潘鋼鋒，柴靈芝，韓 濤，王雅夢(mèng)，夏玉磊，趙 森

（洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

1 引言

T906092TN3/P4YA軸承（簡(jiǎn)稱T92）是一種高精度長(zhǎng)壽命陀螺電機(jī)軸承，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)中。隨著導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)軸承的精度及壽命提出了更高的要求。

T92軸承工作的環(huán)境溫度為-20℃~50℃，在此溫度范圍下軸承潤(rùn)滑油粘度會(huì)發(fā)生較大變化。受空間的限制，軸承沒有任何外加補(bǔ)充潤(rùn)滑裝置，軸承的潤(rùn)滑條件很差，同時(shí)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可能引起彈流潤(rùn)滑接觸區(qū)入口出現(xiàn)缺油現(xiàn)象，會(huì)使軸承的彈流油膜厚度降低30%以上，這些因素導(dǎo)致軸承內(nèi)部不能形成良好的彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜。在乏油潤(rùn)滑條件下軸承的摩擦系數(shù)明顯增大，且運(yùn)轉(zhuǎn)速度對(duì)摩擦系數(shù)有較大影響。對(duì)于陀螺電機(jī)軸承，其所受載荷很小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鋼球和軸承滾道之間易出現(xiàn)自旋打滑，打滑將使得潤(rùn)滑油溫度升高，引發(fā)軸承溝道磨損。不合理的軸承軸向預(yù)載荷或保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)也將造成軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，使保持架與滾動(dòng)體與引導(dǎo)套圈頻繁碰摩，從而加劇軸承溝道及保持架磨損。所以軸承一般不會(huì)出現(xiàn)表面疲勞失效的情況，其失效基本上屬于磨損導(dǎo)致的精度失效，致使軸承難以滿足高精度和2萬(wàn)h以上工作壽命的要求。

為了使軸承滿足使用要求，采用軸承質(zhì)量性能試驗(yàn)，分析早期跑合后軸承的接觸情況與潤(rùn)滑狀況，剔除異常磨損或潤(rùn)滑狀態(tài)不良的軸承，實(shí)現(xiàn)軸承的早期篩選，從而達(dá)到軸承長(zhǎng)壽命運(yùn)行的要求。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

軸承的早期跑合十分重要，根據(jù)資料顯示，如果早期跑合300~500 h后軸承分解情況良好，那么電機(jī)的壽命達(dá)到幾萬(wàn)h是正常的。為滿足長(zhǎng)壽命陀螺電機(jī)T92軸承的使用要求，對(duì)T92軸承進(jìn)行300~500 h軸承質(zhì)量性能試驗(yàn)，以檢驗(yàn)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能，并根據(jù)試驗(yàn)情況分析軸承長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的壽命情況。

2.2 軸承失效形式

根據(jù)軸承的使用情況顯示，軸承最普遍出現(xiàn)的失效形式主要有

1）保持架磨損：保持架磨損是最常見也是最多的失效形式，典型的表現(xiàn)就是軸承短期運(yùn)行以后，保持架兜孔出現(xiàn)明顯的磨損，嚴(yán)重時(shí)軸承滾道出現(xiàn)保持架磨損物導(dǎo)致的黑色油泥。

2）保持架運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定：保持架運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定導(dǎo)致的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)嘯叫和渦動(dòng)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引導(dǎo)間隙之間匹配不合理有關(guān)。同時(shí)保持架的穩(wěn)定性還與軸承中潤(rùn)滑油量的多少以及潤(rùn)滑油的高速拖動(dòng)性能有關(guān)。

3）潤(rùn)滑油變質(zhì)、流失：潤(rùn)滑油變質(zhì)、流失是長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后軸承失效的主要失效形式。通常將長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后軸承性能下降的電機(jī)軸承分解后，觀察軸承內(nèi)部缺失潤(rùn)滑油或者潤(rùn)滑油酸解變質(zhì)的情況，潤(rùn)滑油的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及穩(wěn)定的不流散性能已經(jīng)是制約軸承長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)壽命的一個(gè)主要因素。

4）軸承打滑導(dǎo)致接觸異常或磨損：軸承打滑導(dǎo)致接觸異?；蚰p也是經(jīng)常出現(xiàn)的軸承故障，主要表現(xiàn)在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)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(yán)重時(shí)鋼球表面全部發(fā)烏，有明顯的磨損。而正常情況下鋼球表面一般只有一條比較輕的接觸痕跡。

因此，軸承若要達(dá)到長(zhǎng)壽命的要求，一方面可以采用潤(rùn)滑性能更好的潤(rùn)滑油，改善軸承表面的潤(rùn)滑狀態(tài)與內(nèi)部的油循環(huán)狀態(tài)；另一方面通過優(yōu)化軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)，降低軸承內(nèi)部接觸應(yīng)力，減小軸承的打滑，降低軸承接觸磨損；此外，通過提高保持架材料的抗磨損能力和保持架的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以減少保持架的磨損。

