保持架运转稳定性试验及评价准则研究

柴灵芝，赵 雁，潘钢锋，马金芝，郑向凯，赵正鹏

（1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471000；2.北京控制工程研究所，北京 100088）

航天器控制系统、卫星执行机构、有效载荷等转子系统中，常采用成对预紧的角接触球轴承。而轴承保持架运转不稳定会加剧摩擦磨损，引起润滑性能下降，导致力矩波动，造成姿态、轨道控制等系统的精度下降，甚至出现故障。

自20世纪60年代以来，轴承保持架的稳定性问题引起了国内外学者的关注。KINGSBURY[1]通过试验发现了仪表球轴承保持架运动与力矩波动的关系，认为球与保持架的摩擦引起了保持架的涡动，保持架的不稳定涡动导致了力矩波动和啸叫声。KANNEL[2]和GUPTA[3-5]等学者关于保持架运转稳定性的研究主要集中在动力学仿真分析方面，通过建立轴承动力学仿真模型，分析摩擦、润滑、工况、几何参数等对保持架运转稳定性的影响，得出了提高保持架的运转稳定性、减小摩擦力矩波动的措施。GHAISAS等[6]以保持架质心运动速度偏差比作为保持架稳定性的判断依据，认为速度偏差比反映了保持架质心运动速度的离散程度，偏差比越小对应的保持架质心轨迹越圆。随着传感器技术的发展，越来越多的学者开始利用速度传感器、位移传感器测量保持架的运动，分析了保持架涡动形状、涡动频率与润滑、工况等参数的关系，提出了保持架涡动的模型[7-9]，并研究了载荷、转速及保持架偏心质量对保持架质心运动的影响[10-13]。

目前，关于保持架运转稳定性的研究主要集中在质心运动测试及稳定性评价方面，但因影响保持架运转稳定性的因素较多（主要包括摩擦、几何、润滑、工况、保持架结构等），不同因素之间又相互耦合，使得保持架的运动极为复杂。因此，关于保持架运转稳定性的判断方面，尚无统一判据，无法建立保持架运转稳定性与轴承力矩波动的关联关系。鉴于此，本文基于高速摄像系统，通过拍摄保持架质心运转轨迹，建立保持架质心运转轨迹与轴承力矩波动的内在联系，并根据质心轨迹测试结果，探索一种保持架运转稳定性的评价准则。

1 试验对象

以某型号角接触球轴承为例，在不同转速下监测轴承动态摩擦力矩变化，同时测试保持架质心运转轨迹。轴承基本结构参数见表1。

表1 角接触球轴承基本结构参数

2 试验对象

采用驱动设备连接电机驱动轴承运转，通过驱动设备采集并监测电机运转电流反映轴承摩擦力矩大小及变化，同时采用安装于轴承正上方的高速摄像机对运转轴承进行拍摄，使用3D轨迹跟踪软件TEMA Motion对保持架、轴承旋转套圈标记点进行追踪，采用后处理程序对标记点运转数据进行处理，得到保持架质心运转轨迹。驱动设备参数见表2，高速摄像机参数见表3。

表2 驱动设备参数

表3 高速摄像机参数

3 试验结果

3.1 900 r/min试验结果

900 r/min转速下测试轴承电流波动情况如图1所示，由图1可知：轴承运转过程中，电流分为稳态和瞬时凸跳2个阶段。电流测试过程中，同时分别测试电流稳态时和凸跳瞬时的质心轨迹与质心位移，测试结果如图2、图3所示。

图1 900 r/min电流测试情况

图2 900 r/min电流稳态时的质心结果

图3 900 r/min电流凸跳瞬时的质心测试结果

3.2 2 000 r/min试验结果

2 000 r/min转速下测试轴承电流波动情况如图4所示，图5（a）、（b）分别为电流稳态时的质心运转轨迹图及质心运转位移随时间变化趋势图；图6（a）、（b）分别为电流凸跳瞬时的质心运转轨迹图及质心运转位移随时间变化趋势图。

