崔 硯，侯 建，王長峰，周 曦，焦春波，張福禮

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

半球動壓軸承電機(jī)在裝配過程中，電機(jī)軸與兩端螺母鎖緊配合。鎖緊力過小，陀螺電機(jī)在測試過程中，配合零件易發(fā)生松動，會引起軸向間隙變化，質(zhì)心不穩(wěn)定[1-2]；鎖緊力過大，會造成電機(jī)軸承微變形，導(dǎo)致電機(jī)軸承間隙變化及性能參數(shù)變化，影響電機(jī)的精度穩(wěn)定性和可靠性[3-4]。

本文對半球動壓軸承電機(jī)兩端螺母的鎖緊力矩控制進(jìn)行研究，通過電機(jī)裝配預(yù)緊力仿真計算，結(jié)合電機(jī)裝配驗證試驗，對螺母鎖緊力矩進(jìn)行量化控制，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，解決了半球動壓軸承電機(jī)裝配過程中的瓶頸問題，使電機(jī)自身的可靠性和穩(wěn)定性大幅提高。

1 動壓電機(jī)螺母預(yù)緊力分析

半球動壓電機(jī)(見圖1)定子部分由軸系兩端用鎖緊螺母鎖緊左右兩端半球，保證電機(jī)軸系的質(zhì)心穩(wěn)定性，同時在氣膜支承作用下，在一定程度上保證轉(zhuǎn)子的質(zhì)心穩(wěn)定性。因此，螺母鎖緊力矩的大小對電機(jī)質(zhì)心的穩(wěn)定性起著重要的作用[5-6]。目前，電機(jī)兩端螺母的鎖緊力矩是由裝配人員根據(jù)經(jīng)驗及手勁的大小控制，擰緊力矩分散性較大。

圖1 半球動壓電機(jī)局部示意圖

若螺母鎖緊力矩過小：1)可能會導(dǎo)致電機(jī)在長期固定位置放置或通電后，存在精度穩(wěn)定性問題[7]；2)在過載條件下，軸承負(fù)載增加，會增大半球與軸肩端面間沿負(fù)載方向的作用力，導(dǎo)致振動精度超差等問題[8]。

若螺母鎖緊力矩過大：1)會導(dǎo)致電機(jī)軸、半球產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，會增加應(yīng)力釋放、平衡的時間，同樣不利于電機(jī)的穩(wěn)定性[9-10]；2)會增大電機(jī)半球球面的變形量，降低軸承的壽命和可靠性。

因此，生產(chǎn)過程中需要通過電機(jī)精密裝配鎖緊力矩試驗，結(jié)合鎖緊力矩仿真，確定合理的擰緊力矩值，提高動壓電機(jī)自身可靠性和精度穩(wěn)定性。

2 螺母最小預(yù)緊力計算

電機(jī)在工作狀態(tài)時，定子部分的軸與螺母鎖緊配合(見圖2)。在過載條件下，軸承負(fù)載增加，會增大半球與軸肩端面間沿負(fù)載方向的作用力。過載20 g所需的最小預(yù)緊力：按過載20 g計算，則沿負(fù)載方向的作用力為：F=20×9.8×60g=11.76(N)；半球與軸肩端面間的摩擦因數(shù)按0.15計算，則所需的最小預(yù)緊力為：F0=F/2μ=39.2 (N)。

3 鎖緊力矩仿真

3.1 應(yīng)力仿真分析

應(yīng)用ABAQUS仿真軟件，對電機(jī)在不同鎖緊力矩下的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行仿真。根據(jù)應(yīng)力大小及分布情況，應(yīng)力主要集中在徑向安裝面與軸向安裝面交接部位(見圖3)，軸、半球的應(yīng)力仿真結(jié)果見表1，當(dāng)鎖緊力矩>60 N·cm時，應(yīng)力達(dá)到58.75 MPa，考慮到軸材料的微屈服強(qiáng)度為50～60 MPa，電機(jī)的鎖緊力矩應(yīng)控制在50 N·cm以下。當(dāng)螺母鎖緊力矩為10 N·cm時，對應(yīng)預(yù)緊力為61.25 N，即可滿足預(yù)緊力大于過載20 g所需的最小預(yù)緊力(39.2 N)，螺母的鎖緊力矩控制范圍為10～50 N·cm。

