某永磁直流伺服減速電機(jī)卡滯故障分析

馮 崗，柳?？?，孫 武, 巨衛(wèi)鋒，趙 軍

(1.西安微電機(jī)研究所，西安 710117; 2.陸裝駐西安地區(qū)軍代局，西安 710043)

0 引 言

電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，已廣泛應(yīng)運(yùn)于各行各業(yè)[1]。隨著電力電子技術(shù)和電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，高傳動(dòng)比、高效率的減速電機(jī)已供不應(yīng)求，其作為機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力源，已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、工農(nóng)業(yè)機(jī)械、軍用機(jī)械等各行各業(yè)[2-3]。

減速電機(jī)是減速器和電機(jī)的集成體，類型豐富多樣，在傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中應(yīng)用范圍非常廣泛。行星齒輪減速器利用齒輪傳動(dòng)將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到想要的轉(zhuǎn)速并得到較大的轉(zhuǎn)矩。它具有可在小尺寸下實(shí)現(xiàn)高減速比、傳動(dòng)效率高、精度高，且輸入輸出軸同心等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常應(yīng)用于減速電機(jī)中[4-5]。

本文針對(duì)一種永磁直流伺服減速電機(jī)在工作過(guò)程中的卡滯與噪音等現(xiàn)象，對(duì)此故障進(jìn)行詳細(xì)排查，完成故障初步定位；然后通過(guò)對(duì)故障進(jìn)行機(jī)理分析，進(jìn)一步確定故障原因?yàn)樾行切据S與支架過(guò)盈配合失效造成芯軸竄動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象；針對(duì)對(duì)這一故障原因，確定最終改進(jìn)方案。

對(duì)于過(guò)盈配合，文獻(xiàn)[6]利用Ansys軟件分析了過(guò)盈連接表面形狀誤差對(duì)接觸應(yīng)力的影響；文獻(xiàn)[7]通過(guò)建立填料盤理論模型，對(duì)其過(guò)盈量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)理論提供了有力的參考依據(jù)。為了進(jìn)一步確認(rèn)改進(jìn)方案的可行性，對(duì)改進(jìn)的方案在Ansys Workbench仿真環(huán)境中進(jìn)行有限元分析，并且制作試驗(yàn)樣件對(duì)不同過(guò)盈量所能產(chǎn)生的脫出力進(jìn)行測(cè)試。

1 故障分析過(guò)程

1.1 故障排查

圖1所示為某減速電機(jī)的整體外形，通電后處于卡死狀態(tài)，外形完好無(wú)損。

圖1

將電機(jī)從機(jī)組中拆離，通電后運(yùn)轉(zhuǎn)正常；經(jīng)過(guò)拆卸觀察，故障機(jī)組的電機(jī)側(cè)有摩擦痕跡，其余并無(wú)異常，如圖2所示。

圖2

行星減速器從機(jī)組中拆離后，轉(zhuǎn)動(dòng)輸出軸，各級(jí)齒輪均轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，并無(wú)卡滯現(xiàn)象。減速電機(jī)的太陽(yáng)輪組件中心輪端面均被電機(jī)太陽(yáng)輪鋼珠磨出球形凹坑，如圖3所示。

圖3

如圖4 所示，在故障電機(jī)的減速器中，輸出軸組件上有四根陶瓷芯軸，其中一根陶瓷芯軸疑似發(fā)生軸向竄動(dòng)，另外三根無(wú)明顯異常。

圖4

1.2 故障定位

通過(guò)上述拆解分析，初步確定發(fā)生故障的原因是減速電機(jī)的減速器部位陶瓷芯軸發(fā)生了軸向竄動(dòng)。對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的尺寸檢測(cè)，通過(guò)實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行對(duì)比，疑似發(fā)生軸向竄動(dòng)的芯軸位置尺寸如表1所示，竄動(dòng)量約1 mm。其余三根尺寸與設(shè)計(jì)值基本一致。

表1 陶瓷芯軸上端面到輸出軸端面距離尺寸對(duì)比

在圖5中，輸出軸組件端面中心處有鋼珠摩擦痕跡，而故障電機(jī)的輸出軸組件中高出的陶瓷芯軸已將前一級(jí)組件撐開(kāi)，使得太陽(yáng)輪組件的鋼珠已接觸不到支架端面。

圖5

綜上所述，可定位故障部位在輸出軸組件，在使用過(guò)程中由于承載、振動(dòng)、沖擊等原因，其中一根陶瓷芯軸發(fā)生竄動(dòng)。

2 機(jī)理分析及驗(yàn)證

2.1 機(jī)理分析

通過(guò)計(jì)算各組件軸向尺寸鏈，電機(jī)太陽(yáng)輪端面鋼珠頂端與太陽(yáng)輪組件中心輪右端面應(yīng)有0.12 mm至0.65 mm的間隙，便于各級(jí)支架組件在傳動(dòng)過(guò)程中有浮動(dòng)空間進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

