王京锋，刘景林，卜 石

(1．西北工业大学，西安 710129；2．中国航天科技九院第十六研究所，西安 710100)



动压气体轴承陀螺电机启停可靠性分析研究

王京锋1,2，刘景林1，卜 石2

(1．西北工业大学，西安 710129；2．中国航天科技九院第十六研究所，西安 710100)

长寿命、低噪声机械陀螺电机都趋于采用动压气体轴承，其寿命取决于动压气体轴承陀螺电机(以下简称动压电机)的启停次数，并且以其启停次数来表征陀螺的寿命。建立动压电机启停可靠性模型树全面分析，指出多余物和材料白斑是最主要的影响因素，提出改进电机、轴承零组件的清洗、除气方法，以及加严材料零件外观的检查和筛选标准，并作为动压电机可靠性筛选手段，可进一步有效地保证动压电机的可靠性水平。

动压气体轴承电机；启停；可靠性

0 引 言

动压气体轴承在高速旋转时没有机械接触，它是以无源气体形成自润滑气膜，通过轴承工作面的切向相对运动，使得气膜在轴承间隙内产生一定的压力来承载，因此可增加电机的连续工作寿命，同时也大大降低了轴承的噪声水平。基于动压气体轴承的上述优点，长寿命、低噪声陀螺应用场合都趋于采用动压气体轴承[1]。

目前，国内在动压气体轴承的研制方面比较成熟的还是线轴型轴承结构，以某型液浮陀螺使用的外转子动压气体轴承电机(以下简称动压电机)为例，结构如图1所示。陀螺电机主要由转子组件、定子组件、转子体、轴套、左/右止推板、电机轴等零组件组成。动压气体轴承采用线轴型结构既能确保加工精度，又解决了轴承径向同轴度问题，还便于轴承零件的清洗和装配，在电机反复装拆过程中，其转子只需一次动平衡，装拆十分便利。

线轴型相对其它结构有显著优点：①在相同外形尺寸、额定转速、额定气隙、相同气体介质条件下，线轴型轴承静态刚度与摩擦力矩比值最大(静态刚度与摩擦力矩之比是气体动压轴承优化目标函数)。②采用普通精密加工及检测手段即可制造线轴型气体动压轴承，即加工检测相对容易。

图1 动压电机结构示意图

1 动压气体轴承工作原理[2]

线轴型动压气体轴承由轴颈轴承和止推轴承组成。轴颈轴承如图2所示，由圆柱形轴套和圆筒形转子构成。当轴承转子转动时，由于气体的粘性作用和摩擦，转子会带动气体进入轴承间隙中，并且一起运动。当转子趋近图2位置时，形成楔形气膜，此时径向间隙最小，气体被压缩形成相应的高压区。这种楔形气膜可托起轴承转子，将轴套和转子的工作表面完全隔离，形成了无接触的动压气体轴颈轴承。

而止推轴承由转子止推面和止推板构成，止推轴承工作原理如图3所示。当转子止推面转动时，同样由于气体的粘滞和摩擦作用，将会带动气体一起转动。气流沿着止推板泵入型螺旋槽中心方向泵进，当气流受到止推板封闭区阻挡时，气膜压力升高，并在有槽区和封闭区交界处压力达到最大值，同时每个槽台之间存在阶梯效应，压力成锯齿形分布。正是这种泵进效应和阶梯效应一起作用产生了止推轴承的承载能力。

图3 止推轴承工作原理图

无论是轴颈轴承还是止推轴承，在正常工作时轴承定子部分和转子部分都是无接触的，理论上寿命无限长。但是动压电机在启停过程中，由于转速不高，支承气膜尚没形成或正在消失，轴承表面在接触条件下滑动，产生一定的低速摩擦和磨损，只要存在摩擦磨损就有可能产生多余物，另外考虑到在电机装配或者零组件清洗不干净时均会带入多余物，这些都可能会导致轴承气隙减小甚至卡滞，严重影响动压电机的启停可靠性，因此用动压电机的机械陀螺寿命主要决定于陀螺电机的启停次数，并且以其启停次数来表征陀螺的寿命。

