高低溫下不同材料引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸承卡滯問題研究

肖淵海,方曉強(qiáng),嚴(yán) 亮,張煒卓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海 200233)

0 引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成角位移的執(zhí)行元件,其組成的系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便﹑成本低,因而被廣泛應(yīng)用于要求較高分辨率的開環(huán)定位系統(tǒng)[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高可靠性、低能耗和輕量化等提出了越來越高的要求[2]。為了滿足輕量化的設(shè)計(jì)要求,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼及端蓋常采用硬質(zhì)鋁合金等輕質(zhì)材料代替結(jié)構(gòu)鋼材料,并在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況下來達(dá)到減輕電機(jī)總質(zhì)量的目的。然而,在高低溫工況下,機(jī)殼和端蓋采用硬質(zhì)鋁合金材料的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)軸承卡滯問題。文獻(xiàn)[3]介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪導(dǎo)向軸承安裝過程出現(xiàn)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯的現(xiàn)象,并從裝配和加工制造等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析探討,最后解決了軸承安裝卡滯的問題。文獻(xiàn)[4] 調(diào)研了鐵路客車塞拉門攜門架軸承卡滯問題,并通過實(shí)驗(yàn)分析該問題,發(fā)現(xiàn)了問題的原因,并提出整改方案,有效地排除了塞拉門的故障。文獻(xiàn)[5]通過深入分析,發(fā)現(xiàn)了造成電樞卡死、輪對(duì)卡滯問題的原因,即鐵路機(jī)務(wù)段電力機(jī)車實(shí)驗(yàn)與運(yùn)行時(shí)電機(jī)竄油,以及電動(dòng)機(jī)電樞軸承負(fù)荷太大,并提出了相應(yīng)的解決方案,確保了牽引電機(jī)運(yùn)用的安全性和可靠性。

本文采用有限元分析軟件ANSYS Workbench,分別在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下對(duì)機(jī)殼和端蓋采用不同材料的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真分析,分析高低溫下由材料不同引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)軸承卡滯問題的主要原因,并提出了改進(jìn)措施。

1 有限元仿真分析

1.1 仿真模型的建立

本文研究高低溫下由機(jī)殼和端蓋采用不同材料,引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)軸承卡滯問題的主要原因,因此電機(jī)主要的不同之處在于定子部分。本文以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子作為研究對(duì)象,同時(shí)為了提高有限元網(wǎng)格的劃分效率及有限元仿真分析的計(jì)算效率,將定子中的繞組等非結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。根據(jù)定子的安裝固定方式和實(shí)際工況,將定子機(jī)殼法蘭面的安裝孔進(jìn)行軸向位移固定,對(duì)所有零件分別加載95 ℃和-60 ℃的溫度載荷,機(jī)殼和端蓋分別設(shè)置硬質(zhì)鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼材料,其余零件設(shè)置結(jié)構(gòu)鋼材料,具體的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

1.2 有限元結(jié)果與討論

在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下,分別對(duì)機(jī)殼和端蓋設(shè)置硬質(zhì)鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼材料的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析,定子軸承檔處的軸向位移云圖和徑向位移云圖分別如圖2～圖5所示。

圖2 95 ℃下機(jī)殼端蓋為鋁合金時(shí)軸承檔位移云圖

圖3 95 ℃下機(jī)殼端蓋為結(jié)構(gòu)鋼時(shí)軸承檔位移云圖

圖4 -60 ℃下機(jī)殼端蓋為鋁合金時(shí)軸承檔位移云圖

圖5 -60 ℃下機(jī)殼端蓋為結(jié)構(gòu)鋼時(shí)軸承檔位移云圖

在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下,機(jī)殼和端蓋分別設(shè)置硬質(zhì)鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼時(shí),定子軸承檔的最大軸向位移和最大徑向位移如表1所示。

表1 高低溫下軸承檔的軸向位移和徑向位移

由圖2～圖5及表1可知,在高低溫下,由于機(jī)殼和端蓋采用不同材料(主要是材料的熱膨脹系數(shù)不同,硬質(zhì)鋁合金的熱膨脹系數(shù)為2.3×10-5K-1,結(jié)構(gòu)鋼的熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5K-1),引起了軸承檔的軸向位移和徑向位移產(chǎn)生了差值。在高溫95 ℃下,軸承檔的軸向位移和徑向位移差值δ分別為0.014 mm和0.006 9 mm;在低溫-60 ℃下,軸承檔的軸向位移和徑向位移差值δ分別為0.016 mm和0.007 8 mm。而在此高低溫下,由于機(jī)殼和端蓋采用硬質(zhì)鋁合金后引起的軸承檔軸向位移和徑向位移差值δ將直接作用于左右兩端軸承的外徑,進(jìn)而減小了軸承的軸向游隙和徑向游隙,最終導(dǎo)致軸承出現(xiàn)了卡滯問題。為此,本文提出將定子軸承檔與軸承的配合間隙和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子的軸向間隙在原有的基礎(chǔ)上分別增加了0.008 mm和0.017 mm,以抵消由材料不同引起軸承檔的軸向位移和徑向位移差值,進(jìn)而避免軸承出現(xiàn)卡滯的問題。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文隨機(jī)抽取了一臺(tái)故障電機(jī),將其定、轉(zhuǎn)子拆開并用汽油清洗干凈,把定子軸承檔內(nèi)孔車掉0.008 mm,轉(zhuǎn)軸兩端軸承檔端面各車掉0.017 mm,再將定、轉(zhuǎn)子裝配起來,分別放置于溫度為95 ℃和-60 ℃的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行通電實(shí)驗(yàn)跑合,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由且平穩(wěn)、無卡滯現(xiàn)象。由此說明,本文的改進(jìn)措施是可行的,對(duì)類似步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié) 語

本文基于有限元分析平臺(tái)ANSYS Workbench,在高溫95 ℃和低溫-60 ℃下,分別對(duì)機(jī)殼和端蓋采用不同材料的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真分析。得到如下結(jié)論:

1)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)了高低溫下由材料不同引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)軸承卡滯問題的主要原因,即:在高低溫下,由于機(jī)殼和端蓋采用不同材料(主要是熱膨脹系數(shù)不同)引起了軸承檔的軸向位移和徑向位移產(chǎn)生了差值,而差值δ將直接作用于左右兩端軸承的外徑,進(jìn)而減小了軸承的軸向游隙和徑向游隙甚至吃掉,最終導(dǎo)致軸承出現(xiàn)了卡滯問題。

2)針對(duì)高低溫下由材料不同引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)軸承卡滯問題,提出了改進(jìn)措施,即通過將定子軸承檔與軸承的配合間隙和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子的軸向間隙在原有的基礎(chǔ)上分別增加了0.008 mm和0.017 mm,以抵消由材料不同引起軸承檔的軸向位移和徑向位移差值。

3)本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可行性,避免了高低溫下由材料不同引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)軸承卡滯的問題,為類似步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有利參考。