方位減速電機掃膛故障原因分析和對策

楊 洋，楊新星，錢建國，劉 一，王 濤

(1.空軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室，南京 210016；2.海軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室，南京 211153；3.南京長江電子信息產業集團有限公司，南京 210038)

0 引 言

本文雷達方位驅動系統由齒輪減速電機、齒輪傳動機構(回轉支承)、方位同步機構組成。齒輪減速電機的輸出軸上通過鍵聯接裝配一個圓柱直齒輪，該齒輪與回轉支承外圈齒輪嚙合。齒輪減速電機由齒輪減速機與伺服電機直聯集成一體，這種集成一體化的減速電機具有結構緊湊、模塊化設計等優點[1]。該型雷達一般情況下都安裝在天線罩內使用，電機故障率較低。只有少量雷達因未裝天線罩，在風力較大的地區使用時，其伺服電機的故障率較高。目前該減速電機在使用過程中多次發生伺服電機掃膛故障，拆解伺服電機后發現存在電機尾端軸承失效、電機后端掃膛和旋轉變壓器掃膛問題。

本文通過故障原因分析、受力和軸承壽命計算確認，最終形成相應對策：在減速機上增加過渡節，采用梅花聯軸器聯接伺服電機，或將伺服電機深溝球軸承6312、6306原位替代為角接觸球軸承7312C、7306B(面對面安裝)，最后通過實例提醒傳動設計人員：在進行減速電機選型時，除了要關注其輸出轉矩、轉速、減速比、許用徑向力、許用軸向力，更要關注和確定其可靠壽命。

1 故障及其原因分析

方位驅動系統構成如圖1所示。

圖1 方位驅動系統結構簡圖

齒輪減速電機的參數：電機額定功率20.3 kW，額定轉矩55 N·m，額定轉速3 520 r/min；減速機額定輸出轉速22.3 r/min，額定輸出扭矩8 086 N·m，減速比158.039，轉動慣量196.474 kg·cm2。將故障伺服電機與減速機脫開，發現伺服電機軸上裝有一斜齒輪，與減速機的輸入端斜齒輪直接嚙合，如圖2所示。

圖2 減速機與伺服電機間斜齒輪直接嚙合

拆解故障伺服電機，發現尾端軸承6306保持架折損、滾珠掉落，電機后端掃膛，旋轉變壓器定轉子掃膛，如圖3所示。

圖3 故障伺服電機拆解內部情況

該型齒輪減速電機的伺服電機與減速機的直聯集成采用了斜齒輪嚙合傳動方式。由機械原理可知，斜齒輪的嚙合傳動會產生一定的軸向力和徑向力[2]。

伺服電機輸出軸端承受的軸向力和徑向力會傳遞給電機支承軸承，尤其是深溝球軸承不能承受較大的軸向載荷，否則會縮短軸承的使用壽命[3，4]。

2 受力計算

一些雷達由于未安裝天線罩，在風力較大的地區使用時，方位驅動負載除了方位傳動系統摩擦力矩和慣性力矩，更主要的是方位風力矩負載。在風載荷下工作時，電機的最大輸出轉矩可能接近額定輸出轉矩。

估測電機軸上的右旋斜齒輪參數如下：齒數Z=21，法向模數mn=2 mm，法向壓力角αn=20°，螺旋角β=30°。按額定輸出轉矩T=55 N·m計算電機軸上斜齒輪的受力情況。

斜齒輪節圓直徑：

(1)

斜齒輪節圓切向力：

(2)

斜齒輪節圓徑向力：

(3)

斜齒輪節圓軸向力：

Fa=Fttanβ=2 268 N×tan30°≈1 309.4 N

(4)

電機軸端承受的徑向合力：

≈2 460.2 N

(5)

3 電機軸承壽命校核

3.1 電機軸承壽命估算

電機手冊上該型電機軸端可容許徑向力、軸向力與電機軸承的額定壽命見表1。

表1 可容許徑向力(Frad)和軸向力(Fax-l/Fax+l)與電機軸承使用壽命(L10h)