2 动压电机的启停可靠性分析

一般动压气体轴承陀螺电机的启停次数要求不少于3 000次。在生产过程中曾发生过有的动压电机偶尔出现不启动或者启停几百次后不启动的故障现象。因此针对动压电机的启停可靠性需要进行深入研究，一方面对影响启停可靠性的每个因素进行逐一分析，制定对策和措施，另一方面采取低压启动、反力矩、浮起时间等测试手段进行筛选，保证产品质量，满足陀螺使用要求。

将“动压轴承电机启停可靠性”定义为顶事件，建立液浮陀螺动压电机启停可靠性的故障树如图4所示。

图4 动压轴承陀螺电机启停可靠性分析模型

故障树主要从陀螺本体内部问题(D1)和动压电机自身问题(D2)两条分支为主线，对各分支内容展开逐一分析。

2.1 陀螺本体内部问题(D1)

陀螺电机装配在液浮陀螺浮子内部，并且浮子内充高纯度氦气介质。“陀螺本体内部问题”带来的动压电机启停可靠性影响因素主要聚焦在浮子组件部分，而浮子内部的绝大多数问题主要与动压电机自身状态有关。浮子组件示意图如图5所示。

图5 陀螺浮子结构示意图

“陀螺本体内部问题”故障分析主要从浮子密封、充气、结构特点以及过程中稳定处理等展开分析，具体如图6所示。

图6 陀螺本体内部问题分支故障树

(1)浮子漏油(D11)

若浮子组件漏油，浮油渗入动压轴承间隙，影响轴承气膜建立，导致电机启停过程中，轴承零件高速接触产生累进故障或突发故障，影响电机启停次数。一般情况分解故障陀螺时重点检查浮子气密性(接线柱部位、浮筒与框架配合部分、充气嘴部位)进行故障确认。

(2)浮子内装配多余物(D12)

浮子内装配过程中清洁不到位，或陀螺在工作、振动过程中浮子内胶接件位移导致胶层脱落或框架上镀覆层脱落，形成多余物微粒，进入动压电机运转形成的流体场中，造成动压电机气隙的污染或堵塞，最终影响动压电机启动。

图7中圈装标记位置是目前浮子装配时框架上主要使用环氧胶的部位。图8是浮子内部流体场仿真情况。电机启动后，转子高速旋转，带动浮子内充满的氦气产生强迫对流，浮子内的氦气在电机高速旋转的影响下，会产生复杂的流动，包括层流和紊流。氦气流动有层流和湍流两种形式，一般动压电机间隙部位因尺寸狭小，为层流区。仿真云图中绕电机附近区域为层流场，框架周围及浮子两端区域因结构有圆角、棱边等影响，在框架部位有圆角结构及远离旋转中心位置，流体场呈显出湍流特性。

图7 框架结构示意图

图8 浮子内部流体场云图

通过仿真分析，浮子内部流体在受到高速旋转运动下对电机产生风阻效应，会造成对电机及浮子内壁的风蚀，有可能在浮子内部沉积颗粒性污染物。建议浮子内部在最大速度暴露的结构处不进行镀覆、胶接等工艺设置，可以避免产生风蚀污染物。

(3)浮子内非电机带入挥发物(D13)

电机工作在封闭浮子组件内，浮子内的胶类、表面处理的化学物质挥发后可能进入轴承内部沉积成为多余物。后续在电机上框架后，固定电机轴、压块时仅在螺纹部位使用胶，尽可能减少污染源。在电机上框架到封充气嘴之间进行释放挥发物的除气处理。应注意热真空后封浮筒时间间隔要求；陀螺零组件除气后防护及保持。

(4)电机安装后轴系材料不匹配造成的轴系变形(D14)

电机安装后，压紧部位由于框架、胶、电机轴材料线胀系数不一致在后期工艺过程或工作过程出现结构配合不稳定性，导致电机轴系变形，影响电机启动。从目前电机监控参数看，其惯性时间变化上反映比较明显。

(5)浮子内充气压力(D15)

动压气体轴承是以无源气体形成润滑，浮子内充气压力变化会影响气体润滑特性及影响动压轴承刚度。查陀螺装配过程数据，可排除浮子充气时压力不足问题。

(6)启停过程中电机温度梯度影响(D16)

