馮 強(qiáng) 任成祖 吳寶杰 陳 治 劉建龍

(1.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300072；2.中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司潤(rùn)滑脂分公司 天津 300480)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)是新能源汽車的核心技術(shù)之一，其使用壽命、可靠性對(duì)新能源汽車的綜合性能有著至關(guān)重要的影響。滾動(dòng)軸承是支撐新能源車驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)部件，目前全部采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。在新能源汽車中PWM逆變器的使用大大提高了交流電機(jī)的性能，但也對(duì)電機(jī)產(chǎn)生了不良影響。對(duì)電機(jī)可靠性的研究表明，由于電機(jī)軸承的損壞而導(dǎo)致的電機(jī)損壞占損壞總數(shù)的40%，而有25%的電機(jī)軸承損壞是由于PWM速度增加。PWM驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)在電機(jī)三相繞組中點(diǎn)和直流母線中點(diǎn)之間產(chǎn)生共模電壓，共模電壓通過(guò)電機(jī)的寄生電容耦合到轉(zhuǎn)軸上，形成“軸電壓”。當(dāng)“軸電壓”超過(guò)軸承中潤(rùn)滑脂膜的擊穿閾值時(shí)在軸承的內(nèi)圈-滾動(dòng)體-外圈之間會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，即“軸承電流”。這種軸承電流在滾動(dòng)體與溝道表面產(chǎn)生電火花放電會(huì)造成局部高溫而形成燒蝕坑，最終在軸承內(nèi)部形成電腐蝕紋而使軸承失效。這種電蝕現(xiàn)象在新能源車充電樁的散熱風(fēng)扇軸承、新能源車驅(qū)動(dòng)橋軸承、風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承、牽引電機(jī)軸承、空調(diào)直流電機(jī)軸承、變頻電機(jī)軸承上廣泛存在[1-4]。朱顯輝等[5]研究了軸電流對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)軸承壽命的影響，給出了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸電容和軸承壽命的解析計(jì)算方法。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況(例如溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、振動(dòng)等)的變化顯著影響軸電流的形成條件，而軸電流對(duì)軸承壽命的影響目前難以靠理論計(jì)算進(jìn)行預(yù)測(cè)[6]。

目前，針對(duì)導(dǎo)電潤(rùn)滑脂的研究主要集中在用于電力輸送領(lǐng)域或低壓電器領(lǐng)域的導(dǎo)體連接處，如電路開(kāi)關(guān)、電連接器和輸變電設(shè)備等，這類電力復(fù)合脂目的是為了降低接觸電阻、導(dǎo)熱并能夠防止部件表面腐蝕[7-9]。由于應(yīng)用工況的不同，這類電力復(fù)合脂并不適合用于滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑，且脂中過(guò)多的導(dǎo)電類固體添加劑的加入會(huì)增加滾動(dòng)軸承磨粒磨損的風(fēng)險(xiǎn)。滾動(dòng)軸承一般運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高，對(duì)潤(rùn)滑壽命有苛刻的要求，滾動(dòng)體與滾道之間形成的潤(rùn)滑膜厚在微米量級(jí)[10]。對(duì)于滾動(dòng)軸承，為了緩解或避免電蝕失效的風(fēng)險(xiǎn)，一般會(huì)采用軸承外圈絕緣的方法，例如軌道交通車輛的牽引電機(jī)軸承，或者采用具有導(dǎo)電功能的潤(rùn)滑脂[11]。前者軸承成本高昂，后者可降低脂潤(rùn)滑條件下潤(rùn)滑膜的擊穿電壓。為研究導(dǎo)電潤(rùn)滑脂在滾動(dòng)軸承中的導(dǎo)電特性，本文作者對(duì)加有不同導(dǎo)電材料的潤(rùn)滑脂的導(dǎo)電特性進(jìn)行研究，同時(shí)針對(duì)體積表面電阻率測(cè)試方法存在的問(wèn)題，基于滾動(dòng)軸承的工況開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)脂潤(rùn)滑軸承擊穿電壓測(cè)試方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品制備