雷達天線工作運轉時電機順時針旋轉。雷達天線系統的最佳風力矩中心與旋轉中心不完全重合，在大風地區工作且未安裝天線罩的雷達，其天線方位旋轉時，天線系統的風向角因不斷變化使方位風力矩在正、負載荷間周期性變化[5-7]。伺服電機閉環控制，減速電機內部采用斜齒輪嚙合傳動，電機軸受到推力和拉力的交變作用。對照表1，可發現該電機在額定輸出轉矩下軸承使用壽命L10h在5 000 h以內。

3.2 電機軸承壽命計算

測量電機斜齒輪中心與前端支承軸承NTN6312的中心間距Ll=75 mm，前端支承軸承與尾端支承軸承NTN6306的中心間距L2=440 mm。電機兩支承軸承的內圈內側依靠電機軸軸肩實現軸向固定，兩軸承的外圈外側依靠電機前、后端蓋實現軸向固定。在此情況下，當電機軸受到較大推力時，由尾端軸承承受外部軸向力；當電機軸受到較大拉力時，由前端軸承承受外部軸向力。

(1)天線正轉時電機軸承受力情況

天線正轉時電機順時針旋轉，電機軸的受力情況如圖4所示。

圖4 天線正轉時電機軸的受力分析圖

軸垂直面受力情況，由力矩平衡條件可知

(6)

齒輪節圓半徑r=d/2=24.25 mm。將式(3)、(4)和L1、L2、r的數值代入上式，可得軸垂直面支反力FV1≈1 043.5 N，FV2≈90.3 N。

軸水平面受力情況，由力矩平衡條件可知

(7)

將式(2)和L1、L2的數值代入上式，可得軸水平面支反力FH1≈2 654.6 N，FH2≈386.6 N，則兩軸承承受的徑向載荷分別為

(8)

將式(6)、(7)的計算結果代入上式可得Fr1≈2 852.3 N，Fr2≈397 N。

(2)天線反轉時電機軸承受力情況

天線反轉時電機逆時針旋轉，電機軸的受力情況如圖5所示。

圖5 天線反轉時電機軸受力分析圖

軸垂直面受力情況。由力矩平衡條件可知

(9)

將相關數值代入上式，可得軸垂直面支反力FV1≈1 187.8 N，FV2≈234.6 N。

由式(7)可得軸水平面支反力為

(10)

由式(8)可得兩軸承承受的徑向載荷Fr1≈2 908.2 N，Fr2≈452.2 N。

(3)天線正轉時電機軸承壽命

電機軸由兩只深溝球軸承6312和6306支承。根據深溝球軸承的結構特點，其承受的軸向力只跟外部軸向力有關。為了簡化計算，天線正轉時尾端軸承6306承受外部軸向力Fa，則Fa2=Fa=1 309.4 N，而前端軸承6312只承受徑向力，則Fa1=0 N。

由NTN軸承手冊可知，軸承6312的徑向額定動載荷Cr1=82 000 N，徑向額定靜載荷C0r1=52 000 N，計算系數f01=13.2；軸承6306的徑向額定動載荷Cr2=26 700 N，徑向額定靜載荷C0r2=16 000 N，計算系數f02=13.3。

根據GB/T 6391-2010《滾動軸承額定動載荷和額定壽命》表3，查詢動載荷系數，采用線性內插法計算兩軸承的e、Y值。

對于軸承6312，Fa1/Fr1=0≤e1，則X1=1，Y1=0；對于軸承6306，相對軸向載荷f02Fa2/C0r2=13.3×1 309.4 N/16 000 N≈1.088，Fa2/Fr2=1 309.4 N/397 N≈3.30>e2≈0.283，則X2=0.56；由1.55-Y2/1.55-1.45=1.088-1.03/1.38-1.03，得Y2≈1.533，則兩軸承的徑向當量動載荷為

(11)

式中，fP為沖擊載荷系數，由于負載慣量比較大，且風力矩負載由正到負的周期性波動，所以取值1.5；X1、X2為徑向動載荷系數；Y1、Y2為軸向動載荷系數；Fr1、Fr2為軸承承受的徑向載荷；Fa1、Fa2為軸承承受的軸向載荷。

