专用电动机结构对轴承性能的影响

李文超，潘钢锋，高 飞，马小梅

(洛阳轴研科技股份有限公司 特种轴承开发部,河南 洛阳 471039)

单机是控制系统的关键执行部件，其寿命、精度和可靠性直接影响到整个系统的控制精度与寿命,主要性能指标为寿命、可靠性、功耗、质量和外形尺寸。专用电动机主要决定单机的外形尺寸和质量，是单机的主要质量源和转动惯量源，专用电动机结构直接影响轴承的性能，进而影响单机的寿命和可靠性，因此对专用电动机结构进行分析非常重要。

1 专用电动机结构

专用电动机结构如图1所示。影响专用电动机结构的因素主要为厚度和倾斜角，厚度和倾斜角不同，专用电动机结构也不同，其固有频率和放大因子也随之变化，对轴承性能的影响不同，所以必须对专用电动机结构进行分析，并分析不同条件下的结构对轴承性能的影响。而轴承性能主要考核接触应力和安全裕度，可根据轴承接触应力和安全裕度确定专用电动机结构。

图1 专用电动机结构示意图

2 结构分析

根据单机和专用电动机不同的性能要求和使用特点，对影响轴承性能的专用电动机结构的厚度和倾斜角进行方案组合，如表1所示。

表1 各方案的幅板厚度与倾斜角

专用电动机结构决定了其固有频率和放大因子。其中，1阶固有频率有可能与系统本体产生谐振；由于系统对单机的振动试验要求为2 000 Hz，在振动情况下结构会产生放大因子，而结构产生放大因子的频率段主要集中在其固有频率段，在固有频率段由于放大因子的作用，很有可能对轴承的性能产生影响。为了分析结构对轴承性能的影响，必须对其固有频率和放大因子进行分析，同时计算结构在振动产生放大因子的情况下轴承的接触应力，分析轴承的安全性和可靠性，根据分析结果，确定其厚度和角度。

2.1 结构的固有频率

专用电动机结构的固有频率由结构特性和材料决定，系统在试验过程中，单机的1阶频率有可能与系统本体发生谐振，为了有效避开系统本体的谐振频率和分析单机的放大因子，必须对专用电动机的固有频率进行计算分析，经计算，专用电动机结构前4阶固有频率值如表2所示。

表2 专用电动机结构固有频率 Hz

由表2可知：固有频率在低频状态下随幅板厚度增加而增大，在高频则变化很小；而改变倾斜角的大小，专用电动机结构的固有频率变化很小。

2.2 结构的放大因子

单机的力学振动试验条件为0～2 000 Hz,而专用电动机结构的前4阶固有频率小于2 000 Hz，在振动过程中，在某一频率或频率段专用电动机结构由于谐振会产生放大，对轴承和单机的性能可能会造成很大的影响。在专用电动机结构设计中，必须对放大因子进行计算分析，并分析专用电动机结构在振动情况下对轴承的影响。

在有限元分析过程中，加速度的响应测试点均为专用电动机的轮缘上端，下面就6种方案的放大因子进行分析计算，结果如表3所示，加速度响应曲线如图2所示。

表3 专用电动机结构的放大因子

图2 专用电动机结构加速度响应曲线

2.3 结构对轴承的影响分析

根据单机的外形尺寸、质量和环境振动试验条件等技术要求，单机转动部分质量约为2.8 kg，环境振动试验条件规定的基础振动为13×9.8 m/s2，振动载荷计算公式为：质量×放大因子×基础振动，则6种方案的振动载荷分别为：3 661，1 813，3 203，5 867，2 792，4 382 N。由于单机轴向振动时为一套轴承受载，径向振动时为两套轴承均衡受载(即每套轴承只承受振动载荷的一半)，所以只需对轴向振动时轴承的接触应力进行分析。

经分析，轴承的最大接触应力和安全裕度如表4所示，轴承最大应力均为内圈与钢球的接触部位，各方案轴承接触应力云图见图3，其中方案2剖视云图如图4所示。

表4 轴承最大接触应力

图3 轴承接触应力云图

图4 方案2轴承接触应力剖视云图

由上述分析可知：

(1)根据系统可靠性和安全性标准要求，单机在振动情况下的安全裕度为0.25，由于不锈钢材料9Cr18的许用接触应力为3 700 MPa[1]，在振动情况下轴承的最大应力不允许超过2 960 MPa。根据有限元分析结果，方案1、方案2、方案3、方案5在振动情况下轴承最大应力小于接触应力3 700 MPa，但是只有方案2的安全裕度高于系统标准；方案4与方案6在振动情况下轴承的最大应力大于接触应力3 700 MPa，很可能对轴承造成损坏，甚至会造成单机失效。

(2)专用电动机结构的合理设计有效降低了放大因子，提高了单机轴承的安全性和可靠性。

根据上述分析，该系统单机采用方案2，即厚度为4 mm，倾斜角为9°。

3 结束语

该系统单机在9.8 m/s2的加速度正弦扫描情况下，放大因子为6，经正弦振动、随机振动、冲击、系统试验等一系列力学环境试验，结构安全可靠，性能稳定,完全能够满足系统主动段的力学环境要求,在确保轴承性能的稳定性和安全性的同时提高了单机结构的安全性和可靠性。