摘　要：分析了某精密电机轴承异常磨损的现象，阐述了精密电机轴承异常磨损的原因，采集精密电机磨损粉末进行了电镜扫描分析，对磨损粉末的元素成分进行了研究，找到了轴承异常磨损的原因并提出了改进措施，实现了精密电机的装机合格率的大幅提高。
　　关键词：精密电机；异常磨损；定子架；图谱
　　载人飞船、飞机和其他各种飞行器及航海舰船的惯性仪表都使用陀螺仪来检测飞行姿态、船只方位和角速度，只有准确地测量方位、速度、姿态等参量才能完成预定的导航或稳定任务。陀螺仪的基本功能是敏感角位移和角速度，在这些运载体的惯导系统中，陀螺仪是极其重要的敏感器，有着十分广泛和重要的应用^[1]。陀螺仪的心脏部分是精密电机，为了获得Z高的陀螺精度，电机应具有在陀螺仪的容积和悬浮能力范围内所能获得的Z大角动量。由于精密电机轴承的性能直接影响到精密电机的灵敏度和导引性能，而且精密电机轴承的环境工况Z恶劣，使用寿命短，所以陀螺仪的寿命均是以精密电机轴承的寿命作为依据^[2]。
　　1　电机故障
　　某型精密电机（图1）寿命为50h，使用轴承为我公司生产的某微型轴承。该电机有快速启动的要求，因此对轴承的摩擦力矩要求十分苛刻，合格轴承的摩擦力矩一般为0.15g•cm以下。电机的稳态电流为100～120mA，电机转速25000r/min。某批次装配20台电机，前期运转正常。经过4h的运转，其中8台电机监控显示电流异常增大，接近500mA。测试电机表面温度异常升高，振动增大。分解电机后，发现电机两端轴承保持架已经断裂，定子架两端都有异常磨损，端盖轴承线包槽里残留大量的灰色粉末（图2）。

　　2　轴承异常运转状态原因及分析
　　滚动轴承的失效分析是对已经损坏的轴承进行仔细地分析研究，找出轴承损坏的详细原因，并在使用方法、设计方法和制造方法方面提出改进意见。常用的失效分析步骤如下^[3]：
　　1）搜集使用数据。搜集使用数据时进行分析的重要依据，数据包括安装和拆卸方法、负荷、转速、润滑、温度、可能产生的振源、周围的灰尘和温度、可能产生的水源或其他流体污染源、所有轴承零件的状态等。
　　2）拆卸前的观察。拆卸轴承之前，还须对下述三个方面进行观察，并将观察结果记录下来。这个步骤之所以关键是因为在拆卸轴承和清洗轴承之后，这些迹象就将无可挽回地消失了。主要观察污染情况、润滑剂的流失情况及损坏的过程。详细记录损坏的全过程是重要的。首先应记下首次发现异常的时间和现象，如噪声、振动、温度随时间的变化情况等。如果事故是突然发生的，应记下当时有关仪表的示值，损坏之前有关条件的改变，如轴承的间隙调整、负荷或速度的变化等。
　　3）拆卸中的观察。将轴承从机械装置中拆卸下来的过程中，应注意观察润滑情况、轴承轴向紧固零件的松紧程度、轴承配合件的精度等。
　　4）拆卸后的检查。拆卸后的检查是Z重要的，通过对轴承各零件的外观检查、物理测试和金相分析，将Z后确定轴承失效的形式和原因。
　　普通轴承的失效形式是疲劳失效，与一般轴承不同，陀螺转子轴承以轴承零件磨损或润滑失效作为寿命终止的标志^[4]。针对该精密电机的异常运转后的现象，推测原因如下。
　　2.1 噪音分析
　　对于轴承损坏，主要通过轴承支承工作性能的异常来判别。运转不平稳和运转噪声异常，往往是轴承滚动面受损或因磨损导致轴承振动增大而产生损坏的反映。其产生的原因如表1所示，由于本批次装配20台电机，据用户反映润滑油统一用量、统一牌号，所以不存在润滑油不足或不适导致的异常噪音。轴承承受径向载荷时，由于径向游隙的存在，仅有承载区内的部分滚动体承受载荷。当滚动体从非承载区运动到承载区的过程中，滚动体自重与离心力的合力的大小及方向不断发生变化，滚动体将交替与套圈滚道发生碰撞，从而产生噪声。这种噪声可以通过对轴承施加预紧力予以消除^[5]。该电机通过铜片调整预载，前期运转正常，说明电机的预载荷比较合适。通过分解电机也证明没有异常载荷的出现。安装不良造成的噪音在电机轴承的前期跑合中难以发现，故此项原因难以排除。
　　2.2 异常分析
　　温度法通过监测电机的表面温度来判断轴承工作是否正常。温度监测对载荷和润滑情况的变化反应比较敏感，尤其是对润滑不良而引起的过热很敏感。所以用于这种场合比较有效。但当轴承出现诸如早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有反应，只有当故障达到一定的程度时，用这种方法才能检测到^[6]。
　　其推测原因如表1所示，分解电机表明：本批次电机的温度异常变化确实是由于润滑不良产生的。这种润滑不良不是润滑油剂量的问题，而是由于轴承滚道的润滑油膜遭到破坏。破坏润滑系统的直接原因是滚道被一层灰色粉末所覆盖。钢球和滚道上没有异常压痕，从而排除了异常载荷导致的温度变化。