當(dāng)陶瓷芯軸發(fā)生軸向竄動(dòng)時(shí)，則會(huì)依次將太陽(yáng)輪組件向電機(jī)方向推移，導(dǎo)致間隙尺寸減小，最終電機(jī)太陽(yáng)輪頂端的鋼珠將太陽(yáng)輪組件中心輪端面磨損并嵌入其中，這樣會(huì)使點(diǎn)接觸磨損變大，機(jī)組效率降低，同時(shí)噪音增大。

隨著陶瓷芯軸的不斷竄出，磨損加劇，點(diǎn)摩擦逐漸向面接觸摩擦惡化，同時(shí)支架組件完全失去自動(dòng)調(diào)整能力，最終出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

2.2 計(jì)算及驗(yàn)證

引起陶瓷芯軸發(fā)生竄動(dòng)現(xiàn)象的可能原因：

1)陶瓷芯軸與支架配合的過(guò)盈量設(shè)計(jì)不足，即過(guò)盈配合產(chǎn)生的靜摩擦力小于芯軸承受的軸向外力，導(dǎo)致陶瓷芯軸在受到軸向力時(shí)發(fā)生竄動(dòng)現(xiàn)象。

由圖6可得，當(dāng)輸出軸組件傳遞扭矩為T時(shí)，行星齒輪在公轉(zhuǎn)半徑r的圓周上會(huì)對(duì)陶瓷心軸產(chǎn)生正壓力F，可等效為陶瓷芯軸對(duì)孔產(chǎn)生的擠壓力。根據(jù)要求得輸出最大扭矩為10 Nm。求得：

圖6 行星芯軸與支架的過(guò)盈配合

(1)

當(dāng)陶瓷芯軸尺寸為φ4.982 mm，輸出軸孔為φ4.976 mm時(shí)，即最小過(guò)盈量，有

(2)

式中，A1為正壓力對(duì)應(yīng)的等效面積，A1=4.982×3=14.9 mm2；σ為許用應(yīng)力。

輸出軸的材料1Cr17Ni2彈性模量為193 GPa，陶瓷芯軸的材料復(fù)合氧化鋯陶瓷彈性模量為400 GPa。

(3)

可得ε≈0.003，式中，E為彈性模量；ε為應(yīng)變。

因此，輸出軸在傳遞10 Nm扭矩時(shí)，陶瓷芯軸擠壓孔的變形量為0.0015 mm<0.006 mm，并且陶瓷芯軸對(duì)輸出軸孔產(chǎn)生的應(yīng)力57 MPa小于輸出軸材料1Cr17Ni2的屈服強(qiáng)度450 MPa，變形過(guò)程處于材料的彈性變形階段，可以判定過(guò)盈量的設(shè)計(jì)值滿足需要。

(2)在過(guò)盈量設(shè)計(jì)值滿足使用要求的前提下，實(shí)際過(guò)盈量未達(dá)要求也會(huì)導(dǎo)致陶瓷芯軸松動(dòng)后發(fā)生竄動(dòng)現(xiàn)象。

當(dāng)變形尺寸為最小過(guò)盈量0.006 mm時(shí)，由式(3)可得到軸孔對(duì)陶瓷芯軸產(chǎn)生的抱緊應(yīng)力：

σ=ε×E=232 MPa

式中，A2為過(guò)盈配合面積,A2=π×4.982×3 mm2。

最終陶瓷芯軸出現(xiàn)竄動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力為

f=μ·F

(4)

式中，f為摩擦力系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)，取0.1；F為抱緊力。

f=1088.8 N

對(duì)故障機(jī)組的輸出軸組件進(jìn)行壓力測(cè)試，如圖7所示。

圖7 故障機(jī)組壓力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為未發(fā)生竄動(dòng)的三根陶瓷芯軸最大靜摩擦力分別為1080 N、950 N及570 N，而出現(xiàn)竄動(dòng)現(xiàn)象的陶瓷芯軸，僅需要157 N壓力便會(huì)發(fā)生竄動(dòng)。

有限元分析(FEA)利用數(shù)學(xué)和近似方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的形狀，是一種應(yīng)用廣泛且使用高效的數(shù)值分析方法[8-9]。

為對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，本文對(duì)行星芯軸與支架的過(guò)盈配合建立有限元模型，利用ANSYS仿真軟件對(duì)竄動(dòng)軸進(jìn)行有限元分析，如圖8所示。

圖8

在施加推出力為157 N，過(guò)盈量為0.0005 mm時(shí)，陶瓷芯軸將會(huì)發(fā)生微小竄動(dòng)，與試驗(yàn)結(jié)果一致。可以說(shuō)明實(shí)際過(guò)盈量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足設(shè)計(jì)值。

圖9

由此可見(jiàn)，由于孔加工時(shí)的檢測(cè)方式為塞規(guī)檢測(cè)，當(dāng)孔表面粗糙度較差時(shí)，雖然塞規(guī)檢測(cè)的孔為合格，但此時(shí)檢測(cè)到的尺寸為虛尺寸，與陶瓷芯軸過(guò)盈壓配后，實(shí)際有效過(guò)盈面積不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，存在“虛過(guò)盈”現(xiàn)象。

