崔 硯,侯 建,王長峰,周 曦,焦春波,張福禮
(北京航天控制儀器研究所,北京 100039)
半球動壓軸承電機在裝配過程中,電機軸與兩端螺母鎖緊配合。鎖緊力過小,陀螺電機在測試過程中,配合零件易發(fā)生松動,會引起軸向間隙變化,質(zhì)心不穩(wěn)定[1-2];鎖緊力過大,會造成電機軸承微變形,導(dǎo)致電機軸承間隙變化及性能參數(shù)變化,影響電機的精度穩(wěn)定性和可靠性[3-4]。
本文對半球動壓軸承電機兩端螺母的鎖緊力矩控制進行研究,通過電機裝配預(yù)緊力仿真計算,結(jié)合電機裝配驗證試驗,對螺母鎖緊力矩進行量化控制,并對試驗數(shù)據(jù)進行分析研究,解決了半球動壓軸承電機裝配過程中的瓶頸問題,使電機自身的可靠性和穩(wěn)定性大幅提高。
半球動壓電機(見圖1)定子部分由軸系兩端用鎖緊螺母鎖緊左右兩端半球,保證電機軸系的質(zhì)心穩(wěn)定性,同時在氣膜支承作用下,在一定程度上保證轉(zhuǎn)子的質(zhì)心穩(wěn)定性。因此,螺母鎖緊力矩的大小對電機質(zhì)心的穩(wěn)定性起著重要的作用[5-6]。目前,電機兩端螺母的鎖緊力矩是由裝配人員根據(jù)經(jīng)驗及手勁的大小控制,擰緊力矩分散性較大。
圖1 半球動壓電機局部示意圖
若螺母鎖緊力矩過?。?)可能會導(dǎo)致電機在長期固定位置放置或通電后,存在精度穩(wěn)定性問題[7];2)在過載條件下,軸承負載增加,會增大半球與軸肩端面間沿負載方向的作用力,導(dǎo)致振動精度超差等問題[8]。
若螺母鎖緊力矩過大:1)會導(dǎo)致電機軸、半球產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,會增加應(yīng)力釋放、平衡的時間,同樣不利于電機的穩(wěn)定性[9-10];2)會增大電機半球球面的變形量,降低軸承的壽命和可靠性。
因此,生產(chǎn)過程中需要通過電機精密裝配鎖緊力矩試驗,結(jié)合鎖緊力矩仿真,確定合理的擰緊力矩值,提高動壓電機自身可靠性和精度穩(wěn)定性。
電機在工作狀態(tài)時,定子部分的軸與螺母鎖緊配合(見圖2)。在過載條件下,軸承負載增加,會增大半球與軸肩端面間沿負載方向的作用力。過載20 g所需的最小預(yù)緊力:按過載20 g計算,則沿負載方向的作用力為:F=20×9.8×60g=11.76(N);半球與軸肩端面間的摩擦因數(shù)按0.15計算,則所需的最小預(yù)緊力為:F0=F/2μ=39.2 (N)。
應(yīng)用ABAQUS仿真軟件,對電機在不同鎖緊力矩下的應(yīng)力及變形情況進行仿真。根據(jù)應(yīng)力大小及分布情況,應(yīng)力主要集中在徑向安裝面與軸向安裝面交接部位(見圖3),軸、半球的應(yīng)力仿真結(jié)果見表1,當(dāng)鎖緊力矩>60 N·cm時,應(yīng)力達到58.75 MPa,考慮到軸材料的微屈服強度為50~60 MPa,電機的鎖緊力矩應(yīng)控制在50 N·cm以下。當(dāng)螺母鎖緊力矩為10 N·cm時,對應(yīng)預(yù)緊力為61.25 N,即可滿足預(yù)緊力大于過載20 g所需的最小預(yù)緊力(39.2 N),螺母的鎖緊力矩控制范圍為10~50 N·cm。
