李俊娟，楊伯原，李建華，蘇冰，周健

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

用于檢測(cè)飛機(jī)、導(dǎo)彈、船舶和衛(wèi)星等飛行姿態(tài)、位置和角速度的陀螺儀框架靈敏軸承是微型軸承中對(duì)摩擦性能要求最高的軸承,摩擦力矩的大小和穩(wěn)定性往往影響著精密儀器、儀表的指示精度和穩(wěn)定性[1]，因此，摩擦力矩是衡量靈敏軸承的重要指標(biāo)。靈敏軸承使用過(guò)程中不允許出現(xiàn)摩擦力矩大點(diǎn)和阻滯及波動(dòng)性超標(biāo)的情況，而軸承套圈溝道的圓度、表面粗糙度和形狀誤差超差是產(chǎn)生摩擦力矩大點(diǎn)和波動(dòng)性的重要因素。現(xiàn)對(duì)軸承外圈溝道形狀誤差、內(nèi)圈溝道形狀誤差、內(nèi)圈溝道圓度和內(nèi)圈溝道表面粗糙度超差時(shí)的動(dòng)態(tài)摩擦力矩進(jìn)行分析，以期得到辨別該軸承缺陷的初步判據(jù)。

1 試驗(yàn)軸承

試驗(yàn)軸承型號(hào)為619/5/P5，采用黃銅沖壓浮動(dòng)浪形保持架，其主參數(shù)為：外徑13 mm，內(nèi)徑5 mm，寬度4 mm，鋼球數(shù)8粒，鋼球直徑2 mm。

被測(cè)軸承分別存在外圈溝道形狀誤差超差、內(nèi)圈溝道形狀誤差超差、內(nèi)圈溝道圓度超差和內(nèi)圈溝道表面粗糙度超差4種缺陷。

2 試驗(yàn)

測(cè)試設(shè)備為改進(jìn)的LSD-I型動(dòng)態(tài)摩擦力矩測(cè)試儀，其主要由穩(wěn)壓電源、電控箱、電動(dòng)機(jī)、試驗(yàn)裝置、力傳感器、信號(hào)采集器及計(jì)算機(jī)等組成。被測(cè)軸承固定在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸上，當(dāng)主軸恒速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)被測(cè)軸承外圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1 r/min，內(nèi)圈不轉(zhuǎn)，采樣時(shí)間為2 min，采樣點(diǎn)數(shù)為12 000。試驗(yàn)軸承的軸向載荷為1 N。測(cè)試環(huán)境溫度為20～30 ℃，相對(duì)濕度保持在55%以上，并嚴(yán)格控制塵埃。

測(cè)試前先進(jìn)行軸承退磁，并按有關(guān)規(guī)定清洗、烘干后，加一滴特4儀表潤(rùn)滑油，再緩慢旋轉(zhuǎn)使?jié)櫥途?，然后在無(wú)振動(dòng)的地基上進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于動(dòng)態(tài)摩擦力矩不正常的軸承應(yīng)重復(fù)進(jìn)行退磁、清洗、加潤(rùn)滑油等，若測(cè)試仍不合格或不正常，重復(fù)前面各項(xiàng)工作，取最好的一次。測(cè)量時(shí)，每種缺陷軸承取10套，并且每套正、反轉(zhuǎn)各測(cè)2次。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 外圈溝道形狀誤差超差時(shí)典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數(shù)圖

圖2 外圈溝道形狀誤差超差時(shí)典型軸承小波分析后的第4～6層細(xì)節(jié)信號(hào)圖

圖3 外圈溝道形狀誤差超差時(shí)典型軸承的第5層細(xì)節(jié)信號(hào)的包絡(luò)譜

圖4 內(nèi)圈溝道形狀誤差超差時(shí)典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數(shù)圖

