陀螺转子轴承精度寿命试验

顾家铭，冯自立，陈晓阳, 江更祥

(1. 上海天安轴承有限公司，上海 200233； 2. 上海大学 轴承研究室，上海 200072； 3. 国防科工局协作配套中心，北京 100037)

采用滚动轴承支承陀螺仪框架以及电动机转子的陀螺仪俗称常规陀螺仪[1]。陀螺仪系统可靠性的关键是陀螺电动机的可靠性，而陀螺电动机转子轴承是陀螺电动机的关键部件[2]。陀螺电动机的主要故障可以归结为陀螺电动机转子轴承的润滑失效[2]。多孔含油保持架微量润滑在陀螺转子轴承的研制中发展起来，现已成为陀螺转子轴承的主要润滑方式[3-6]。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中止的标志[7]。以前对陀螺进行长寿命试验时，受样本容量和失效数据积累的限制，无法对试验数据做出可靠性评价。下文采用专门研制的试验机对某型号陀螺转子轴承进行精度寿命模拟试验研究，并建立了陀螺转子轴承精度寿命的统计模型。

1 试验样品

被试轴承为角接触球轴承SN728/4/X2/HE/P4，其结构如图1所示，主要技术指标见表1。

图1 SN728/4/X2/HE/P4结构示意图

表1 SN728/4/X2/HE/P4的主要技术指标

2 试验机及试验方案

2.1 试验机

采用某公司生产的CGS3-8型高温高速微型轴承试验机，可同时对2套轴承进行试验。试验机主要由试验主体、驱动系统、加载系统、测量系统、电气系统以及计算机系统组成。试验机驱动采用空气电主轴，并采用交流变频器进行无级调速。试验机内部结构如图2所示。

图2 试验机内部结构示意图

为了确保试验运行准确和可靠，该试验机配备了工业控制计算机系统，以实现对转速、轴向载荷、径向载荷和环境温度4个参数的自动控制与监测，并可以对5个试验参数(轴承温度、环境温度、轴承振动、电动机电流以及功率)进行定时采样存储、显示和打印。对于电动机电流、轴承振动、轴承温度和加载气压4个参数，计算机系统可设定警戒值进行超值报警停机和故障原因打印。图3所示为测试监控界面。

图3 测试监控界面

2.2 试验方案

选取8套轴承进行定时截尾试验，截尾时间设定为4 000 h。根据配套主机要求，轴向加载5 N，设定试验转速为58 000 r/min。

正式试验前，被试轴承在1/2试验转速下跑合3 h，待温度、振动值、电流、扭矩和功率等监测参数稳定后将转速调节至试验转速，继续观测3 h。待监测参数稳定后设置报警值，然后进行正式试验。轴承失效判据见表2。

表2 精度寿命模拟试验的失效判据

3 试验结果与分析

3.1 失效轴承零件外观观察结果

试验中共有5组(每组2套轴承，靠近联轴器的简称前轴承，靠近轴向加载气缸的简称后轴承)轴承失效。对失效轴承逐个拆套分析，结果见表3。陀螺转子轴承的典型失效形式如图4所示。由图4可知，陀螺转子轴承的失效主要由零件的磨损导致。在陀螺转子轴承中，保持架与钢球以及保持架与外圈引导面之间的接触副由2种不同材料组成，而聚酰亚胺与轴承钢相比，耐磨性较差。保持架与钢球是点接触，且梁最窄处仅约0.736 mm(设计尺寸)，强度低，所以梁易被高速滚动的钢球磨穿。因此，保持架是陀螺转子轴承中最薄弱的环节。钢球不仅与内、外圈沟道有强烈摩擦，还与保持架相互摩擦。由于保持架和钢球的磨损都很快，这使得保持架兜孔间隙迅速增大，进而导致钢球产生滑动，加速了润滑油膜的破裂，加剧了轴承的温升，使钢球表面烧伤发黑。

表3 精度寿命模拟试验失效情况分析

图4 典型失效形式

3.2 试验数据分布类型检验

陀螺转子轴承的精度寿命模拟试验结果具有随机性，须按照随机变量进行处理。确定陀螺转子轴承寿命分布类型是进行可靠性分析计算的基础，也是制定可靠性验收以及鉴定方案的依据。