根据动压电机结构分析，电机自身及其外部温度梯度不均匀，将影响轴承间隙，气膜厚度、轴承尺寸等，同时气体粘度随温度增大而增加。所以动压电机工作在较低温度比工作在高温度更有利于电机启停。

电机启停试验严格要求控制试验温度，与陀螺工况一致，保证电机启停整个过程温度条件一致。

2.2 动压电机自身问题(D2)

浮子内除去陀螺本体影响因素外，电机启停可靠性主要由电机自身决定。如图9所示，动压电机自身方面主要从三条分支展开：动压轴承结构、动压电机多余物和电机设计。下面以此三条主线对动压电机自身问题带来的启停可靠性故障内容展开逐一分析。

图9 动压轴承电机启停可靠性故障树

(1)动压轴承结构(D21)

图10是动压电机轴承结构分支展开的分析树。

图10 动压轴承结构故障树分支

(a)轴承结构件精度(D211)

轴承结构件精度通过影响轴承工作面位置关系、动压气膜，最终影响启停摩擦和力学性能。轴承结构件精度影响电机启停可靠性的主要指标为轴承端面精度(D2111)和轴套垂直度(D2112)。轴套外圆对端面垂直度是通过专用工装研磨端面保证。对于端面垂直度的测量，采用夹持轴套外圆，光管检测端面激光入射与反射光线角度之差来判断端面垂直度。同时，通过轴承耐回转能力来筛选控制。一般故障陀螺电机分解时轴套和转子体的相关精度不能复测，着重关注表面摩擦情况、多余物分布情况、前后表观变化等。

(b)止推板变形(D212)

止推板的变形将影响轴承有效工作面相互位置关系进而影响轴承摩擦和力学能力。若止推板在工作中出现形变，可能会导致电机轴承接触摩擦、甚至卡滞不能启停。影响止推板变形的主要因素有：止推板温度变形(D2121)、止推板接触应力变形(D2122)、止推板时效变形(D2123)。

① 止推板温度变形(D2121)

止推板材料CrWMn属于低合金工具钢，其主要优点是在淬火、回火后，获得较高硬度和耐磨性，同时变形小。因为它的MS点较低，淬火组织中有较多的残留奥氏体，可抵消马氏体的膨大作用。目前工艺技术状态稳定。

② 止推板接触应力变形(D2122)

在启停过程中，由于转速不高，支承气膜尚没形成或正在消失，轴承表面在接触条件下滑动。电机可能出现接触摩擦情形，根据目前实际试验数据，止推板基本没有变化。

③ 止推板时效变形(D2123)

目前无数据描述止推板在长期放置情况下，内应力使之变形的情况，因此，止推板实效变形还需进一步试验验证。一般电机分解时可着重分析止推板变形量，与装配前数据进行对比；观察止推板磨痕，多余物分布情况、成分等。

(c)轴向、径向间隙(D213)

轴向、径向间隙控制差异，会影响轴承的轴向、径向承载能力一致性不好，造成在运动或振动条件下，轴承零件高速接触产生累进故障或突发故障。目前轴向间隙通过配合控制零件高度差，通过采用电感比较仪进行组合间隙检测。电机生产技术状态可以保证轴向、径向间隙控制要求。

(2) 动压轴承电机多余物(D22)

动压轴承电机易受多余物影响，一旦轴承间隙进入多余物一定会影响动压轴承电机启停可靠性。图11是动压电机多余物分支展开的分析树。

(a)装配带入多余物(D221)

动压轴承电机出现的多余物一般是电机外围或电机本身产生多余物，或积累进入轴承/转子气隙，除电机本身多余物外，外围造成转子运行不平稳，影响轴承性能的主要因素有：装配带入多余物(D221)，其主要与气体清洁度低(气体本身或充气装置带入)(D2211)及电机零件清洗不彻底有残留(D2212)相关。

(b)轴承本身缺陷产生多余物(D222)

轴承本身产生多余物的主要因素有：轴承倒角带来的毛刺(D2221)、止推板、轴套表面刻蚀积瘤残存(D2222)、轴套、转子体斑点(D2223)、轴套开裂、转子体内孔开裂(D2224)。

