陀螺电机轴承试验分析

潘钢锋，柴灵芝，韩 涛，王雅梦，夏玉磊，赵 森

（洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039）

1 引言

T906092TN3/P4YA轴承（简称T92）是一种高精度长寿命陀螺电机轴承，广泛应用于航空、航天等领域的导航系统中。随着导航技术的快速发展，对轴承的精度及寿命提出了更高的要求。

T92轴承工作的环境温度为-20℃~50℃，在此温度范围下轴承润滑油粘度会发生较大变化。受空间的限制，轴承没有任何外加补充润滑装置，轴承的润滑条件很差，同时轴承高速运转，可能引起弹流润滑接触区入口出现缺油现象，会使轴承的弹流油膜厚度降低30%以上，这些因素导致轴承内部不能形成良好的弹性流体动力润滑油膜。在乏油润滑条件下轴承的摩擦系数明显增大，且运转速度对摩擦系数有较大影响。对于陀螺电机轴承，其所受载荷很小，高速运转时钢球和轴承滚道之间易出现自旋打滑，打滑将使得润滑油温度升高，引发轴承沟道磨损。不合理的轴承轴向预载荷或保持架结构参数也将造成轴承运转不稳定，使保持架与滚动体与引导套圈频繁碰摩，从而加剧轴承沟道及保持架磨损。所以轴承一般不会出现表面疲劳失效的情况，其失效基本上属于磨损导致的精度失效，致使轴承难以满足高精度和2万h以上工作寿命的要求。

为了使轴承满足使用要求，采用轴承质量性能试验，分析早期跑合后轴承的接触情况与润滑状况，剔除异常磨损或润滑状态不良的轴承，实现轴承的早期筛选，从而达到轴承长寿命运行的要求。

2 试验分析

2.1 试验目的

轴承的早期跑合十分重要，根据资料显示，如果早期跑合300~500 h后轴承分解情况良好，那么电机的寿命达到几万h是正常的。为满足长寿命陀螺电机T92轴承的使用要求，对T92轴承进行300~500 h轴承质量性能试验，以检验轴承高速运转性能，并根据试验情况分析轴承长时间运转的寿命情况。

2.2 轴承失效形式

根据轴承的使用情况显示，轴承最普遍出现的失效形式主要有

1）保持架磨损：保持架磨损是最常见也是最多的失效形式，典型的表现就是轴承短期运行以后，保持架兜孔出现明显的磨损，严重时轴承滚道出现保持架磨损物导致的黑色油泥。

2）保持架运转不稳定：保持架运转不稳定导致的轴承运转过程中出现啸叫和涡动也是比较常见的故障形式。这主要与轴承保持架兜孔间隙和引导间隙之间匹配不合理有关。同时保持架的稳定性还与轴承中润滑油量的多少以及润滑油的高速拖动性能有关。

3）润滑油变质、流失：润滑油变质、流失是长期运转后轴承失效的主要失效形式。通常将长时间运转后轴承性能下降的电机轴承分解后，观察轴承内部缺失润滑油或者润滑油酸解变质的情况，润滑油的长期稳定性以及稳定的不流散性能已经是制约轴承长期运转寿命的一个主要因素。

4）轴承打滑导致接触异常或磨损：轴承打滑导致接触异常或磨损也是经常出现的轴承故障，主要表现在轴承运转一段时间后，轴承分解发现钢球表面有明显的多条交叉接触环带，严重时钢球表面全部发乌，有明显的磨损。而正常情况下钢球表面一般只有一条比较轻的接触痕迹。

因此，轴承若要达到长寿命的要求，一方面可以采用润滑性能更好的润滑油，改善轴承表面的润滑状态与内部的油循环状态；另一方面通过优化轴承的设计参数，降低轴承内部接触应力，减小轴承的打滑，降低轴承接触磨损；此外，通过提高保持架材料的抗磨损能力和保持架的运转稳定性以减少保持架的磨损。

