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微电机杯士失效分析


  永磁直流微电机的失效类型多种多样,其总的特征表现为组成零部件的损坏。为了提高微电机的运行可靠性、延长使用寿命,从微电机的零部件性能改善、结构优化着手是必然选择。

 


  微电机杯士失效分析改善

 

  微电机杯士:是利用粉末冶金方法,生产的一种烧结金属多孔质材料滑动轴承,又称为多孔质金属轴承,杯士常要浸透添加润滑油,材料的孔隙率越高,油越多,但强度低,。当轴颈在杯士中旋转时,因摩擦生热,杯士材料受热膨胀把油挤出孔隙,同时因轴旋转产生抽真空现象把油吸出,此外还有孔隙对润滑油的毛细作用,能使转轴与杯士接触面之间形成一层运动状态的油膜,起连续作用。

 


  微电机杯士可分为铜基杯士与铁基杯士


  烧结金属的多孔质构造虽与材料种类有关,但主要取决于金属粉末的晶粒粗细及纹理;用来制造杯士的青铜和铁都可以达到同样的多孔质构造。铜杯士与铁杯士适应于相同的应用,因而从经济上考虑虚首选铁杯士,尤其是体积较大消耗材料较多的杯士。但铁杯士承载能力稍低,且铁容易生锈,相比之下铜杯士具白更好的可靠性。

 


  微电机杯士性能对比

 

项目

单位

铜基

加铜铁基

铁基

抗压强度

MPa

150-200

300-400

200-300

最高轴颈速度

m/s

7.5

/

4.0

最大PV值

MPa●m/s

1.75-2.00

1.75-2.00

1.4-1.75

热导率

W/(m●k)

41.8

/

41.8

膨胀系数

l/k

15*10-6

/

15*10-6

静止最大负荷

Mpa

52-70

100-138

55-70

 

  铜基或铁基粉末加入少量石墨(最多2%),可以增强微电机杯士的耐磨性,并吸取微电机杯士噪声:在缺油的情况下,石墨的自润滑性对寿命很长的马达更具有现实意义。但石墨的加入会使杯土强度有所降低,并且,如果石墨含量过多(超过2%),在50℃以上温度,且杯士与轴颈间隙较大时,杯士油与石墨有可能会粘合硬化成浆糊状,温度越高,这种粘合糊状就变的越硬,影响杯士的滑动特性。从而会影响电机寿命。 

 


  微电机杯士的工作特性


  (1)滑动特性


  含油杯士具有良好的滑动特性。在紧急情况下短时无油运转性能良好,这是由特定的结构所决定。杯士通过油孔为其提供足够的润滑油,这样能满足长时间的连续运行或间隙运行。同时含油杯士可有较高的滑动速度,能够确保高速旋转机械可靠工作。而烧结金属的孔隙构造给予杯士以优良的吸声性能,因此含油杯士也适应于要求滑动运转的静音设备及其它器械。


  (2) 工作温度


  杯士的允许温度范围决定于所浸入的杯士油的品质。如果油的粘度与杯士温度不相匹配,温度升高后油变得更稀将沿轴项蠕动,甚至从杯士端面溢出,而油被流失导致温度更加升高,最后会因材料的疲劳使杯士过早地失效。但是,如果在工作温度条件下油太绸太粘将引起附加摩棕,对使用徽电机作机电能量转换的灵敏及精密设备系统,会导致意想不到的问题出现。 

 

  (3) 负载特性

  杯士的工作期限取决于单位面积载荷与轴颈线速度的乘积

微电机负载特性

PV值载荷与速度曲线 


 

通用机械

1000

精密音响

200

轴向负荷

200

视听产品

250

家用电器

500

办公设备

200

PV推荐值

 

  (2) 微电机杯士寿命


  含油杯士的寿命取决于杯士油的消耗率,通常是将消耗油量的
40%所需的时间视为杯士寿命。这是因为含油量消耗了40%后,杯士的磨损加剧性能降低:考虑到温度的影响,通常认为杯士油的上作温度不超过80。 

微电机曲线

  微电机杯士润滑

  杯士润滑主要有三种涧滑状态,流体润滑,混合润滑和边界润滑。

  (1)流体润滑

  流体润滑有动压与静压润滑之分。流体动压润滑是指在一定条件下,靠摩擦面的相互运动,用粘性流体将两摩擦面完全隔开,由流体的动压力(即流体膜的内压力)支承载荷,将摩擦面之间的固体摩擦转变成流体内摩擦。流体静压润滑是靠泵或其它外界压力将加压后的流体送入两摩擦表面之间,利用流体静压力来支承载荷。这种润滑状态因结构原因在微电机中不便采用。


  (2) 边界润滑

  流体动压润滑是杯上润滑的理想状况,但它受到油的粘度、转速、负载等多方面因素的影响,当油膜压力不足以支承载荷,或因负载变化等因素影响致使油膜破裂时,摩擦面直接接触,即处于边界润滑状况。 

 

  (3) 混合润滑

  当油膜厚度较薄时,局部表面的轮廓顶部可能穿透润滑膜而直接接触,形成边界润滑,而在其它区域仍处于流体润滑状态。边界润滑和流体润滑同时存在的状态称为混合润滑,又称不完全润滑或薄油脱。混合润滑的特性是流体润滑与边界润滑两种特性综合反映微电机的杯士润滑,由于杯士间隙很小,加之转轴扰度(弯枝)以及两端杯士的对中偏差,难以形成足够的油膜厚度达到流体动压润滑状态,因而杯上通常的润滑状态就是混合润滑。 

 


  微电机杯士的磨损 

 

  磨损是指相互作用的固体表面在相对运动中,接触表面层的材料发牛损耗或转移的过程。磨损可分为磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损“及化学腐蚀磨损、流体冲蚀磨损等几种基本的类型,杯士磨损主要是前三种。 

 

  磨粒磨损:在摩擦过程中,由于外界硬颗粒或摩擦表面上坚硬的微凸体引起表面材料脱落的现象称为磨粒磨损,杯士的干磨擦及边界摩擦的磨损大多属于这种情况。磨粒磨损包括两种情况,一是杯士材料中游离的峰硬粒子引起袁面材料脱落:二是粗糙坚硬的轴颈表面在杯士面上运动引起表层材料脱落。


  要减小磨粒磨损,轴颈须有很高的光洁度、适当的硬度,用于制造杯士的材料粉末要精细,杯士油中无游离颗粒杂质等。


  疲劳磨损:摩擦时表面有周期性的载荷作用.使接触区产生很大的变形和压力,并形成裂纹而损坏表面材料的现象称为疲劳磨损,通常是周期性的超载或冲击载荷情况下可能了,出现疲劳磨损现象。疲劳磨损也包括两种情况,非打展性的磨损(点蚀)和扩展性的磨损(剥层)。


  粘着磨损:通常,摩擦表面的实际接触面积只宵名义面积的百分之一到万分之一,因而接触峰点的压力很大,并可产生1000℃以上的瞬时温度,使峰顶的接触表面发生固相焊台,形成摩擦结点,这种现象称为粘着。粘着结点具有很强的粘着力,当外力小于结点处的粘着力时,便发生咬死现象;外力大于粘着力时结点被剪切断裂,结点剪切断裂的部位不同,粘着磨损的程度不一样,据此可将粘着摩损区分为:涂抹、擦伤、刮伤、胶合及咬死。 


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