　　2.3 振动分析
　　轴承内圈与电机定子架轴联接，外圈装配在定子架内。这样组成的轴承系统在运行过程中由于各种原因而产生的振动信号是十分复杂的，且随机性比较强。引起轴承振动的激励是多方面的，就轴承本身而言，产生激励的原因有轴承各元件的制造误差（尺寸和形位误差）；装配误差（不对中，不平衡等）；运行过程中出现的各种故障（如疲劳点蚀、剥落、磨损、润滑不良等）^[7]。
　　如表1所示，分解电机后，钢球已经发乌，轴承套圈滚道的润滑油膜已经破坏，滚道上覆盖一层灰色粉末。滚道及钢球表面并未发现由于塑性变形过大而形成的表面变形。由于运行时间较短，也没有发现钢球及滚道表面表面剥落的现象。本批次轴承出厂前经过严格的检测，不存在尺寸和形位的误差。轴承滚道及端盖轴承线包槽里残留大量的灰色粉末，不能排除异物（如灰尘、磨损的粉尘等）侵入的可能性。
　　综合以上分析，本批次陀螺精密电机的异常磨损极有可能是安装不良或异物侵入导致的。鉴于该电机定子架与端盖轴承线包槽内磨损出大量的灰色粉末，粉末成分难以确认，故采集粉末试样进行电镜扫描分析。
　　3　电镜扫描分析
　　能谱仪配合扫描电镜是用来对材料微区成分元素种类及含量进行分析的，通过带能谱分析的扫描电镜分析，可以定量分析元素的成分。以下取有线端端盖线包槽粉末和无线端端盖线包槽粉末两个试样，通过JSM-6380LV扫描电镜扫描试样，EDST582能谱仪分析试样，取两个视场观察（图3、图4）。

　　从图3中可以看出，有线端端盖粉末中各个元素的重量及百分比，谱图中可以看到粉末的形貌，以及各中元素在能量峰中出现的位置，如Cr元素出现在能量峰5.2KeV与6KeV之间。
　　图4取的是无线端端盖粉末元素的分析结果，各个元素在能量峰中出现的位置与图3大致相同。
　　综合图3和图4两个视场的观察表明，灰色粉末中含有C、O、Si、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn等成分。该微型轴承内外套圈及钢球所使用的材料为不锈钢9Cr18，其成分如表2所示。

　　而2个视场分析出来的图谱显示，有Ni和Cu、Zn等不属于不锈钢9Cr18的外来成分。陀螺电机定子架的材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，其材料洛氏硬度（HRC）仅为20左右。而不锈钢9Cr18材料的洛氏硬度为HRC58左右。经分析，电机定子架和电机线包槽里所磨下来的灰色粉末，应该是电机定子架和轴承外径相互对磨引起的。引起对磨的原因在于装配电机时，轴承外径与定子架之间出现了较大的间隙。
　　4　解决措施
　　轴承在使用过程中如果使用不当就会人为的造成轴承的精度缺陷，从而影响到轴承的正常运转。Z常见的问题就是装配过程中内、外套圈的配合问题，精密电机轴承内、外套圈的Z佳配合为动圈采用1～3μm的过盈配合，静圈采用0～2μm的间隙配合。配合太紧，会导致装配孔的误差复映，破坏轴承的圆度；太松，会使套圈打滑，破坏套圈的正常运转^[8]。
　　基于以上的装配原则，对该精密电机的装配作出以下改进：轴承内径与定子架空心轴是小间隙配合。应当做专门的工装，通过工装均匀受力，压住内圈缓缓的与空心轴配合，而不应该通过轴承的外圈凸缘通过钢球来传递力。轴承外径与定子架座是小过盈配合。在装配时，采用加热定子架的方法进行热装配。经过以上改进，该精密电机的装配合格率由60%提高到90%以上。
　　参考文献：
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　　[2] 李娟.整体端盖式液浮陀螺电动机轴承的性能试验[J].轴承,2012(4):36-38.
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　　[4] 顾家铭.陀螺转子轴承精度寿命试验[J].轴承,2011(8):31-35.
　　[5] 杨晓蔚.滚动轴承振动与噪声的相关性解析[J].轴承,2011(7):53-56.
　　[6] 刘泽九.滚动轴承应用手册[M].北京:机械工业出版社,2006.
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　　[8] 葛世东.多孔含油保持架常见故障分析[J].轴承,1999(7):28-29.