情況、前后表觀變化等。
(b)止推板變形(D212)
止推板的變形將影響軸承有效工作面相互位置關(guān)系進(jìn)而影響軸承摩擦和力學(xué)能力。若止推板在工作中出現(xiàn)形變，可能會導(dǎo)致電機(jī)軸承接觸摩擦、甚至卡滯不能啟停。影響止推板變形的主要因素有：止推板溫度變形(D2121)、止推板接觸應(yīng)力變形(D2122)、止推板時效變形(D2123)。
① 止推板溫度變形(D2121)
止推板材料CrWMn屬于低合金工具鋼，其主要優(yōu)點是在淬火、回火后，獲得較高硬度和耐磨性，同時變形小。因為它的MS點較低，淬火組織中有較多的殘留奧氏體，可抵消馬氏體的膨大作用。目前工藝技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定。
② 止推板接觸應(yīng)力變形(D2122)
在啟停過程中，由于轉(zhuǎn)速不高，支承氣膜尚沒形成或正在消失，軸承表面在接觸條件下滑動。電機(jī)可能出現(xiàn)接觸摩擦情形，根據(jù)目前實際試驗數(shù)據(jù)，止推板基本沒有變化。
③ 止推板時效變形(D2123)
目前無數(shù)據(jù)描述止推板在長期放置情況下，內(nèi)應(yīng)力使之變形的情況，因此，止推板實效變形還需進(jìn)一步試驗驗證。一般電機(jī)分解時可著重分析止推板變形量，與裝配前數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；觀察止推板磨痕，多余物分布情況、成分等。
(c)軸向、徑向間隙(D213)
軸向、徑向間隙控制差異，會影響軸承的軸向、徑向承載能力一致性不好，造成在運動或振動條件下，軸承零件高速接觸產(chǎn)生累進(jìn)故障或突發(fā)故障。目前軸向間隙通過配合控制零件高度差，通過采用電感比較儀進(jìn)行組合間隙檢測。電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)狀態(tài)可以保證軸向、徑向間隙控制要求。
(2) 動壓軸承電機(jī)多余物(D22)
動壓軸承電機(jī)易受多余物影響，一旦軸承間隙進(jìn)入多余物一定會影響動壓軸承電機(jī)啟停可靠性。圖11是動壓電機(jī)多余物分支展開的分析樹。
(a)裝配帶入多余物(D221)
動壓軸承電機(jī)出現(xiàn)的多余物一般是電機(jī)外圍或電機(jī)本身產(chǎn)生多余物，或積累進(jìn)入軸承/轉(zhuǎn)子氣隙，除電機(jī)本身多余物外，外圍造成轉(zhuǎn)子運行不平穩(wěn)，影響軸承性能的主要因素有：裝配帶入多余物(D221)，其主要與氣體清潔度低(氣體本身或充氣裝置帶入)(D2211)及電機(jī)零件清洗不徹底有殘留(D2212)相關(guān)。
(b)軸承本身缺陷產(chǎn)生多余物(D222)
軸承本身產(chǎn)生多余物的主要因素有：軸承倒角帶來的毛刺(D2221)、止推板、軸套表面刻蝕積瘤殘存(D2222)、軸套、轉(zhuǎn)子體斑點(D2223)、軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂(D2224)。
① 軸套倒角帶來的毛刺(D2221)
現(xiàn)場對倒角毛刺是通過倒角后拋研、40×顯微鏡下檢查、裝配前清晰檢查、三維視頻儀照相檢查的措施來進(jìn)行篩選控制。
圖11 動壓軸承電機(jī)多余物故障樹分支
② 止推板、軸套表面刻蝕積瘤殘存或有缺陷(D2222)
現(xiàn)場對刻蝕積瘤問題是通過拋研、40×顯微鏡下檢查、裝配前清晰檢查、三維視頻儀照相檢查的措施來進(jìn)行篩選控制。后續(xù)故障陀螺分解時著重分析電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面情況，是否有積瘤脫落，缺陷擴(kuò)大、摩擦痕跡等。
③ 軸套、轉(zhuǎn)子體斑點(D2223)
查閱資料和咨詢相關(guān)專家了解到，白色斑點是立方碳化硼材料在加工過程基體表面剝落區(qū)凹凸不平造成反光強(qiáng)度不同，因而在宏觀上呈現(xiàn)為白斑[3]。材料白斑區(qū)的成分經(jīng)分析是正常的碳化硼相，并非夾雜有外來其他物質(zhì)。白斑現(xiàn)象可以通過提高試樣強(qiáng)度和改進(jìn)加工工藝來消除?，F(xiàn)場通過表面檢查、拍照，并且對轉(zhuǎn)子體端面白斑進(jìn)行篩選。
④ 軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂(D2224)