2.3 试验方法

挑选两套各项精度指标、轴向振动检测合格且进行了刚度配对的轴承。轴承内外套圈、钢球均进行了表面TCP处理，保持架材料采用多孔聚酰亚胺材料，轴承基本参数见表1，试验条件见表2。

表1 轴承基本信息表

表2 轴承试验参数

2.4 试验步骤

试验步骤分测试前的准备工作和试验测试两大部分，试验流程如图1所示。

图1 试验流程图

3 试验结果及分析

3.1 电机运行停惯时间及工作电流

电机运行停惯时间、电流试验数据以及启动时间等试验结果见表3。在413 h试验过程中被测电机各项数据基本正常，电机的启动时间与工作电流基本保持不变，电机的停惯时间在整个运转过程中呈现逐渐变长的趋势，这反映了轴承运转过程中内部没有出现异常磨损的情况，这在后面的轴承分解情况也得到证实。此外，由于轴承和电机轴的配合稍微有一点松，考虑到后续分解方便而没有采用环氧胶将两者固化。为了防止套圈和电机轴之间出现滑动，同时考验一下轴承润滑系统的抗过载能力，因此适当增大了轴承的预载荷。通过154 h的试验情况以及后文的轴承分解情况，可以看出轴承润滑系统的表现还是非常不错的，证明轴承润滑系统具有一定的抗过载能力。

表3 试验数据统计表

3.2 轴承分解情况

根据国外和国内长期使用经验，轴承运转300 h左右，分解工作必须立即进行，分解时不能使轴承再有丝毫转动，随后观察轴承沟道工作表面。可知，轴承各元件表面均正常接触，没有出现磨损现象，表明轴承早期跑合状态良好，能满足轴承长寿命运转的要求。2008-1-1#轴承内圈表面照片如图2所示，2008-1-2#钢铜球表面照片如图3所示。

图2 2008-1-1#轴承内圈表面照片

图3 2008-1-2#钢球表面照片

3.3 保持架含油情况

保持架作为轴承运转过程中的油库，其存油性能对轴承的长期运转寿命有较大的影响。本批保持架的含油率试验前后数据见表4、表5（其中1#保持架装于2018-1-1#轴承，2#保持架装于2018-1-2#轴承）。由表3可知，试验前1#保持架质量为13.28 mg，含油量为1.34 mg，经过413 h试验后保持架质量为13.27 mg。2#保持架浸油后质量为13.35 mg，经过413 h试验后保持架的质量变为13.36 mg。试验前后两保持架的重量变化不大，考虑到存在测量误差，认为保持架含油量没有变化。即轴承经过413 h试验后，保持架含有的润滑油没有出现明显的流失，轴承内部的润滑系统已经基本建立：从保持架到轴承零件再到保持架的良好的油循环系统，根据以往经验在该润滑系统下轴承可以长时间稳定运行。

表4 T92轴承保持架含油率测试表

表5 T92轴承保持架含油率试验后

4 结束语

对T92轴承进行了早期跑合试验，根据轴承的试验结果及数据，基本上可以排除此轴承四种失效模式中三种模式出现的可能性，即保持架材料耐磨性不好所导致的保持架早期运转异常磨损；保持架设计参数不合理使保持架高速运转不稳定导致的保持架异常磨损；轴承运转声音不正常以及轴承设计参数不合理或者轴承预载不合适，导致的滚动体公转和自转打滑使轴承出现异常磨损。所以轴承的寿命将主要取决于润滑油变质、流失。从轴承的413 h早期跑合试验结果来看，轴承内部润滑油的流失并不明显，所以在正常条件下，轴承寿命是比较长的。

综上所述，通过陀螺电机轴承413 h的运行考核试验，证明轴承的设计参数合理，试制的轴承达到了设计及有关技术标准的要求，可以进行下一步的批量电机装机考核试验。