采用芳香族二聚脲為稠化劑，以烷基二苯醚油為基礎(chǔ)油(40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為100 mm2/s，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為12 mm2/s)經(jīng)煉制及三輥機(jī)研磨制成基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂，其中稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%。將導(dǎo)電材料A和導(dǎo)電材料B分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1%、1.5%混入基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂中，經(jīng)三輥研磨機(jī)分散后制成樣品，其名稱、組成及潤(rùn)滑脂特性見(jiàn)表1。其中潤(rùn)滑脂的工作錐入度按照GB/T 269—1991《潤(rùn)滑脂和石油脂錐入度測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)試，而潤(rùn)滑脂滴點(diǎn)采用GB/T 3498—2008《潤(rùn)滑脂寬溫度范圍滴點(diǎn)測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)試。因2種導(dǎo)電材料均有一定的稠化能力且耐溫性良好，故加入導(dǎo)電材料后潤(rùn)滑脂工作錐入度有所下降，滴點(diǎn)略有提升(見(jiàn)表1)。

表1 試驗(yàn)潤(rùn)滑脂樣品組成及特性Table 1 Composition and characteristics of grease samples

1.2 試驗(yàn)及檢測(cè)方法

1.2.1 體積電阻率測(cè)試

采用GEST-121型體積電阻率測(cè)試儀在室溫下對(duì)制備的樣品進(jìn)行體積表面電阻率測(cè)試。該方法將一定體積的潤(rùn)滑脂裝填在2個(gè)電極之間，經(jīng)測(cè)試得到潤(rùn)滑脂的體積電阻率。體積電阻率測(cè)試方法所使用的潤(rùn)滑脂量較大，而在轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂因動(dòng)壓效應(yīng)在滾動(dòng)體與溝道之間形成微米量級(jí)的潤(rùn)滑膜，因此體積電阻率測(cè)試與滾動(dòng)軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂的工作狀態(tài)存在很大的差異。

1.2.2 動(dòng)態(tài)脂潤(rùn)滑軸承擊穿電壓測(cè)試

為了準(zhǔn)確模擬滾動(dòng)軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂工作時(shí)的導(dǎo)電或絕緣狀態(tài)，本文作者設(shè)計(jì)并制造了脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)的原理圖見(jiàn)圖1。2個(gè)6202軸承通過(guò)一根鋼質(zhì)軸安裝在絕緣的底座上，電機(jī)通過(guò)絕緣聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)軸和2個(gè)軸承旋轉(zhuǎn)，軸承轉(zhuǎn)速可調(diào)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為600 r/min，注脂量為單個(gè)軸承1.5 g?？删幊讨绷麟娫创?lián)一個(gè)限流電阻R0，阻值為23.5 Ω，正負(fù)極分別連接2個(gè)軸承的外圈形成電流回路，通過(guò)電流表和電壓表測(cè)量、記錄電路的電流、電壓值。電流在2個(gè)軸承外圈、內(nèi)圈、軸之間形成回路。采用2個(gè)軸承的方法使得電源線與軸承外圈之間為靜態(tài)接觸，從而避免單個(gè)軸承測(cè)量的動(dòng)態(tài)接觸電阻誤差。測(cè)量時(shí)首先啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并調(diào)整至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，然后調(diào)整可編程直流電源電壓從0開(kāi)始以0.1 V為步進(jìn)值逐漸增大電壓直至1 V，超過(guò)1 V后步進(jìn)值以0.5 V增加，至潤(rùn)滑膜被擊穿后再以同等電壓步進(jìn)值逐漸減小電壓，直至電源輸出電壓為0，期間記錄對(duì)應(yīng)的電壓值和電流值。

圖1 脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)示意Fig 1 Schematic of dynamic conductivity testing machinefor grease lubricated bearings

電源電壓U從0逐漸升高，初始階段軸承處于絕緣狀態(tài)，軸承兩端的電壓等于電源電壓。當(dāng)電源電壓升高至擊穿電壓時(shí)，擊穿瞬間電路導(dǎo)通，軸承阻值迅速下降，受電阻R0分壓的影響軸承兩端的電壓下降。將電源電壓值、電流值和軸承接觸電阻值作圖可得到脂潤(rùn)滑軸承的擊穿電壓曲線。軸承阻值發(fā)生突變且電流值隨電源電壓增加呈線性增大時(shí)的臨界電壓即為潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑膜的擊穿電壓。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同導(dǎo)電材料對(duì)潤(rùn)滑脂導(dǎo)電特性的影響