在可靠性工程中，产品的寿命分布通常有：指数分布、正态分布、Weibull分布和极值分布。为了确定陀螺转子轴承精度寿命的分布类型，可采用概率纸的图估计法，但是此法人为判断因素很大，精度不高。为了定量分析试验数据的线性相关程度，可通过线性相关系数比较各统计分布对试验数据的总体拟合效果[8]。文献[9]根据似然比检验的原理，在综合考虑试验对象真实失效规律和尾部预测结果的安全性之后，提出了截尾数据的极大似然总体拟合效果评价方法。分别应用上述2种方法对陀螺转子轴承的精度寿命模拟试验结果进行计算，结果见表4(相关系数或似然函数值越大，代表分布拟合效果越好)。

表4 分布拟合效果分析结果

由表4可知，Weibull分布对精度寿命数据的总体拟合效果最好。按照文献[10]推荐的方法，进行截尾数据下的Weibull分布拟合检验，计算结果表明可以接受SN728/4/X2/HE/P4的精度寿命服从Weibull分布的假设。

3.3 试验数据可靠性分析

Weibull分布下，对定时截尾数据进行参数点估计的方法有：图估计法、最小二乘估计法和极大似然法，其中极大似然法的精度最高。编程计算得形状参数和尺度参数的极大似然估计分别为：βMLE=2.385，ηMLE=3 879.94。

由于寿命数据包含截尾信息，且样本量小，仅给出参数的点估计值是没有意义的，还必须结合参数置信区间对参数的真值加以估计。对于Weibull分布下的定时截尾数据而言，常用的参数区间估计方法有利用大样本下极大似然估计量渐进正态性的方法和似然比方法。文献[11]指出在小样本场合下，利用极大似然估计量渐进正态性的方法将产生很大的偏差。文献[12]通过计算表明，在较小的样本情形下，似然比方法优于利用大样本下极大似然估计量渐进正态性的方法。

对于两参数Weibull分布，似然比方法基于以下不等式

根据似然比方法的原理，绘制出形状参数与尺度参数在90%和95%置信水平下的联合置信区域，如图5所示。图5中纵坐标与横坐标分别为形状参数和尺度参数的变化范围。2条封闭曲线围成的区域，由内而外分别为形状参数和尺度参数的90%和95%联合置信区域。

图5 似然比方法得到的形状参数与尺度参数的联合置信区域

由图5可知，形状参数与尺度参数的90%置信区间分别为βLRC∈[0.894, 4.921]，ηLRC∈[2 521.7, 8 338.3]。对应于给定累积失效概率p的分位点xp的计算公式为

将参数的点估计值(βMLE,ηMLE)和下限估计值(βL-LRC,ηL-LRC)分别代入上式，得到SN728/4/X2/HE/P4在3种置信水平下的可靠寿命，见表5。

表5 3种置信水平下SN728/4/X2/HE/P4的可靠寿命 h

4 陀螺电动机寿命试验

虽然对陀螺转子轴承进行了模拟试验，但是陀螺电动机1∶1的寿命试验结果才是最有力的证明。陀螺轴承生产厂家向陀螺生产方提供了10套SN728/4/X2/HE/P4轴承进行陀螺电动机寿命试验。陀螺生产方用这10套轴承装配某型高速陀螺电动机(工作寿命指标150 h)共5只，并进行了装配试验、C组试验和通电寿命试验。陀螺电动机性能指标见表6。

表6 陀螺电动机性能指标

在陀螺电动机运转过程中，若某电动机任一性能指标超差，则停止该电动机运转。试验从2007年7月18日开始，至2007年9月24日结束。每只陀螺电动机通电时间累计达950 h。在整个试验过程中，电动机各项性能指标均满足要求。

加上装配调试37 h、交付试验1 h、C组试验5 h，每只陀螺电动机累计通电工作时间达1 023 h，且在54 000～60 000 r/min内运行超过1 000 h。由此可得出结论，SN728/4/X2/HE/P4轴承具有很大的潜力。对比表5可知，由极大似然估计得到的可靠性寿命较为符合实际情况，而基于参数下限估计的可靠性寿命则过于保守。

5 结论

(1)磨损是导致陀螺转子轴承失效的主要原因，且保持架是陀螺转子轴承最薄弱的环节。

(2)Weibull分布适用于作为陀螺转子轴承精度寿命的统计模型。

(3)由极大似然法对精度寿命模拟试验数据估计得到的可靠性寿命，较为符合陀螺转子轴承的真实寿命。