航天轴承摩擦力矩的试验分析

90
2. 30
2. 15
2. 25
2. 06
100
2. 51
2. 38
2. 40
2. 30
110
2. 71
2. 58
2. 65
2. 51
120
2. 92
2. 70
2. 78
2. 67
130
3. 11
2. 88
2. 96
2. 82
140
3. 32
3. 02
3. 10
2. 98
从表 2 结果可知 ,轴承载荷的大小直接影响 着轴承摩擦力矩的大小[2 - 5] ,随着轴承轴向载荷 的增大 ,摩擦力矩增大 。陀螺框架灵敏轴承一般 采用深沟球轴承或角接触球轴承 ,轴承承受的载 荷通过滚动体由一个套圈传递到另一个套圈 ,各 个滚动体承受载荷的大小取决于轴承内部的几何 尺寸以及作用在轴承上的载荷类型 。在载荷作用 下 ,滚动体和沟道的接触表面会产生接触变形 ,轴 承载荷越大 ,弹性滞后损失引起的摩擦力矩越大 ; 保持架与滚动体的接触载荷及其引起的摩擦力矩 越大 。
陀螺稳定平台 (或陀螺仪) 广泛应用在航天等 尖端科技中 ,其轴承定位精度的高低直接影响着 惯导系统的姿态稳定和指示精度 。影响轴承定位 精度和平稳性最主要的因素是轴承精度 、支承刚 度和摩擦力矩 。国内目前所用的陀螺仪轴承 ,在 启动过程中存在较多的大点 、死点 ,与框架轴承的 低摩擦力矩 、高灵敏性 、高可靠性的技术要求存在 着较大的差距 。影响轴承摩擦力矩的因素很多 , 各种因素相互作用 ,又相互干扰 ,特别是保持架影 响的随意性较大 ,难以定量分析 。本文仅就轴承 载荷 、表面特性 、润滑剂 、轴承游隙等因素对轴承 摩擦力矩的波动性影响进行理论研究和试验分 析 ,最终提出降低轴承摩擦力矩的一些有效措施 。
·24 ·
的大小又取决于散布在轴承空腔内润滑剂的粘度 和油量 。摩擦力矩受润滑剂粘度的影响 ,如表 4 可知 ,脂的粘性阻力比油的粘性阻力大 ,且随着润 滑脂 (油) 粘度的增大启动摩擦力矩也会增大 。摩 擦力矩受润滑剂量的影响亦较大 ,如表 3 ,当润滑 剂主要起到润滑作用时 ,随着润滑剂量的增大 ,轴 承摩擦力矩呈降低趋势 ,当润滑剂过量 ,油中的粘 性摩擦力起主要作用时 ,轴承摩擦力矩增大 。这 表明 ,通过选用粘度合适的润滑剂和润滑剂量 ,可 以明显降低轴承的摩擦力矩 。
- 94 #
- 23 #
ZYS - 614 - 18 #
4 - 123 仪表油 Cg1 # 润滑脂
0. 490 1. 764
0. 510 1. 764
0. 294 1. 548
0. 245 1. 568
特 221 # 润滑脂 1. 960
2. 117
1. 764
1. 784
从试验可知 ,润滑剂对摩擦力矩影响较为明 显 ,对框架灵敏轴承来说 ,轴承的工作转速一般不 是很高 ,润滑难以实现弹性流体润滑 ,主要属于边 界润滑 ,由于实际的接触表面粗糙不平 ,在外力作 用下 ,接触微凸体承受压力相对很大 ,滚动体在沟 道里运动时 ,接触部位温度升高 ,起润滑作用的部 分边界膜破裂 ,使轴承沟道与滚动体直接接触 ,如 果与滚动体接触的内外沟道粗糙度过大 ,将严重 影响油膜的形成和保持 ,从而加速运转磨损 ,导致 力矩急剧增大 。润滑剂既起减少摩擦的作用 ,又 起阻碍轴承运转的作用 ,滚动体要克服由轴承内 部润滑剂产生的粘性摩擦力[6、10] ,而粘性摩擦力
2 轴承载荷对摩擦力矩的影响
用 ZYS - C201 轴承摩擦力矩测量仪对 B7005 型的 3 套轴承进行动态摩擦力矩加载测试 。试验 条件 : 润滑油为特 5 仪表油 ,动态力矩测试转速 10 r/ min ,轴向载荷由 40 N 起每次加载 10 N ,逐渐 加载到 140 N 。
表 2 轴向载荷与摩擦力矩关系试验测试值
50
TCP ( 磷酸三甲苯脂处理)
4. 5
104
软
改
TOP ( 磷酸三辛脂)
5
221
性
TAP ( 磷酸十三烷酸脂处理)
50
320