目前沒有發(fā)現(xiàn)軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂現(xiàn)象?，F(xiàn)場對軸套開裂、轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔開裂的控制，是通過40倍顯微鏡下外觀檢查、裝配過程中三維視頻儀照相檢查進(jìn)行的。
(c)電機(jī)揮發(fā)物(D223)
揮發(fā)物在軸承間隙沉積形成多余物，其分以下兩條故障路徑：① 電機(jī)內(nèi)膠類(D2231);② 電機(jī)內(nèi)漆類(D2232)。電機(jī)內(nèi)揮發(fā)物來自電機(jī)定子上浸漬的絕緣漆和定子疊片間膠等。熱真空過程中電機(jī)內(nèi)膠漆揮發(fā)最為明顯，采用脫脂棉擦拭熱真空箱內(nèi)壁能夠看到黃色揮發(fā)物，隨著熱真空時間增加、次數(shù)增加，無揮發(fā)物出現(xiàn)。
(d)軸承零件濕度影響(D224)
軸承表面水分在氣膜增壓情況下形成“露點”影響電機(jī)剛度，繼而影響電機(jī)啟動特性。一方面，如果過程中防護(hù)不到位，軸承表面在穩(wěn)定處理或熱真空后可能存在水分；另外充氣的氣體未經(jīng)干燥過濾，氣體濕度不確定，會給浮子組件內(nèi)帶入濕氣，后期可能造成裝入陀螺后的動壓軸承零件在啟動中產(chǎn)生累進(jìn)故障，影響啟?？煽啃?。
(3)電機(jī)設(shè)計(D23)
動壓軸承電機(jī)設(shè)計時啟動力矩裕量是否充裕也會影響動壓軸承電機(jī)啟停可靠性。圖12是動壓電機(jī)設(shè)計因素分支展開的分析樹。動壓氣體軸承材料的性能關(guān)系到軸承能否正常工作，進(jìn)而決定軸承的壽命。為提高軸承壽命,軸承材料必須耐磨。為防止軸承在高速接觸時破壞軸承,材料還要具有防卡的特性。陀螺用氣體軸承比一般普通用氣體軸承對材料的要求更為嚴(yán)格,主要表現(xiàn)在要求動壓軸承具有穩(wěn)定的微小間隙和低的靜摩擦力矩,使軸承轉(zhuǎn)子質(zhì)心和氣膜動態(tài)特性穩(wěn)定,同時,應(yīng)保證靜摩擦造成的熱耗要小。
圖12 電機(jī)設(shè)計故障樹分支
2.3 小結(jié)
通過對該型動壓氣體軸承陀螺電機(jī)啟動可靠性影響各因素的分析，可以歸納為以下兩條主要影響因素：(1)多余物或揮發(fā)物帶來的影響;(2)材料白斑等缺陷帶來的影響。后續(xù)需要針對以上因素進(jìn)行改進(jìn)措施。
3 改進(jìn)的措施
3.1 零組件清洗技術(shù)
動壓電機(jī)軸承污染是不可避免的，因為現(xiàn)階段以至今后較長時期，拘于技術(shù)局限尚不能杜絕污染源。如定子線包浸漆，轉(zhuǎn)子組件用膠合劑，軸承零件加工用冷卻液，研磨膏及稀釋劑，磁滯環(huán)和定子疊片絕緣噴膠等，都是揮發(fā)性污染源，高溫環(huán)境下?lián)]發(fā)濃度還會增大。又如電機(jī)零件分別用高比重合金、鈦合金、磁滯合金、碳化硼制成，無論表面多么光潔，由于材料物理本性所決定的晶構(gòu)洞穴存在而藏污納垢，以高比重合金最甚，碳化硼次之。這兩個基本原因決定了軸承被污染不可避免，相應(yīng)地只能采取排除污染、抑制污染的措施。
然而定子和轉(zhuǎn)子組合件的特殊性給化學(xué)溶劑清洗造成種種限制，如轉(zhuǎn)子組件清洗不能用酸堿，用常規(guī)溶劑卻無效，采用離子轟炸清洗對小深孔又難以奏效。面對矛盾如此交錯的化學(xué)清洗問題，擇一而就地解決根本不可能，只有謹(jǐn)慎試驗、逐一適從。
目前從調(diào)查污染物成分入手，針對不同零件分別配方清洗。堅持化學(xué)溶劑清洗與物理清洗方法相結(jié)合，經(jīng)長期試驗摸索，逐漸形成動壓電機(jī)有效清洗工藝。從而裝配清洗，排除軸承表面污染膜等按規(guī)定工藝規(guī)程進(jìn)行，效果顯著穩(wěn)定。
3.2 零組件熱真空除氣處理
動壓電機(jī)失效的主要原因是軸承表面污染；定子繞組浸漬漆和各種粘合劑在工作溫度下運轉(zhuǎn)揮發(fā)出來的低分子有機(jī)物，在氣體動壓軸承螺旋線泵的作用下，進(jìn)入氣膜間隙而沉積在軸承表面形成污染；清洗零件用的溶液殘余物；軸承啟停過程中軸承接觸磨損產(chǎn)生的微粒；空氣和氦氣中的水蒸氣，電機(jī)零件和浮子零件中的潮氣。
動壓電機(jī)采用熱真空除氣技術(shù)，預(yù)先清除定子的絕緣漆、膠的易揮發(fā)氣體，避免污染軸承工作表面。熱真空處理完后用脫脂棉蘸汽油或酒精擦洗熱真空箱內(nèi)壁，如發(fā)現(xiàn)脫脂棉有黃色污染物，重復(fù)進(jìn)行熱真空除氣，直至熱真空箱內(nèi)壁無黃色污染物。另一方面為了降低有機(jī)物揮發(fā)對動壓軸承的污染，從設(shè)計和工藝上盡量減少以至排除這些污染。定子繞組的浸漬漆和定、轉(zhuǎn)子疊片的粘合劑采用耐高溫低熱失重的浸漆和粘合劑，并進(jìn)行長期高溫后處理，讓低分子提前揮發(fā)以便在工作溫度下盡可能少的揮發(fā)有機(jī)物，充分采用高純度氦氣。工藝上采用所有電機(jī)零件和浮子零件干燥后裝配。軸承采用不對稱螺旋槽，以排除濕氣等。最近幾年也出現(xiàn)了一些新的工藝技術(shù)，如電機(jī)定子包封、鐵心疊片不用膠、定子外加防污染的屏蔽罩，這樣都可以有效地防止有機(jī)物揮發(fā)污染。