圖2 軸與螺母的鎖緊配合示意圖

圖3 電機(jī)在鎖緊力矩作用下的應(yīng)力仿真結(jié)果

表1 軸、半球的應(yīng)力仿真結(jié)果

3.2 變形仿真分析

應(yīng)用ABAQUS仿真軟件，對電機(jī)在不同鎖緊力矩下電機(jī)的軸和半球變形情況進(jìn)行仿真。電機(jī)軸的變形主要集中在軸端部位，半球的變形主要集中在半球中間區(qū)域至靠近大端面部位(見圖4)，半球大端面、中間截面、小端面處變形量不同，小端面處變形最小，靠近大端面最大，同時鎖緊力矩越大，半球的變形量越大。

圖4 電機(jī)在鎖緊力矩作用下的變形仿真結(jié)果

電機(jī)的軸和半球變形仿真結(jié)果見表2。當(dāng)鎖緊力矩為30 N·cm時，變形量達(dá)到0.13 μm；當(dāng)鎖緊力矩為40 N·cm時，變形量達(dá)到0.2 μm；當(dāng)鎖緊力矩為50 N·cm時，變形量達(dá)到0.21 μm；當(dāng)鎖緊力矩達(dá)到60 N·cm時，變形量達(dá)到0.25 μm；當(dāng)鎖緊力矩達(dá)到80 N·cm時，變形量達(dá)到0.33 μm，動壓電機(jī)軸承間隙為1～2 μm，半球零件的圓度通常約為軸承間隙的1/10，半球徑向變形越大，對軸承間隙影響越大，從而影響電機(jī)的自身可靠性，因此為減小半球的變形，鎖緊力矩應(yīng)盡量小，可控制在40 N·cm以下，半球變形量0.2 μm以下。綜上考慮，經(jīng)過仿真，螺母的鎖緊力矩控制范圍為10～40 N·cm，生產(chǎn)中為保證產(chǎn)品一致性，可以確定為20～30 N·cm。

表2 軸、半球的變形仿真結(jié)果

4 電機(jī)裝配驗證試驗

結(jié)合應(yīng)力及變形的仿真結(jié)果，使用力矩扳手，對電機(jī)鎖緊力矩進(jìn)行量化控制，共裝配8個電機(jī)，鎖緊力矩控制分別為5、10、20、30、40、50、60和70 N·cm，并跟蹤電機(jī)在振動試驗和溫循試驗中的性能檢測。振動試驗結(jié)果見表3，可以看出鎖緊力矩為5 N·cm時，電機(jī)SY01在振動試驗過程中電流變化較大，為32 mA，其余電機(jī)在振動試驗過程中電流變化較小，變化量為2～4 mA，從振動試驗結(jié)果來看，鎖緊力矩為10～70 N·cm時電機(jī)性能較為穩(wěn)定，螺母未發(fā)生松動。溫循試驗結(jié)果見表4。電機(jī)SY01在溫循試驗前和試驗后，動不平衡質(zhì)量分別變化0.02和0.03 mg，電機(jī)SY08在溫循試驗前和試驗后，動不平衡質(zhì)量分別變化0.01和0.01 mg，其余6個電機(jī)在溫循試驗前和試驗后動不平衡質(zhì)量基本不變，從溫循試驗結(jié)果來看，當(dāng)鎖緊力矩為10～60 N·cm時電機(jī)性能較為穩(wěn)定。生產(chǎn)中為提高電機(jī)軸承可靠性和精度穩(wěn)定性，確保電機(jī)產(chǎn)品一致性，可以將螺母鎖緊力矩確定為20～30 N·cm。

表3 振動試驗過程中電流變化情況

表4 溫循試驗過程中動不平衡質(zhì)量變化情況

5 結(jié)語

通過電機(jī)裝配預(yù)緊力的仿真計算，結(jié)合電機(jī)裝配驗證試驗，對裝配過程中的螺母鎖緊力矩進(jìn)行量化控制。為提高電機(jī)軸承的可靠性和精度穩(wěn)定性，確保產(chǎn)品一致性，可以將螺母鎖緊力矩確定為20～30 N·cm。目前，該研究成果已應(yīng)用到生產(chǎn)中，解決了動壓電機(jī)量化控制難題，使半球動壓軸承陀螺電機(jī)自身的可靠性和穩(wěn)定性大幅提高，同時為同類產(chǎn)品精密裝配提供了參考和借鑒。