从表 5 可以看出 ,经过软改性 TAP 处理的轴 承表面改性膜厚度最厚 ,试验至卡死的运转时间 最长 ,这种表面改性膜使润滑油在轴承沟道表面 得到吸附 ,有利于减少轴承的摩擦发热及可能的 金属粘着 ,使轴承摩擦力矩大大降低 。数据表明 经过软改性处理后的轴承摩擦量减少了 14 % ,摩 擦系数降低了 40 %。
对高速旋转的 4 个轴承进行试验[11] ,试验条 件 :试验轴承的球直径为 12. 7 mm ,转速为 5 000 r/ min ,载荷为 62 N ,润滑油为 MTL - 23699 C。
表 5 表面改性轴承与未处理轴承的对比试验
表面处理方法 未处理
表面改性膜 截止到卡死
厚度/ nm
时间/ s
4 轴承表面改性对摩擦力矩的影响
近年来 ,表面改性技术越来越多地应用于航 天精密轴承 ,以降低轴承摩擦力矩 ,提高轴承寿命 和可靠性 。表面改性技术分为表面软改性技术和 表面硬改性技术 ,主要是采用化学 、物理等方法使 基体表面的组织 、成分 、形貌和性能发生变化 ,以 达到改善表面性能的目的 。
表 3 润滑剂油量对轴承启动摩擦力矩的影响 N·mm
轴承编号
2 滴油 3 滴油 4 滴油
6 滴油
正转 11. 843 1号
反转 12. 638
11. 477 11. 409
11. 212 10. 386
11. 355 11. 207
正转 16. 500 2号
反转 13. 441
11. 814 10. 692
轴向载荷/ N
轴承摩擦力矩/ N·mm 理论计算值 第 1 套 第 2 套
第3套
40
1. 58
1. 27
1. 30
1. 16
50
1. 72
1. 36
Βιβλιοθήκη Baidu
1. 38
1. 28
60
1. 83
1. 46
1. 50
1. 37
70
1. 95
1. 65
1. 76
1. 50
80
2. 12
1. 84
1. 92
1. 78
Abstract :The friction torque and its wavy property are the main factors influencing the properties and accuracy of space bearings. The theory analysis and test study are done for the main influencing factors of the friction torque of the bearings ,and the some effective methods are put forwards to reduce the friction torque of the bearings. Key words : space bearing ;friction torque ;testing ;analysis
ISSN 1000 - 3762 CN41 - 1148/ TH
轴承 Bearing
2005 年第 10 期 2005 ,No. 10
22
-
24
! 试验与分析 #
航天轴承摩擦力矩的试验分析
马小梅1 ,邓四二1、2 ,梁 波3 ,张志华1 ,张 慧1
表 1 D60023M02 启动摩擦力矩测试结果
径向游隙值
正常值 1. 5 倍正常值 2 倍正常值
启动摩擦力矩 正转 0. 015 74 平均值/ N·mm 反转 0. 015 37
0. 015 06 0. 014 72
0. 013 67 0. 013 45
动态摩擦力矩 正转 0. 006 64 平均值/ N·mm 反转 0. 006 69
轴承的摩擦力矩和轴向载荷是非线性关系 ,
·23 ·
随着载荷的增大 ,差动摩擦力矩在总摩擦力矩所 占的比例增大 。对航天轴承来说 ,在满足轴承耐 振动 、冲击和刚度性能条件下 ,尽量用较小的预紧 力 ,有助于降低轴承的摩擦力矩 。
3 润滑剂对轴承摩擦力矩的影响