① 轴套倒角带来的毛刺(D2221)

现场对倒角毛刺是通过倒角后拋研、40×显微镜下检查、装配前清晰检查、三维视频仪照相检查的措施来进行筛选控制。

图11 动压轴承电机多余物故障树分支

② 止推板、轴套表面刻蚀积瘤残存或有缺陷(D2222)

现场对刻蚀积瘤问题是通过拋研、40×显微镜下检查、装配前清晰检查、三维视频仪照相检查的措施来进行筛选控制。后续故障陀螺分解时着重分析电机定转子表面情况，是否有积瘤脱落，缺陷扩大、摩擦痕迹等。

③ 轴套、转子体斑点(D2223)

查阅资料和咨询相关专家了解到，白色斑点是立方碳化硼材料在加工过程基体表面剥落区凹凸不平造成反光强度不同，因而在宏观上呈现为白斑[3]。材料白斑区的成分经分析是正常的碳化硼相，并非夹杂有外来其他物质。白斑现象可以通过提高试样强度和改进加工工艺来消除。现场通过表面检查、拍照，并且对转子体端面白斑进行筛选。

④ 轴套开裂、转子体内孔开裂(D2224)

目前没有发现轴套开裂、转子体内孔开裂现象。现场对轴套开裂、转子体内孔开裂的控制，是通过40倍显微镜下外观检查、装配过程中三维视频仪照相检查进行的。

(c)电机挥发物(D223)

挥发物在轴承间隙沉积形成多余物，其分以下两条故障路径：① 电机内胶类(D2231);② 电机内漆类(D2232)。电机内挥发物来自电机定子上浸渍的绝缘漆和定子叠片间胶等。热真空过程中电机内胶漆挥发最为明显，采用脱脂棉擦拭热真空箱内壁能够看到黄色挥发物，随着热真空时间增加、次数增加，无挥发物出现。

(d)轴承零件湿度影响(D224)

轴承表面水分在气膜增压情况下形成“露点”影响电机刚度，继而影响电机启动特性。一方面，如果过程中防护不到位，轴承表面在稳定处理或热真空后可能存在水分；另外充气的气体未经干燥过滤，气体湿度不确定，会给浮子组件内带入湿气，后期可能造成装入陀螺后的动压轴承零件在启动中产生累进故障，影响启停可靠性。

(3)电机设计(D23)

动压轴承电机设计时启动力矩裕量是否充裕也会影响动压轴承电机启停可靠性。图12是动压电机设计因素分支展开的分析树。动压气体轴承材料的性能关系到轴承能否正常工作，进而决定轴承的寿命。为提高轴承寿命,轴承材料必须耐磨。为防止轴承在高速接触时破坏轴承,材料还要具有防卡的特性。陀螺用气体轴承比一般普通用气体轴承对材料的要求更为严格,主要表现在要求动压轴承具有稳定的微小间隙和低的静摩擦力矩,使轴承转子质心和气膜动态特性稳定,同时,应保证静摩擦造成的热耗要小。

图12 电机设计故障树分支

2.3 小结

通过对该型动压气体轴承陀螺电机启动可靠性影响各因素的分析，可以归纳为以下两条主要影响因素：(1)多余物或挥发物带来的影响;(2)材料白斑等缺陷带来的影响。后续需要针对以上因素进行改进措施。

3 改进的措施

3.1 零组件清洗技术

动压电机轴承污染是不可避免的，因为现阶段以至今后较长时期，拘于技术局限尚不能杜绝污染源。如定子线包浸漆，转子组件用胶合剂，轴承零件加工用冷却液，研磨膏及稀释剂，磁滞环和定子叠片绝缘喷胶等，都是挥发性污染源，高温环境下挥发浓度还会增大。又如电机零件分别用高比重合金、钛合金、磁滞合金、碳化硼制成，无论表面多么光洁，由于材料物理本性所决定的晶构洞穴存在而藏污纳垢，以高比重合金最甚，碳化硼次之。这两个基本原因决定了轴承被污染不可避免，相应地只能采取排除污染、抑制污染的措施。