3 改進(jìn)措施與試驗(yàn)驗(yàn)證

過(guò)盈連接一般采用冷壓裝或熱壓裝將兩個(gè)接觸面裝配到一起。在接觸面上會(huì)產(chǎn)生很大的徑向力，在過(guò)盈連接承受軸向力和扭矩時(shí)，接觸區(qū)域?qū)a(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力與力矩來(lái)抵御外部施加的力和力矩[10-11]。

通過(guò)利用ANSYS Workbench對(duì)上述調(diào)整后過(guò)盈量能夠產(chǎn)生的脫出力進(jìn)行了仿真分析。如圖10所示，當(dāng)過(guò)盈量0.014 mm，應(yīng)力分布如下，脫出力為2300 N。

圖10

同時(shí)，制作試驗(yàn)樣件對(duì)不同過(guò)盈量情況下的脫出力進(jìn)行了測(cè)試，具體步驟如下：

(1) 在試驗(yàn)樣件上加工九個(gè)孔，加工過(guò)程中使用調(diào)整后的新塞規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，粗糙度靠粗糙度比對(duì)板來(lái)保證；

(2) 用三坐標(biāo)計(jì)量各孔尺寸，并將測(cè)量數(shù)據(jù)排序，同時(shí)選取8根陶瓷芯軸進(jìn)行計(jì)量，根據(jù)計(jì)量結(jié)果將過(guò)盈量由小到大的排布，將孔軸一一對(duì)應(yīng)；

(3)先將試驗(yàn)樣件加熱至200℃，再用專用工裝將陶瓷芯軸熱壓入孔內(nèi),如圖11所示，壓力測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖11

表2 壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)壓力測(cè)試結(jié)果，通過(guò)與故障機(jī)組未竄動(dòng)陶瓷芯軸所測(cè)壓力值對(duì)比，此方案很大程度增加了陶瓷芯軸過(guò)盈配合產(chǎn)生的最大靜摩擦力，充分提高了產(chǎn)品的可靠性。

而且，實(shí)測(cè)壓力值與仿真值一致性比較好，對(duì)比情況見(jiàn)表3。在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可提前對(duì)零部件的過(guò)盈配合通過(guò)Ansys Workbench等仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

表3 仿真與實(shí)測(cè)壓力值對(duì)比

從上述2.1驗(yàn)證結(jié)果可知，當(dāng)實(shí)際過(guò)盈量能夠產(chǎn)生570 N的靜摩擦力，則可滿足使用要求。為了保證產(chǎn)品可靠性，將壓力參考值定為800 N。對(duì)改進(jìn)后加工完成的輸出軸組件進(jìn)行壓力檢測(cè)，均合格，同時(shí)利用Ansys Workbench對(duì)行星芯軸和與之配合的支架孔進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖12所示。

圖12 施加800 N時(shí)的應(yīng)力分布以應(yīng)變圖

當(dāng)施加壓力值為800 N時(shí)，不脫出所需過(guò)盈量為0.0012 mm，因陶瓷芯軸與不銹鋼支架材料的熱膨脹系數(shù)有較大差異，工作過(guò)程中發(fā)熱導(dǎo)致的內(nèi)孔膨脹變形會(huì)影響有效過(guò)盈量，再綜合考慮加工后內(nèi)孔圓柱度、粗糙度等因素，為留有足夠的安全裕度，將最小過(guò)盈量設(shè)計(jì)為0.01 mm。由圖12所示的應(yīng)力分布及應(yīng)變圖可知，800 N的壓力值不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成影響和隱患。

為了盡可能模擬此減速電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)和沖擊環(huán)境，對(duì)改進(jìn)后的行星減速電機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)示意圖如圖13和圖14所示。

圖13 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖14 振動(dòng)試驗(yàn)

完成振動(dòng)沖擊試驗(yàn)后，對(duì)減速電機(jī)各項(xiàng)性能進(jìn)行復(fù)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果均為合格，滿足使用要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了此改進(jìn)措施有效可行。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)行星芯軸與支架的過(guò)盈配合是否可靠對(duì)于行星減速電機(jī)尤為重要。過(guò)盈量設(shè)計(jì)不足或由于加工后內(nèi)孔的表面質(zhì)量差造成裝配后的“虛過(guò)盈”現(xiàn)象，均可能會(huì)造成減速電機(jī)因芯軸發(fā)生松動(dòng)而出現(xiàn)故障。

(2)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)所選配合材料的類型，結(jié)合零件加工、裝配工藝及使用溫度等情況，進(jìn)行合理的過(guò)盈量設(shè)計(jì)。

(3)利用ANSYS仿真分析和樣件壓力測(cè)試的結(jié)果一致性較好。通過(guò)模擬工作實(shí)際情況的振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，證明產(chǎn)品可靠性得到了極大改善，對(duì)今后的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。