將式(8)的計算結果和X1、Y1、X2、Y2、Fa1、Fa2的數值代入式(11)，可得Pr1=4 278.5 N，Pr2≈3 344.4 N。

向心球軸承的基本額定壽命公式為

(12)

則兩軸承的額定壽命為

(13)

式中，Cr1、Cr2為基本徑向額定動載荷；Pr1、Pr2為徑向當量動載荷；n=2 396 r/min為軸承轉速。

將式(11)的計算結果和Cr1、Cr2的數值代入式(13)，可得L10h1≈4.9×104h；L10h2≈3.54×103h。

由計算結果可知，當天線正轉時，電機在額定輸出轉矩工況下尾端軸承6306的壽命較短，按每天運轉8 h計算，其壽命約為1.2 a；按每天運轉12 h計算，其壽命約為0.8 a。

(4)天線反轉時電機軸承壽命

將式(10)和X1、Y1、X2、Y2、Fa1、Fa2的數值代入式(11)，可得兩軸承的徑向當量動載荷為Pr1≈6 396.6 N，Pr2=678.3 N。將結果代入式(13)，可得兩軸承的額定壽命L10h1≈1.47×104h，L10h2≈4.25×105h。

根據以上計算結果，當天線正轉時，在接近額定輸出轉矩工況下，該型減速電機運轉使用壽命極短，只適合在有天線罩的平穩工況下運轉。這是因為伺服電機與減速機直聯采用了斜齒輪嚙合，斜齒輪嚙合傳動產生了較大的軸向力。而伺服電機通常采用深溝球軸承支承電機軸，深溝球軸承的結構特點決定了其不能承受較大的軸向載荷。

4 對 策

由計算結果可知，當天線正轉時，當伺服電機在額定輸出轉矩為55 N·m、轉速為2 396 r/min時，其尾端軸承的壽命L10h為3 540 h，不能滿足長期運轉的要求。針對該問題，目前有兩種解決措施：一是在減速機輸入端增加過渡節，將電機軸上的斜齒輪移入減速機，通過梅花聯軸器與伺服電機聯接，這樣就隔離了斜齒輪嚙合產生的軸向力和徑向力，電機軸承壽命得到大幅度的提高；二是不改變減速機與伺服電機的聯接方式，將伺服電機支承深溝球軸承原位替代為單列角接觸球軸承，角接觸球軸承的承載能力較深溝球軸承高，可以承受較大的軸向載荷。措施一能夠大幅度提高電機軸承的額定壽命，但需要改造減速機，增加過渡節，并更換伺服電機軸，實施起來比較困難，而措施二易于實施。

為了實現原位替代，分別選用與原軸承安裝接口一致的單列角接觸球軸承7312和7306。單列角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向力，且承受徑向載荷時會產生內部軸向力，因此需配對安裝。受電機內部結構的限制，角接觸球軸承只能采取面對面安裝方式。單列角接觸球軸承分為C型(接觸角為15°)、AC型(接觸角為25°)、B型(接觸角為40°)。接觸角越大，軸向承載能力越強，但產生的內部軸向力也越大。由于前端軸承承受較大的徑向載荷，在滿足要求的情況下應盡量選用小接觸角的軸承。前端軸承選用HRB7312C/P5與尾端軸承SKF7306BEP匹配，經過下列計算證實能夠大幅度地提高電機軸承的額定壽命。

(1)天線正、反轉時軸承受力情況

當角接觸球軸承HRB7312C/P5、SKF7306BEP面對面安裝時，根據軸承相關參數，其受力點偏向電機軸支承軸承的內側方向，則斜齒輪中心與前端軸承支點的距離L1=88 mm，兩軸承支點的距離L2=405.5 mm。

將L1、L2及式(2)～(4)數值代入式(6)～(9)，可得天線正轉時兩軸承承受的徑向載荷為

(14)

天線反轉時兩軸承承受的徑向載荷為

(15)

(2)天線正轉時電機軸承壽命

查軸承手冊，軸承HRB7312C/P5的徑向額定動載荷Cr1=105 000 N，徑向額定靜載荷C0r1=76 300 N，計算系數f0=14.9；軸承SKF7306BEP的徑向額定動載荷Cr2=32 500 N，徑向額定靜載荷C0r2=19 300 N，計算系數e2=1.14，X2=0.35，Y2=0.57。