然而定子和转子组合件的特殊性给化学溶剂清洗造成种种限制，如转子组件清洗不能用酸碱，用常规溶剂却无效，采用离子轰炸清洗对小深孔又难以奏效。面对矛盾如此交错的化学清洗问题，择一而就地解决根本不可能，只有谨慎试验、逐一适从。

目前从调查污染物成分入手，针对不同零件分别配方清洗。坚持化学溶剂清洗与物理清洗方法相结合，经长期试验摸索，逐渐形成动压电机有效清洗工艺。从而装配清洗，排除轴承表面污染膜等按规定工艺规程进行，效果显著稳定。

3.2 零组件热真空除气处理

动压电机失效的主要原因是轴承表面污染；定子绕组浸渍漆和各种粘合剂在工作温度下运转挥发出来的低分子有机物，在气体动压轴承螺旋线泵的作用下，进入气膜间隙而沉积在轴承表面形成污染；清洗零件用的溶液残余物；轴承启停过程中轴承接触磨损产生的微粒；空气和氦气中的水蒸气，电机零件和浮子零件中的潮气。

动压电机采用热真空除气技术，预先清除定子的绝缘漆、胶的易挥发气体，避免污染轴承工作表面。热真空处理完后用脱脂棉蘸汽油或酒精擦洗热真空箱内壁，如发现脱脂棉有黄色污染物，重复进行热真空除气，直至热真空箱内壁无黄色污染物。另一方面为了降低有机物挥发对动压轴承的污染，从设计和工艺上尽量减少以至排除这些污染。定子绕组的浸渍漆和定、转子叠片的粘合剂采用耐高温低热失重的浸漆和粘合剂，并进行长期高温后处理，让低分子提前挥发以便在工作温度下尽可能少的挥发有机物，充分采用高纯度氦气。工艺上采用所有电机零件和浮子零件干燥后装配。轴承采用不对称螺旋槽，以排除湿气等。最近几年也出现了一些新的工艺技术，如电机定子包封、铁心叠片不用胶、定子外加防污染的屏蔽罩，这样都可以有效地防止有机物挥发污染。

3.3 动压电机碳化硼材料“白斑”问题

动压电机使用的热压微晶碳化硼零件磨光表面可见一些白色斑点，通过金相显微镜与电子探针的分析可以得出, “白斑”实际上是大小形状不同的孔洞。这些孔洞周围的材料组织结构是稳定的，不会带来严重影响陀螺电机寿命的风险，但是由于孔洞可能带来藏纳微小多余物的风险，因此建议产品不使用出现“白斑”的碳化硼零件。未见“白斑”的碳化硼零件也需要按照专用清洗工艺对零件进行有效清洗，这样才可保证动压电机的高可靠性。

4 结 语

通过建立动压电机启停可靠性模型并进行全面分析，针对每一个分支制定相应技术和管理措施，降低轴承启停可靠性风险，同时确定了其中最主要的影响因素，采取改进电机、轴承零组件的清洗、除气方法，加严对关键材料零件外观的检查和筛选标准，可保证动压电机的高可靠性。

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The Start and Stop Reliability of Study a Dynamic Hydrodynamic Gas Bearing Gyroscope Motor

WANGJing-feng1,2，LIUJing-lin1，BUShi2

(1．Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129,China；2．The 16th Institute，CATEC，Xi’an 710100,China)

The dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor was used for the liquid floated gyro with long-period and low-noise traits. The period of the liquid floated gyro depended on the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, with the start and stop times measured. Through the systematic analyzing of the start and stop reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, some technical measures were made on every branch of the start and stop reliability tree. Surplus material and white spots are the most important factor on the start and stop reliability. Some new thinking with regard to cleaning and degassing technology, appearance inspection and screening of the part of the dynamic hydrodynamic gas bearing were presented in the end. These were used for the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor, the reliability of the dynamic hydrodynamic gas bearing gyroscope motor obviously improves.

dynamic hydrodynamic gas bearing motor; start and stop; reliability

2015-06-26

TM307+.1

A

1004-7018(2016)06-0017-06

王京锋(1981-)，博士研究生，高级工程师，研究方向为陀螺电机技术。