3.3 動壓電機(jī)碳化硼材料“白斑”問題
動壓電機(jī)使用的熱壓微晶碳化硼零件磨光表面可見一些白色斑點，通過金相顯微鏡與電子探針的分析可以得出, “白斑”實際上是大小形狀不同的孔洞。這些孔洞周圍的材料組織結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，不會帶來嚴(yán)重影響陀螺電機(jī)壽命的風(fēng)險，但是由于孔洞可能帶來藏納微小多余物的風(fēng)險，因此建議產(chǎn)品不使用出現(xiàn)“白斑”的碳化硼零件。未見“白斑”的碳化硼零件也需要按照專用清洗工藝對零件進(jìn)行有效清洗，這樣才可保證動壓電機(jī)的高可靠性。
4 結(jié) 語
通過建立動壓電機(jī)啟?？煽啃阅Ｐ筒⑦M(jìn)行全面分析，針對每一個分支制定相應(yīng)技術(shù)和管理措施，降低軸承啟停可靠性風(fēng)險，同時確定了其中最主要的影響因素，采取改進(jìn)電機(jī)、軸承零組件的清洗、除氣方法，加嚴(yán)對關(guān)鍵材料零件外觀的檢查和篩選標(biāo)準(zhǔn)，可保證動壓電機(jī)的高可靠性。
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The Start and Stop Reliability of Study a Dynamic Hydrodynamic Gas Bearing Gyroscope Motor
WANGJing-feng1,2，LIUJing-lin1，BUShi2
(1．Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129,China；2．The 16th Institute，CATEC，Xi’an 710100,China)
The dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor was used for the liquid floated gyro with long-period and low-noise traits. The period of the liquid floated gyro depended on the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, with the start and stop times measured. Through the systematic analyzing of the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, some technical measures were made on every branch of the start and stop reliability tree. Surplus material and white spots are the most important factor on the start and stop reliability. Some new thinking with regard to cleaning and degassing technology, appearance inspection and screening of the part of the dynamic hydrodynamic gas bearing were presented in the end. These were used for the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, the reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor obviously improves.
dynamic hydrodynamic gas bearing motor; start and stop; reliability
2015-06-26
TM307+.1
A
1004-7018(2016)06-0017-06
王京鋒(1981-)，博士研究生，高級工程師，研究方向為陀螺電機(jī)技術(shù)。
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