對于軸承7312，f0iFa/C0r1=14.9×1×1 309.4/76 300≈0.256，采用線性內插法計算得e1≈0.389，則兩軸承的內部軸向力為

(16)

將式(14)和e1、e2的數值代入上式，可得Fs1≈1 153.2 N，Fs2≈579.9 N。

當天線正轉時，電機軸承的軸向受力情況如圖6所示。

圖6 天線正轉時電機軸承軸向受力情況

當Fa+Fs1>Fs2時，前端軸承7312被“放松”，尾端軸承7306被“壓緊”[8-11]，則兩軸承的軸向載荷為

(17)

Fa1/Fr1=1 153.2/2 964.6≈0.389≤e1，則X1=1，Y1=0；Fa2/Fr2=2 462.6/508.7≈4.84>e2，則X2=0.35，Y2=0.57。

將式(14)、(17)和X1、Y1、X2、Y2的數值代入式(11)，可得兩軸承的徑向當量動載荷為Pr1=4 446.9 N，Pr2≈2 372.6 N。將此結果及Cr1=105 000 N、Cr2=32 500 N代入式(13)，可得兩軸承的額定壽命L10h1≈9.16×104h，L10h2≈1.79×104h。

由以上計算結果可知，天線正轉時電機在額定輸出轉矩工況下，尾端軸承的額定壽命較前端軸承短，電機尾端軸承的額定壽命約為原狀態的5倍多，按每天運轉8 h計算，其額定壽命為6 年多；按每天運轉12 h計算，其額定壽命為4年多。

(3)天線反轉時電機軸承壽命

將式(15)和e1、e2的數值代入式(16)，可得兩軸承的內部軸向力為Fs1≈1 216.5 N，Fs2≈648.5 N。

當天線反轉時，電機軸承的軸向受力情況如圖7所示。

圖7 天線反轉時電機軸承的軸向受力情況

當Fa+Fs2>Fs1時，前端軸承7312被“壓緊”，尾端軸承7306被“放松”，則兩軸承的軸向載荷為

(18)

Fa1/Fr1=1 957.9/3 025.3≈0.647>e1，則X1=0.44，采用線性內插法計算得到Y1≈1.393。Fa2/Fr2=648.5/568.9=1.14≤e2，則X2=1，Y2=0。

將式(15)、(18)和X1、Y1、X2、Y2的數值代入式(11)，可得兩軸承的徑向當量動載荷為Pr1≈6 087.7 N，Pr2=853.4 N。將此結果及Cr1、Cr2的數值代入式(13)，可得兩軸承的額定壽命L10h1≈3.57×104h，L10h2≈3.84×105h。

由上述計算結果可知，采取措施二后電機軸承的壽命得到大幅提高。天線正轉時，電機尾端軸承的壽命較前端軸承短；天線反轉時，電機前端軸承的壽命較尾端軸承短。天線正轉時，電機軸承的壽命較天線反轉時短。天線工作運轉模式為正轉，在大風情況下，天線轉動時方位力矩在負、正載荷間交變。伺服電機閉環控制，負載荷時電機支承軸承的受力情況相當于天線反轉。該措施可以延長電機的使用壽命，但能否滿足長期使用要求還需要通過實際應用來驗證。

5 結束語

將伺服電機支承軸承由深溝球軸承原位替代為角接觸球軸承HRB7312C/P5、SKF7306BEP(面對面安裝)，能夠大幅提高電機軸承的使用壽命，電機能否滿足長期使用要求則需要通過實際應用來驗證。在減速機輸入端增加過渡節，通過梅花聯軸器與伺服電機聯接，可以徹底解決電機掃膛問題，但實施起來比較困難。

綜上所述，在對減速電機進行選型時，不能只考慮手冊上的額定功率、額定轉矩、轉速是否滿足使用要求，更要清楚其可靠壽命。如果手冊未提供減速電機的可靠壽命數據，盡量不要選用斜齒輪嚙合直聯方式，優先選用聯軸器聯接方式，這樣電機壽命才有保障。