圖5 內(nèi)圈溝道形狀誤差超差時(shí)典型軸承的第4～6層細(xì)節(jié)信號(hào)圖

圖6 內(nèi)圈溝道形狀誤差超差時(shí)典型軸承的第5層細(xì)節(jié)信號(hào)的包絡(luò)譜

圖7為內(nèi)圈溝道圓度超差時(shí)典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數(shù)圖。由圖7可知，內(nèi)圈溝道圓度超差的軸承的摩擦力矩大點(diǎn)較多，方差為2.167(μN(yùn)·m)2，且90%樣本的方差都大于1(μN(yùn)·m)2；功率譜峰值較大，約為400 W，不在靠近0的位置，概率密度函數(shù)峰值較小，圖形不太尖銳。統(tǒng)計(jì)得， 75%樣本的功率譜峰值都在400 W以上， 75%樣本的概率密度函數(shù)峰值都小于0.4，且圖形不太尖銳。同樣用db10進(jìn)行6層小波分解，圖8中d4，d5和d6沖擊明顯，計(jì)算得d4，d5和d6與原始信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分別為0.291 8，0.494 1和0.537 8，可見(jiàn)d6與原始信號(hào)的相似程度較大。對(duì)d6進(jìn)行包絡(luò)譜分析(圖9)，計(jì)算得內(nèi)圈接觸頻率值0.081 48 Hz在圖中包絡(luò)譜最大值附近。并計(jì)算d6峭度值為11.879，與原始信號(hào)的峭度值10.465接近；而d5包絡(luò)譜和峭度值都不如d6接近。

圖7 內(nèi)圈溝道圓度超差時(shí)典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數(shù)圖

圖8 內(nèi)圈溝道圓度超差時(shí)典型軸承小波分析后的第4～6層細(xì)節(jié)信號(hào)圖

圖9 內(nèi)圈溝道圓度超差時(shí)典型軸承的第6層細(xì)節(jié)信號(hào)的包絡(luò)譜

圖10為內(nèi)圈溝道表面粗糙度超差時(shí)典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數(shù)圖。由圖10可知，內(nèi)圈溝道表面粗糙度超差的軸承的摩擦力矩的周期性不明顯，大點(diǎn)較多，除尖峰外，其波動(dòng)范圍為5～15 μN(yùn)·m，是4種缺陷中波動(dòng)范圍最大的，方差較大，為3.08 (μN(yùn)·m)2。統(tǒng)計(jì)知，60%樣本的方差都大于2( μN(yùn)·m)2，且大部分都在5(μN(yùn)·m)2以上。計(jì)算得峭度值Q為7.27；統(tǒng)計(jì)中62.5%樣本的Q值大于4。功率譜峰值較大，約為600 W，樣本統(tǒng)計(jì)其峰值為100～2 000 W，功率譜大點(diǎn)較多且不在靠近0的位置。概率密度函數(shù)峰值較小，僅有0.25，樣本統(tǒng)計(jì)其峰值為0.1～0.45，圖形較平坦。統(tǒng)計(jì)看92.5%樣本的重心頻率和全部樣本的頻率方差都大于1。

圖10 內(nèi)圈溝道表面粗糙度超差時(shí)典型軸承的摩擦力矩、功率譜和概率密度函數(shù)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，這4種缺陷相對(duì)于正常軸承，其摩擦力矩波動(dòng)都較明顯，功率譜峰值也較大，概率密度函數(shù)都沒(méi)有正常軸承尖銳，峰值也沒(méi)有正常軸承的大，重心頻率和頻率方差都大于1。其各自的不同點(diǎn)在于：

(1)外圈溝道形狀誤差超差明顯的特征是峭度值Q大于4，功率譜峰值在200 W左右，概率密度函數(shù)圖形較尖銳，峰值在0.5左右；

(2)內(nèi)、外圈溝道形狀誤差超差時(shí)，包絡(luò)譜峰值所對(duì)應(yīng)的頻率分別與內(nèi)、外圈計(jì)算的接觸頻率有對(duì)應(yīng)的關(guān)系；

(3)內(nèi)圈溝道圓度超差明顯的特征是其功率譜峰值在400 W以上，概率密度函數(shù)峰值小于0.4，圖形不太尖銳，方差都大于1，與其他3種缺陷的不同還表現(xiàn)在包絡(luò)譜峰值所對(duì)應(yīng)的頻率上；

(4)內(nèi)圈溝道表面粗糙度超差明顯的特征是除尖峰外摩擦力矩波動(dòng)范圍在4種缺陷中最大，樣本方差大，峭度值Q大于4。

以上這些缺陷的不同點(diǎn)可以作為該航天軸承單一缺陷的初步判據(jù)。