圖2 軸與螺母的鎖緊配合示意圖
圖3 電機在鎖緊力矩作用下的應(yīng)力仿真結(jié)果
表1 軸、半球的應(yīng)力仿真結(jié)果
應(yīng)用ABAQUS仿真軟件,對電機在不同鎖緊力矩下電機的軸和半球變形情況進行仿真。電機軸的變形主要集中在軸端部位,半球的變形主要集中在半球中間區(qū)域至靠近大端面部位(見圖4),半球大端面、中間截面、小端面處變形量不同,小端面處變形最小,靠近大端面最大,同時鎖緊力矩越大,半球的變形量越大。
圖4 電機在鎖緊力矩作用下的變形仿真結(jié)果
電機的軸和半球變形仿真結(jié)果見表2。當(dāng)鎖緊力矩為30 N·cm時,變形量達到0.13 μm;當(dāng)鎖緊力矩為40 N·cm時,變形量達到0.2 μm;當(dāng)鎖緊力矩為50 N·cm時,變形量達到0.21 μm;當(dāng)鎖緊力矩達到60 N·cm時,變形量達到0.25 μm;當(dāng)鎖緊力矩達到80 N·cm時,變形量達到0.33 μm,動壓電機軸承間隙為1~2 μm,半球零件的圓度通常約為軸承間隙的1/10,半球徑向變形越大,對軸承間隙影響越大,從而影響電機的自身可靠性,因此為減小半球的變形,鎖緊力矩應(yīng)盡量小,可控制在40 N·cm以下,半球變形量0.2 μm以下。綜上考慮,經(jīng)過仿真,螺母的鎖緊力矩控制范圍為10~40 N·cm,生產(chǎn)中為保證產(chǎn)品一致性,可以確定為20~30 N·cm。
表2 軸、半球的變形仿真結(jié)果
結(jié)合應(yīng)力及變形的仿真結(jié)果,使用力矩扳手,對電機鎖緊力矩進行量化控制,共裝配8個電機,鎖緊力矩控制分別為5、10、20、30、40、50、60和70 N·cm,并跟蹤電機在振動試驗和溫循試驗中的性能檢測。振動試驗結(jié)果見表3,可以看出鎖緊力矩為5 N·cm時,電機SY01在振動試驗過程中電流變化較大,為32 mA,其余電機在振動試驗過程中電流變化較小,變化量為2~4 mA,從振動試驗結(jié)果來看,鎖緊力矩為10~70 N·cm時電機性能較為穩(wěn)定,螺母未發(fā)生松動。溫循試驗結(jié)果見表4。電機SY01在溫循試驗前和試驗后,動不平衡質(zhì)量分別變化0.02和0.03 mg,電機SY08在溫循試驗前和試驗后,動不平衡質(zhì)量分別變化0.01和0.01 mg,其余6個電機在溫循試驗前和試驗后動不平衡質(zhì)量基本不變,從溫循試驗結(jié)果來看,當(dāng)鎖緊力矩為10~60 N·cm時電機性能較為穩(wěn)定。生產(chǎn)中為提高電機軸承可靠性和精度穩(wěn)定性,確保電機產(chǎn)品一致性,可以將螺母鎖緊力矩確定為20~30 N·cm。
表3 振動試驗過程中電流變化情況
表4 溫循試驗過程中動不平衡質(zhì)量變化情況
通過電機裝配預(yù)緊力的仿真計算,結(jié)合電機裝配驗證試驗,對裝配過程中的螺母鎖緊力矩進行量化控制。為提高電機軸承的可靠性和精度穩(wěn)定性,確保產(chǎn)品一致性,可以將螺母鎖緊力矩確定為20~30 N·cm。目前,該研究成果已應(yīng)用到生產(chǎn)中,解決了動壓電機量化控制難題,使半球動壓軸承陀螺電機自身的可靠性和穩(wěn)定性大幅提高,同時為同類產(chǎn)品精密裝配提供了參考和借鑒。