航天轴承在较高温度下摩擦力矩特性的试验研究

2008年3月第33卷第3期润滑与密封LUBR I CATI O N ENGI N EER I N GMar 12008Vol 133No 133基金项目:国家“十五”重大科技攻关项目(MKPT 22004251Z D )1收稿日期:2007-09-11作者简介:徐志栋,男,硕士研究生1E 2mail:yasea3@1631co m 1航天轴承在较高温度下摩擦力矩特性的试验研究3徐志栋1　杨伯原1　李建华2　任海东1(1.河南科技大学机电工程学院　河南洛阳471003;2.洛阳轴承研究所　河南洛阳471039)摘要:摩擦力矩的大小和波动性是影响航天轴承性能和精度的主要因素。

为了改进设计以提高轴承的性能,用改进后的轴承摩擦力矩特性试验台对某型号动量轮轴承在较高温度时的摩擦力矩特性进行试验研究,探讨了轴向载荷、温度和保持架类型对轴承摩擦力矩特性的影响。

结果表明,圆兜孔保持架轴承的摩擦力矩基本上与轴向载荷成正比,而在较高温度条件下,摩擦力矩波动小,曲线有规律变化。

当轴向载荷增大,温度升高时,方兜孔保持架轴承的摩擦力矩波动较大。

关键词:航天轴承;圆兜孔保持架;高温;摩擦力矩特性中图分类号:T H11711　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2008)3-066-3Experi m ent a l Research on Fri cti on Torque Characteristi csof Aerospace Beari n gs i n Rel a ti ve H i gh Te m pera tureXu Zhidong 1　Yang Boyuan 1　L i J ianhua 2　Ren Haidong1(1.Electr omechanical Engineering College,Henan University of Science and Technol ogy,Luoyang Henan 471003,China;2.Luoyang Bearing Research I nstitute,Luoyang Henan 471039,China )Abstract:The value of fricti on torque and its fluctuation p r operty are main factors which influence the perfor mance andp recision of aer os pace bearings .I n order to increase designing level and i mp r ove bearing perfor mance,the friction torque characteristics of a certain rection wheel bearing in relative high temperature were studied by using an i mp r oved test rig for friction t orque characteristics of bearings .The influence of the axial load,the temperature and the ty pe of bearing cage on friction t orque characteristics of bearings was discussed .The results show that the round hole cage bearings has good s peed 2friction t orque characteristics,its friction torque is p roportional with the axial load,which has s mall fluctuati on in reletive high temperature .W hen the axial load increases and the temperature rises,the fricti on torque of square hole cage bearings is mutable .Keywords:aer ospace bearing;round hole cage;high temperature;friction t orque characteristics　航天器姿态控制部件如动量轮需要在零到几千转的范围内运转,而很多时候这个部件是由角接触轴承来支撑的。

