直流电动机轴承保持架运转稳定性的改进

靳国栋，高武正，周益，高飞

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.北京控制工程研究所，北京 100190)

微型直流电动机一般用于航空航天系统中对摩擦力矩、寿命及可靠性有严格要求的主机上，而轴承是支承电动机运转的核心部件，轴承的精度、性能及寿命直接影响着电动机的动态性能和可靠性。

该微型电动机使用加预载荷的角接触球轴承，轴承装用聚酰亚胺保持架。通常由于保持架运转不稳定，造成其在轴承内部倾斜、涡动，与套圈挡边及球非正常接触、碰撞，使磨损物在沟道中聚集，并和润滑油搅拌、聚合，导致润滑失效，使轴承过度磨损而失效。

为了改善此类轴承保持架运转不稳定性，优化设计了2种结构的保持架，并通过试验确定了较为合适的结构类型。

1 保持架运动分析

微型直流电动机轴承一般用于中低转速(转速≤7 200 r/min)、载荷较小(最大接触应力≤1 500 MPa)的工况，轴承一般不会发生疲劳失效，其失效模式主要是由于轴承内非正常磨损导致精度下降以致不能满足主机的要求。

当轴承稳定工作(外圈旋转，转速为3 500～6 000 r/min)时，保持架外径面与外圈挡边、兜孔与球均存在不间断的接触碰撞，从而驱动、约束保持架旋转。在接触碰撞过程中，保持架与外圈、球间存在持续的能量交换，保持架不断地被加速和减速。正常工作时，保持架外径面及兜孔上均存在润滑油膜，由油膜将2种运动件隔开。通过闪频仪分析，稳定运转的保持架存在一个稳定的旋转中心，而运转不稳定的保持架中心则在一个区域内呈杂乱无章轨迹[1]。

如果保持架结构或引导参数选取不当，将导致保持架与挡边、兜孔接触碰撞加剧，造成保持架上能量的积累和堆积。当积累的能量到达某个临界值后，会剧烈地释放，造成其在轴承内部剧烈的涡动或啸叫。由于保持架释放的能量直接通过球传递给轴承，会造成球运转失稳，从而破坏轴承整体运转的平稳性，进而导致轴承非正常磨损。

由于保持架在轴承内部属于六自由度模型，其运动时只有套圈挡边及球能起到部分约束作用，因此，一般通过调整保持架的外径引导间隙和兜孔引导间隙来调整、约束保持架。延伸这一思路，在保持引导间隙不变的情况下，可以通过改变保持架外径结构来减少外引导面，这样既能减小引导面的接触摩擦和轴承运转摩擦力矩，减少保持架外径处的能量交换，又能减轻保持架质量[2]。

2 保持架结构优化方案

该直流电动机轴承保持架为方兜孔实体保持架。装用该保持架的轴承在使用中出现了较大概率的不稳定情况，主要表现为电动机运转时振动和噪声加大、电流增大和温度升高等。通过对轴承分解发现，保持架外径处(兜孔两侧)、兜孔内部均出现明显的摩擦磨损痕迹，有黑色磨损物在外径面处堆积的情况(图1)。

为解决保持架运转不稳定的问题，将原保持架外引导间隙和兜孔间隙保持不变，通过以下2种方案减小外径引导面：(a)沿圆周方向切除部分外径引导面；(b)在每个兜孔处加工出均布的减重槽。

图1 保持架结构及磨损图

2.1 方案a

在加工中心上以保持架内径处定位，沿圆周方向将保持架外径面部分切除，在兜孔两侧对称位置留下1 mm宽的台阶作为外引导面，保持架结构如图2所示。

图2 方案a保持架结构示意图

2.2 方案b

在加工中心上以保持架内径面定位，用铣刀在每个兜孔位置加工出减重圆弧槽，保留过梁位置处的外径面作为引导面，保持架结构如图3所示。

图3 方案b保持架结构示意图

2.3 保持架性能对比

将方案a和b与原保持架进行性能对比，分别测量其质量、引导面积，并装入轴承中测量启动摩擦力矩，测试结果见表1。

由表中数据可以看出，a和b结构保持架的质量分别降低了22.76%和10.05%，引导面积分别减少了74.13%和56.54%。因此相应的成品轴承启动摩擦力矩也随之降低，且在启动摩擦力矩测试过程中，a和b结构保持架均没有出现摩擦力矩大点等异常情况。

表1 3种结构保持架性能测试结果

3 试验验证

分别采用a和b结构的保持架及同一组内圈、外圈和球装配的轴承，在专用运转装置上进行常温(20℃±5 ℃)、真空条件下的试验，轴承转速为5 300 r/min，运转时间为3 000 h。

运转3 000 h后对轴承进行分解检查，通过观察发现：在保持架外径引导面上、兜孔两侧沿圆周方向有2条轻微接触痕迹，兜孔四周存在轻微磨损点，总体上看，保持架接触磨损情况均非常轻微，轴承可以继续长期运转。

分析保持架运转接触情况和运转电流图(图4)可得以下结论。

(1)采用原保持架的轴承，保持架存在一定的概率会出现运转不稳定情况，不稳定时电动机电流(等同于轴承摩擦力矩)发生明显波动，波动范围为平均值的20%，且该波动情况不会随运转时间得到抑制或消除，因此随着电动机运转时间的延长，轴承非正常磨损是不可避免的。其电流平均值也比a和b结构保持架的值偏大10%左右，与启动摩擦力矩测试结果相一致。

(2)采用a和b结构保持架的轴承，其电动机电流较原轴承明显平稳，电流平均值和波动幅度也偏小；从两者接触情况来看，保持架外径面处接触非常轻微，兜孔中接触情况正常，表明随着保持架引导面积的减小，轴承摩擦力矩亦减小，保持架和套圈接触情况得到了改善，而兜孔与球的接触没有改变，这对提高保持架运转稳定性是有利的。

(3)采用原保持架和a结构保持架的轴承运转噪声及振动情况大致相同，声音柔和连续，手感振动适中；而采用b结构保持架的轴承的运转噪声明显较前两种大，手感振动也稍大，这与保持架外引导面不连续，其与套圈挡边接触也不连续有关。

图4 采用3种保持架的电动机电流图

(4)在提高保持架稳定性和降低轴承摩擦力矩方面，a和b结构的保持架处于同一水平，但b结构保持架给加工和检测带来了难度，容易造成减重圆弧槽不能相对兜孔均布，运转时动平衡性也会逊于a结构保持架。因此，综合分析认为a结构保持架更优。

4 结论

(1)经过改进的2种保持架均能提高电动机轴承运转的稳定性，降低轴承摩擦力矩，但由于a结构保持架更容易加工和检测，其结构更优。

(2)a结构保持架在主机载荷较小、中等转速、对摩擦力矩有严格要求的工况中均能良好应用。