2.3 試驗(yàn)方法

挑選兩套各項(xiàng)精度指標(biāo)、軸向振動(dòng)檢測(cè)合格且進(jìn)行了剛度配對(duì)的軸承。軸承內(nèi)外套圈、鋼球均進(jìn)行了表面TCP處理，保持架材料采用多孔聚酰亞胺材料，軸承基本參數(shù)見表1，試驗(yàn)條件見表2。

表1 軸承基本信息表

表2 軸承試驗(yàn)參數(shù)

2.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟分測(cè)試前的準(zhǔn)備工作和試驗(yàn)測(cè)試兩大部分，試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 電機(jī)運(yùn)行停慣時(shí)間及工作電流

電機(jī)運(yùn)行停慣時(shí)間、電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及啟動(dòng)時(shí)間等試驗(yàn)結(jié)果見表3。在413 h試驗(yàn)過程中被測(cè)電機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本正常，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間與工作電流基本保持不變，電機(jī)的停慣時(shí)間在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中呈現(xiàn)逐漸變長(zhǎng)的趨勢(shì)，這反映了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中內(nèi)部沒有出現(xiàn)異常磨損的情況，這在后面的軸承分解情況也得到證實(shí)。此外，由于軸承和電機(jī)軸的配合稍微有一點(diǎn)松，考慮到后續(xù)分解方便而沒有采用環(huán)氧膠將兩者固化。為了防止套圈和電機(jī)軸之間出現(xiàn)滑動(dòng)，同時(shí)考驗(yàn)一下軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的抗過載能力，因此適當(dāng)增大了軸承的預(yù)載荷。通過154 h的試驗(yàn)情況以及后文的軸承分解情況，可以看出軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的表現(xiàn)還是非常不錯(cuò)的，證明軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)具有一定的抗過載能力。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 軸承分解情況

根據(jù)國(guó)外和國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)300 h左右，分解工作必須立即進(jìn)行，分解時(shí)不能使軸承再有絲毫轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后觀察軸承溝道工作表面?？芍S承各元件表面均正常接觸，沒有出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，表明軸承早期跑合狀態(tài)良好，能滿足軸承長(zhǎng)壽命運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。2008-1-1#軸承內(nèi)圈表面照片如圖2所示，2008-1-2#鋼銅球表面照片如圖3所示。

圖2 2008-1-1#軸承內(nèi)圈表面照片

圖3 2008-1-2#鋼球表面照片

3.3 保持架含油情況

保持架作為軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的油庫(kù)，其存油性能對(duì)軸承的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)壽命有較大的影響。本批保持架的含油率試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)見表4、表5（其中1#保持架裝于2018-1-1#軸承，2#保持架裝于2018-1-2#軸承）。由表3可知，試驗(yàn)前1#保持架質(zhì)量為13.28 mg，含油量為1.34 mg，經(jīng)過413 h試驗(yàn)后保持架質(zhì)量為13.27 mg。2#保持架浸油后質(zhì)量為13.35 mg，經(jīng)過413 h試驗(yàn)后保持架的質(zhì)量變?yōu)?3.36 mg。試驗(yàn)前后兩保持架的重量變化不大，考慮到存在測(cè)量誤差，認(rèn)為保持架含油量沒有變化。即軸承經(jīng)過413 h試驗(yàn)后，保持架含有的潤(rùn)滑油沒有出現(xiàn)明顯的流失，軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑系統(tǒng)已經(jīng)基本建立：從保持架到軸承零件再到保持架的良好的油循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)在該潤(rùn)滑系統(tǒng)下軸承可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

表4 T92軸承保持架含油率測(cè)試表

表5 T92軸承保持架含油率試驗(yàn)后

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)T92軸承進(jìn)行了早期跑合試驗(yàn)，根據(jù)軸承的試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)，基本上可以排除此軸承四種失效模式中三種模式出現(xiàn)的可能性，即保持架材料耐磨性不好所導(dǎo)致的保持架早期運(yùn)轉(zhuǎn)異常磨損；保持架設(shè)計(jì)參數(shù)不合理使保持架高速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定導(dǎo)致的保持架異常磨損；軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲音不正常以及軸承設(shè)計(jì)參數(shù)不合理或者軸承預(yù)載不合適，導(dǎo)致的滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)打滑使軸承出現(xiàn)異常磨損。所以軸承的壽命將主要取決于潤(rùn)滑油變質(zhì)、流失。從軸承的413 h早期跑合試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油的流失并不明顯，所以在正常條件下，軸承壽命是比較長(zhǎng)的。

綜上所述，通過陀螺電機(jī)軸承413 h的運(yùn)行考核試驗(yàn)，證明軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)合理，試制的軸承達(dá)到了設(shè)計(jì)及有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以進(jìn)行下一步的批量電機(jī)裝機(jī)考核試驗(yàn)。