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　　摘　要：分析了某精密電機軸承異常磨損的現(xiàn)象，闡述了精密電機軸承異常磨損的原因，采集精密電機磨損粉末進行了電鏡掃描分析，對磨損粉末的元素成分進行了研究，找到了軸承異常磨損的原因并提出了改進措施，實現(xiàn)了精密電機的裝機合格率的大幅提高。
　　關(guān)鍵詞：精密電機；異常磨損；定子架；圖譜
　　載人飛船、飛機和其他各種飛行器及航海艦船的慣性儀表都使用陀螺儀來檢測飛行姿態(tài)、船只方位和角速度，只有準確地測量方位、速度、姿態(tài)等參量才能完成預(yù)定的導(dǎo)航或穩(wěn)定任務(wù)。陀螺儀的基本功能是敏感角位移和角速度，在這些運載體的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺儀是極其重要的敏感器，有著十分廣泛和重要的應(yīng)用^[1]。陀螺儀的心臟部分是精密電機，為了獲得Z高的陀螺精度，電機應(yīng)具有在陀螺儀的容積和懸浮能力范圍內(nèi)所能獲得的Z大角動量。由于精密電機軸承的性能直接影響到精密電機的靈敏度和導(dǎo)引性能，而且精密電機軸承的環(huán)境工況Z惡劣，使用壽命短，所以陀螺儀的壽命均是以精密電機軸承的壽命作為依據(jù)^[2]。
　　1　電機故障
　　某型精密電機（圖1）壽命為50h，使用軸承為我公司生產(chǎn)的某微型軸承。該電機有快速啟動的要求，因此對軸承的摩擦力矩要求十分苛刻，合格軸承的摩擦力矩一般為0.15g•cm以下。電機的穩(wěn)態(tài)電流為100～120mA，電機轉(zhuǎn)速25000r/min。某批次裝配20臺電機，前期運轉(zhuǎn)正常。經(jīng)過4h的運轉(zhuǎn)，其中8臺電機監(jiān)控顯示電流異常增大，接近500mA。測試電機表面溫度異常升高，振動增大。分解電機后，發(fā)現(xiàn)電機兩端軸承保持架已經(jīng)斷裂，定子架兩端都有異常磨損，端蓋軸承線包槽里殘留大量的灰色粉末（圖2）。

　　2　軸承異常運轉(zhuǎn)狀態(tài)原因及分析
　　滾動軸承的失效分析是對已經(jīng)損壞的軸承進行仔細地分析研究，找出軸承損壞的詳細原因，并在使用方法、設(shè)計方法和制造方法方面提出改進意見。常用的失效分析步驟如下^[3]：
　　1）搜集使用數(shù)據(jù)。搜集使用數(shù)據(jù)時進行分析的重要依據(jù)，數(shù)據(jù)包括安裝和拆卸方法、負荷、轉(zhuǎn)速、潤滑、溫度、可能產(chǎn)生的振源、周圍的灰塵和溫度、可能產(chǎn)生的水源或其他流體污染源、所有軸承零件的狀態(tài)等。
　　2）拆卸前的觀察。拆卸軸承之前，還須對下述三個方面進行觀察，并將觀察結(jié)果記錄下來。這個步驟之所以關(guān)鍵是因為在拆卸軸承和清洗軸承之后，這些跡象就將無可挽回地消失了。主要觀察污染情況、潤滑劑的流失情況及損壞的過程。詳細記錄損壞的全過程是重要的。首先應(yīng)記下首次發(fā)現(xiàn)異常的時間和現(xiàn)象，如噪聲、振動、溫度隨時間的變化情況等。如果事故是突然發(fā)生的，應(yīng)記下當時有關(guān)儀表的示值，損壞之前有關(guān)條件的改變，如軸承的間隙調(diào)整、負荷或速度的變化等。
　　3）拆卸中的觀察。將軸承從機械裝置中拆卸下來的過程中，應(yīng)注意觀察潤滑情況、軸承軸向緊固零件的松緊程度、軸承配合件的精度等。
　　4）拆卸后的檢查。拆卸后的檢查是Z重要的，通過對軸承各零件的外觀檢查、物理測試和金相分析，將Z后確定軸承失效的形式和原因。
　　普通軸承的失效形式是疲勞失效，與一般軸承不同，陀螺轉(zhuǎn)子軸承以軸承零件磨損或潤滑失效作為壽命終止的標志^[4]。針對該精密電機的異常運轉(zhuǎn)后的現(xiàn)象，推測原因如下。
　　2.1 噪音分析
　　對于軸承損壞，主要通過軸承支承工作性能的異常來判別。運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)和運轉(zhuǎn)噪聲異常，往往是軸承滾動面受損或因磨損導(dǎo)致軸承振動增大而產(chǎn)生損壞的反映。其產(chǎn)生的原因如表1所示，由于本批次裝配20臺電機，據(jù)用戶反映潤滑油統(tǒng)一用量、統(tǒng)一牌號，所以不存在潤滑油不足或不適導(dǎo)致的異常噪音。軸承承受徑向載荷時，由于徑向游隙的存在，僅有承載區(qū)內(nèi)的部分滾動體承受載荷。當滾動體從非承載區(qū)運動到承載區(qū)的過程中，滾動體自重與離心力的合力的大小及方向不斷發(fā)生變化，滾動體將交替與套圈滾道發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生噪聲。這種噪聲可以通過對軸承施加預(yù)緊力予以消除^[5]。該電機通過銅片調(diào)整預(yù)載，前期運轉(zhuǎn)正常，說明電機的預(yù)載荷比較合適。通過分解電機也證明沒有異常載荷的出現(xiàn)。安裝不良造成的噪音在電機軸承的前期跑合中難以發(fā)現(xiàn)，故此項原因難以排除。
　　2.2 異常分析
　　溫度法通過監(jiān)測電機的表面溫度來判斷軸承工作是否正常。溫度監(jiān)測對載荷和潤滑情況的變化反應(yīng)比較敏感，尤其是對潤滑不良而引起的過熱很敏感。所以用于這種場合比較有效。但當軸承出現(xiàn)諸如早期點蝕、剝落、輕微磨損等比較微小的故障時，溫度監(jiān)測基本上沒有反應(yīng)，只有當故障達到一定的程度時，用這種方法才能檢測到^[6]。
　　其推測原因如表1所示，分解電機表明：本批次電機的溫度異常變化確實是由于潤滑不良產(chǎn)生的。這種潤滑不良不是潤滑油劑量的問題，而是由于軸承滾道的潤滑油膜遭到破壞。破壞潤滑系統(tǒng)的直接原因是滾道被一層灰色粉末所覆蓋。鋼球和滾道上沒有異常壓痕，從而排除了異常載荷導(dǎo)致的溫度變化。