图4 2 000 r/min电流测试情况

图5 2 000 r/min电流稳态时的质心测试结果

图6 2 000 r/min电流凸跳瞬时的质心测试结果

3.3 4 000 r/min试验结果

4 000 r/min转速下测试轴承电流波动情况如图7所示，质心轨迹测试结果如图8、图9所示，其中图8（a）、（b）分别为电流稳态时的质心运转轨迹图及质心运转位移随时间变化趋势图；图9（a）、（b）分别为电流凸跳瞬时的质心运转轨迹图及质心运转位移随时间变化趋势图。

图7 4 000 r/min电流测试情况

图8 4 000 r/min电流稳态时的质心测试结果

图9 4 000 r/min电流凸跳瞬时的质心测试结果

3.4 6 000 r/min试验结果

6 000r/min转速下测试轴承电流波动情况如图10所示，轴承运转过程中电流稳定，只有稳态一个阶段。保持架质心运转轨迹测试结果如图11所示，其中图11（a）、（b）分别为质心运转轨迹图及质心运转位移随时间变化趋势图。

图10 6 000 r/min电流测试情况

图11 6 000 r/min电流波动瞬时的质心测试结果

4 保持架运转稳定性评价准则

4.1 定性判断

根据保持架质心运转轨迹形状可以初步判断其稳定性，根据图1~11可知：

（1）在6 000 r/min转速下，轴承运转电流稳定，保持架质心运转轨迹呈近似圆形，保持架质心位移随时间变化规律，说明保持架为稳定涡动状态，保持架运转稳定。

（2）在900 r/min、2 000 r/min、4 000 r/min转速下，轴承运转电流出现频繁波动现象，整个电流测试过程中，包含电流稳定及瞬时凸跳2个阶段。当电流稳定时，保持架质心位移随时间变化相对规律，保持架质心运转轨迹近似椭圆，与6 000 r/min转速下相比，保持架运转稳定性有所减弱；当电流凸跳时，保持架质心位移随时间变化规律性变差，位移峰值出现较大的波动，且电流波动瞬间，保持架质心位移出现一处明显偏移，而保持架质心运转轨迹为不规则的紊乱形态，说明保持架运转稳定性有所减弱。

4.2 定量判断

由保持架质心轨迹形状及质心轨迹对时间变化的规律性，仅能判定在6 000 r/min转速下，保持架运转相对稳定，转速降低，稳定性有所减弱，无法建立保持架质心运动与轴承力矩波动的内在联系。为此，本文引进波动比这一参数来定量判断各转速下的保持架运转稳定性，保持架质心运转位移波动比定义为保持架运转位移峰值的波动范围与平均运转半径之比，由公式（1）计算，计算结果见表4。

表4 各转速下波动比

由表4可知：6 000 r/min转速下保持架质心位移波动比较小，说明在该转速下保持架运转稳定性较好；随着转速降低，波动比明显增大，且在4 000 r/min、2 000 r/min、900 r/min转速下，电流凸跳时的波动比与稳态相比较大，与6 000 r/min转速下的波动比相比，明显高出约30~80倍，说明随着转速降低，保持架运转稳定性明显变差。因此，保持架质心位移波动比数值与轴承摩擦力矩波动存在对应关系，波动比越大，摩擦力矩波动越大。

5 结论

本文基于高速摄像系统，对轴承保持架质心轨迹进行拍摄，对不同转速下的保持架质心轨迹进行分析，提出了一种保持架运转稳定性的判定方法，该方法同时可建立保持架运转稳定性与力矩波动的内在联系。研究结果表明如下。

（1）通过保持架质心运转位移随时间变化的规律性和质心轨迹的规则性，可以初步定性判定保持架的运转稳定性。当保持架质心运转位移随时间变化相对规律时或质心轨迹呈规则的圆形形状时，保持架运转相对稳定；反之，当保持架质心运转位移随时间变化的规律性变差时或质心轨迹形状趋于紊乱时，保持架运转稳定性有所下降。

（2）轴承力矩凸跳是由保持架质心轨迹波动引起的。当电流凸跳时，保持架质心位移峰值出现明显偏移，质心运转轨迹为不规则的紊乱形态。

（3）保持架质心运转位移波动比这一定量指标可以有效反应其运转稳定性，波动比越小，保持架运转越稳定，同时轴承力矩波动越小；反之，波动比越大，保持架运转稳定性越差，轴承力矩波动越大，出现凸跳越明显。