摩擦力矩的大小和波动性是影响航天轴承性能和精度的主要因素[1]。

航天轴承的工作条件极为恶劣,摩擦力矩的变化有多种原因,为了改进设计以提高轴承的性能,对轴承的摩擦力矩特性在模拟工况条件下进行试验研究是十分必要的。

目前国内外研制有多种型号的轴承摩擦力矩测量仪。

例如M9908轴承摩擦力矩测量仪、P M9906摩擦力矩测量仪、BRG2000摩擦力矩测量仪[2]。

但是,这些型号的轴承摩擦力矩测量仪均不能测试轴承在较高温度时的摩擦力矩特性。

本文作者采用改进的轴承摩擦力矩特性试验台[3]对某型号轴承在较高温度时的摩擦力矩特性进行试验研究。

1　试验装置及测试方法图1　试验台Fig 1　Test rig采用改进后的轴承摩擦力矩特性试验台(见图1)进行测试。

改进后的试验台增加了加热罩、隔热板、热电偶和温控仪,隔热板用来确保传感器不产生温度漂移。

改进后的试验台主要包括电机驱动控制系统、温度测量控制系统、加载系统和数据采集与处理系统4个部分。

用电机驱动器控制转速,热电偶测量温度信号输出到温控仪调节控制温度,加载系统控制轴向载荷,数据采集与处理系统对采集到的摩擦力矩信号处理后输出到计算机显示。

被测试轴承安装在主轴轴端的轴承室内,利用力平衡法原理测量摩擦力矩。

被测试轴承外圈随主轴转动,带动内圈转动,与内圈紧配合的心轴上的止动块通过杠杆传递摩擦力矩信号到传感器,经过数字电路处理后输出到计算机显示器。

测试用某型号动量轮角接触轴承的尺寸为42mm×60mm×12mm。

保持架分为圆兜孔和方兜孔2种型号。

对圆兜孔和方兜孔保持架轴承,在不同载荷和不同温度的模拟工况条件下进行测试。

试验的主要工况参数为:工作温度,常温(19,24℃),40,55,65℃;工作转速300～6000r/min;轴向载荷40,58, 81,109,143N。

对于圆兜孔保持架轴承,在40N的轴向载荷和4800r/m in的转速条件下跑合200h后进行测试。

由于方兜孔保持架轴承在较高温度时的摩擦力矩特性呈现相对不稳定性,为了真实反映试验结果,其试验过程分为2个阶段。

第1阶段是在方兜孔保持架轴承跑合200h后进行,第2阶段是在间隔大约一个月后再次进行测试。

分别以方兜孔轴承1和方兜孔轴承2表示2个不同阶段的方兜孔保持架轴承的速度2摩擦力矩特性曲线。

在试验过程中每组数据测试3次,只有3次测得的数据值的误差在一定范围内的数据才会被采用。

试验前,轴承要在常温条件下以2000r/m in的速度跑合5m in,使得润滑油均匀分布于轴承内。

然后在加载一定的轴向载荷条件下,用温控仪设置控制温度,当温度稳定在设定值时,用电机驱动器调节轴承的转速,在300～6000r/m in的范围内测试轴承的摩擦力矩。

2　试验结果与分析211　轴向载荷对轴承摩擦力矩的影响图2为不同轴向载荷条件下圆兜孔保持架轴承的速度2摩擦力矩特性曲线。

从图2可以看出,对于圆兜孔保持架轴承,其速度2摩擦力矩特性曲线表现得很有规律。

在不同的轴向载荷条件下,当轴承转速较低,没有形成弹流油膜时,摩擦力矩值随着转速的提高而增大。

在较高的转速,形成弹流油膜后,摩擦力矩值急剧下降,表现出良好的速度2摩擦力矩特性。

随着转速的进一步提高,转速对摩擦力矩的影响增大,摩擦力矩值小幅增加。

轴向载荷与轴承的摩擦力矩基本成正比关系[4]。

而且在1500 r/m in时形成的摩擦力矩峰值基本与轴向载荷的大小成正比,在轴向载荷增加到一定值时,摩擦力矩值的增加较小,说明轴承转速与摩擦力矩并不是简单的线性关系。

图2　不同轴向载荷条件下圆兜孔保持架轴承速度2摩擦力矩特性曲线(跑合200h,55℃) Fig2　S peed2fricti on t orque characteristic curve f or r ound hole cagebearings in different axial l oad(running2in200h,55℃)图3为不同轴向载荷条件下方兜孔保持架轴承1、2的速度2摩擦力矩特性曲线。

从图3可以看出,在一定范围内,方兜孔保持架轴承的摩擦力矩与轴向载荷也大致成正比。

润滑油量过多或者过少,都会使得轴承的摩擦力矩值增大。

在测试的第1阶段,轴承中含有的润滑油量较多,过多的润滑油量以及钢球与方兜孔之间剧烈的碰撞,使得转速提高时,轴承的摩擦力矩值几乎是直线上升。

而在测试的第2阶段,由于测试过程中润滑油量的损失,轴承中含有的润滑油量减少,再加钢球与方兜孔保持架之间的磨合,使轴承的摩擦力矩值整体有所下降。

图3　不同轴向载荷条件下方兜孔保持架轴承速度2摩擦力矩特性曲线(跑合200h,55℃)Fig3　S peed2fricti on t orque characteristics curve f or square hole cage bearings in different axial l oad(running2in200h,55℃) 212　温度对轴承摩擦力力矩特性的影响温度变化将对轴承的润滑状态及轴承内部各组件的间隙产生影响,以致引起轴承摩擦力矩的变化。

当轴承的各部分材料有相同的膨胀系数时,随着温度的升高,轴承各组件间的间隙变大。

一般来说,在一定范围内,轴承的摩擦力矩值随着游隙的增大而减小[1]。

但是在试验过程中,由于滚动体高速公转而且自转,其温升很快,使得滚动体有较大的热膨胀,减小了轴承的游隙。

因此,轴承游隙的减小或增大取决于具体的工况条件。

同时,由于温度升高时润滑油的762008年第3期徐志栋等:航天轴承在较高温度下摩擦力矩特性的试验研究粘度降低,使得轴承的摩擦力矩值增大。

两方面综合作用的结果,使得温度升高时,轴承的摩擦力矩值并不一定随之增大,而是在一定范围内波动。

图4　不同温度条件下圆兜孔保持架轴承速度2摩擦力矩特性曲线(p =81N,跑合200h )　Fig 4　Speed 2fricti on t orque characteristics curve f or roundhole cage bearings (p =81N,running 2in 200h) 图5　不同温度条件下方兜孔保持架轴承速度2摩擦力矩特性曲线(p =81N,跑合200h ) Fig 5　S peed 2fricti on t orque characteristics curve f or s quare h ole cage bear 2ings t w o in different te mperature (p =81N,running 2in 200h )图4和图5分别为不同温度条件下圆兜孔保持架轴承和方兜孔保持架轴承的速度2摩擦力矩特性曲线。