　　2.3 振動分析
　　軸承內(nèi)圈與電機定子架軸聯(lián)接，外圈裝配在定子架內(nèi)。這樣組成的軸承系統(tǒng)在運行過程中由于各種原因而產(chǎn)生的振動信號是十分復(fù)雜的，且隨機性比較強。引起軸承振動的激勵是多方面的，就軸承本身而言，產(chǎn)生激勵的原因有軸承各元件的制造誤差（尺寸和形位誤差）；裝配誤差（不對中，不平衡等）；運行過程中出現(xiàn)的各種故障（如疲勞點蝕、剝落、磨損、潤滑不良等）^[7]。
　　如表1所示，分解電機后，鋼球已經(jīng)發(fā)烏，軸承套圈滾道的潤滑油膜已經(jīng)破壞，滾道上覆蓋一層灰色粉末。滾道及鋼球表面并未發(fā)現(xiàn)由于塑性變形過大而形成的表面變形。由于運行時間較短，也沒有發(fā)現(xiàn)鋼球及滾道表面表面剝落的現(xiàn)象。本批次軸承出廠前經(jīng)過嚴格的檢測，不存在尺寸和形位的誤差。軸承滾道及端蓋軸承線包槽里殘留大量的灰色粉末，不能排除異物（如灰塵、磨損的粉塵等）侵入的可能性。
　　綜合以上分析，本批次陀螺精密電機的異常磨損極有可能是安裝不良或異物侵入導(dǎo)致的。鑒于該電機定子架與端蓋軸承線包槽內(nèi)磨損出大量的灰色粉末，粉末成分難以確認，故采集粉末試樣進行電鏡掃描分析。
　　3　電鏡掃描分析
　　能譜儀配合掃描電鏡是用來對材料微區(qū)成分元素種類及含量進行分析的，通過帶能譜分析的掃描電鏡分析，可以定量分析元素的成分。以下取有線端端蓋線包槽粉末和無線端端蓋線包槽粉末兩個試樣，通過JSM-6380LV掃描電鏡掃描試樣，EDST582能譜儀分析試樣，取兩個視場觀察（圖3、圖4）。

　　從圖3中可以看出，有線端端蓋粉末中各個元素的重量及百分比，譜圖中可以看到粉末的形貌，以及各中元素在能量峰中出現(xiàn)的位置，如Cr元素出現(xiàn)在能量峰5.2KeV與6KeV之間。
　　圖4取的是無線端端蓋粉末元素的分析結(jié)果，各個元素在能量峰中出現(xiàn)的位置與圖3大致相同。
　　綜合圖3和圖4兩個視場的觀察表明，灰色粉末中含有C、O、Si、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn等成分。該微型軸承內(nèi)外套圈及鋼球所使用的材料為不銹鋼9Cr18，其成分如表2所示。

　　而2個視場分析出來的圖譜顯示，有Ni和Cu、Zn等不屬于不銹鋼9Cr18的外來成分。陀螺電機定子架的材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，其材料洛氏硬度（HRC）僅為20左右。而不銹鋼9Cr18材料的洛氏硬度為HRC58左右。經(jīng)分析，電機定子架和電機線包槽里所磨下來的灰色粉末，應(yīng)該是電機定子架和軸承外徑相互對磨引起的。引起對磨的原因在于裝配電機時，軸承外徑與定子架之間出現(xiàn)了較大的間隙。
　　4　解決措施
　　軸承在使用過程中如果使用不當就會人為的造成軸承的精度缺陷，從而影響到軸承的正常運轉(zhuǎn)。Z常見的問題就是裝配過程中內(nèi)、外套圈的配合問題，精密電機軸承內(nèi)、外套圈的Z佳配合為動圈采用1～3μm的過盈配合，靜圈采用0～2μm的間隙配合。配合太緊，會導(dǎo)致裝配孔的誤差復(fù)映，破壞軸承的圓度；太松，會使套圈打滑，破壞套圈的正常運轉(zhuǎn)^[8]。
　　基于以上的裝配原則，對該精密電機的裝配作出以下改進：軸承內(nèi)徑與定子架空心軸是小間隙配合。應(yīng)當做專門的工裝，通過工裝均勻受力，壓住內(nèi)圈緩緩的與空心軸配合，而不應(yīng)該通過軸承的外圈凸緣通過鋼球來傳遞力。軸承外徑與定子架座是小過盈配合。在裝配時，采用加熱定子架的方法進行熱裝配。經(jīng)過以上改進，該精密電機的裝配合格率由60%提高到90%以上。
　　參考文獻：
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