航天轴承在使用期内不能再加润滑剂 ,要求 航天轴承在平台寿命期内既不缺油也不能有过多 油聚积 ,因此轴承失效主要形式是润滑不足引起 轴承表面损伤 ,造成摩擦力矩增大 ,使用精度降 低 ,而不是轴承工作表面疲劳失效 。航天轴承的 润滑应能在各种工况条件下使轴承工作表面保持 适当的油膜 ,从而保持小而稳定的摩擦力矩 ,提高 轴承的工作寿命 。轴承摩擦力矩不仅与润滑油量 有关 ,还与油 (脂) 的粘度有很大关系 。对装有不 同润滑油量和不同润滑剂的轴承进行了摩擦力矩 试验研究 ,试验结果见表 3 、4[5] 。
0. 006 31 0. 006 24
0. 005 86 0. 006 06
从表 1 数据可以看出 ,轴承的摩擦力矩随游 隙值的增大而有所降低 。但如果选择轴承的游隙 过小 ,轴承的原始接触角也较小 ,在施加轴向载荷 测试启动摩擦力矩和低速动态摩擦力矩时 ,滚动 体与沟道接触表面的接触载荷较大 ,从而使轴承 摩擦力矩及其波动较大 ,特别是容易造成保持架 卡球 ,产生摩擦力矩大点 、死点 。轴承高速旋转
Test Analysis on Friction Moment of Space Bearings
MA Xiao - mei2 ,DENG Si - er1 ,2 ,LIANG Bo3 ,ZHANG Zhi - hua1 ,ZHANG Hui1
(1. Henan University of Science and Technology ,Louyang 471003 ,China ;2. Dalian University of Technology ,Dalian 116023 ,China ; 3. Luoyang Bearing Research Institute ,Luoyang 471039 ,China)
(1. 河南科技大学 机电工程学院 ,河南 洛阳 471003 ;2. 大连理工大学 机电学院 ,辽宁 大连 116023 ; 3. 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 。通过对航天轴承摩擦力矩的主要影 响因素进行理论分析和试验研究 ,提出了降低轴承摩擦力矩的一些有效措施 。 关键词 :航天轴承 ;摩擦力矩 ;试验 ;分析 中图分类号 :TH133. 33 ;TH117 文献标识码 :B 文章编号 :1000 - 3762 (2005) 10 - 0022 - 03
1 轴承游隙对摩擦力矩的影响
采 用 YZC - Ⅱ型 摩 擦 力 矩 测 试 仪 对
收稿日期 :2005 - 06 - 13 基金项目 :国家“十五”科技攻关项目 (MKPT - 01 - 034ZD) 作者简介 :马小梅 (1980 - ) ,女 ,河南洛阳人 ,硕士研究生 。
D60023M02 型轴承在 3 种不同径向游隙值下 (正 常值 、1. 5 倍正常值 、2 倍正常值 ,每种 10 套轴承) 进行了轴承启动和动态摩擦力矩测试 (每套轴承 正 、反转各测 10 点) 。试验条件 :轴向载荷为 1 N , 润滑油为特 4 仪表油 ,测量环境温度为 20 ℃,动 态测试转速为 10 r/ min 。测量结果见表 1 。
11. 588 89 10. 457 78
11. 768 11. 381
正转 19. 349 3号
反转 18. 828
12. 460 11. 986
11. 936 11. 481
12. 721 12. 176
表 4 润滑剂对轴承启动摩擦力矩的影响 N·mm
润滑剂
C46706 - 71 #
C46706 ZYS - 614
马小梅等 :航天轴承摩擦力矩的试验分析
时 ,由于滚动体除自转外还要随保持架公转 ,其温 升很快 ,造成滚动体产生较大的热膨胀 ,使轴承游 隙进一步减小 ,轴承的摩擦力矩迅速增大 。如果 所选轴承的游隙过大 ,轴承在转动时易发生轴向 或径向窜动 ,使轴承内部的载荷分布改变 ,引起轴 承摩擦力矩的波动性增大 ,同时还会引起轴承的 噪声和振动增大 ,最终造成陀螺稳定平台的指示 精度降低[1] 。D60023M02 轴承也多用于精密仪表 仪器中 ,在满足其耐振动 、耐冲击工况条件下 ,可 适当地增大轴承的轴向游隙 ,达到降低摩擦力矩 的要求 。