采用GEST-121型體積表面電阻率測(cè)試儀測(cè)得的各個(gè)潤(rùn)滑脂樣品的體積電阻率結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?種導(dǎo)電材料的加入均使基礎(chǔ)脂的體積電阻率有所下降，但是導(dǎo)電材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加至1.5%體積電阻率從數(shù)量級(jí)上并沒(méi)有明顯的變化，潤(rùn)滑脂仍然處于絕緣的狀態(tài)。并且從導(dǎo)電材料加入后潤(rùn)滑脂體積電阻率的數(shù)據(jù)變化上看，2種導(dǎo)電材料沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的區(qū)別。

采用脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的各個(gè)樣品的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電特性曲線如圖2所示，擊穿電壓數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。圖2中縱坐標(biāo)為軸承的電阻，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為軸承的電壓。介質(zhì)在外加電場(chǎng)的作用下隨著電壓的升高電流-電壓關(guān)系不再服從歐姆定律，電流比電壓增大得更快，當(dāng)電壓升至某臨界值大量的電能迅速釋放使電極之間的材料局部被燒毀，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。從潤(rùn)滑脂樣品的滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電特性圖及對(duì)應(yīng)的擊穿電壓數(shù)據(jù)可以看出，基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂BG的動(dòng)態(tài)擊穿電壓高達(dá)29 V；當(dāng)電壓從0開(kāi)始逐漸升高時(shí)，初始階段軸承處于絕緣狀態(tài)，當(dāng)電壓升高至擊穿電壓時(shí)軸承的電阻值急速下降，此時(shí)潤(rùn)滑膜被擊穿而呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)。

表2 潤(rùn)滑脂樣品的體積電阻率及脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Volume resistivity of greases and dynamic breakdown voltage of grease-lubricated bearings

圖2 滾動(dòng)軸承中各潤(rùn)滑脂樣品的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電特性Fig 2 Dynamic conductivity characteristics of greases in bearing

在試驗(yàn)中，導(dǎo)電材料A與導(dǎo)電材料B均呈現(xiàn)出隨添加量的增大而使基礎(chǔ)脂的擊穿電壓下降的趨勢(shì)，且在同等添加量的情況下導(dǎo)電材料B對(duì)基礎(chǔ)脂軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓的影響明顯大于導(dǎo)電材料A。導(dǎo)電材料A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加至1%時(shí)動(dòng)態(tài)擊穿電壓的下降十分明顯，而增加至1.5%時(shí)動(dòng)態(tài)擊穿電壓的下降幅度變得不再明顯,而導(dǎo)電材料B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1.5%時(shí)動(dòng)態(tài)擊穿電壓仍舊有明顯的降幅，從圖2中可以看出，潤(rùn)滑脂樣品BGB15在動(dòng)態(tài)脂潤(rùn)滑軸承擊穿電壓測(cè)試中隨電壓的增大軸承的動(dòng)態(tài)電阻迅速下降，其擊穿電壓僅為2.5 V。這說(shuō)明導(dǎo)電材料B相對(duì)于導(dǎo)電材料A在降低動(dòng)態(tài)擊穿電壓方面具有更好的效果。

對(duì)比GEST-121型體積表面電阻率測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂的體積電阻率測(cè)試并不能區(qū)分2種導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能。這說(shuō)明體積電阻率測(cè)試和動(dòng)態(tài)脂潤(rùn)滑軸承擊穿電壓測(cè)試存在本質(zhì)的區(qū)別。

2.2 導(dǎo)電環(huán)現(xiàn)象

按照前述的測(cè)試步驟，調(diào)整直流電源電壓從0開(kāi)始以0.1 V為步進(jìn)值逐漸增大電壓直至1 V，超過(guò)1 V后步進(jìn)值以0.5 V增加，至潤(rùn)滑膜被擊穿(此階段為電壓上行曲線)，然后再以0.5 V的步進(jìn)值逐漸減小電壓，低于1 V時(shí)調(diào)整步進(jìn)值為0.1 V，直至電源輸出電壓為0(此階段為電壓下行曲線)，期間記錄對(duì)應(yīng)的電壓值和電流值，經(jīng)計(jì)算后對(duì)軸承的電壓和電阻作圖得到圖3。為方便觀測(cè)圖中僅給出樣品BG、BGA15、BGB15的數(shù)據(jù)，其他樣品具有相同趨勢(shì)的規(guī)律。由圖3可以看出，每一個(gè)樣品的電壓上行曲線、電壓下行曲線、y軸三條線構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)，稱之為“導(dǎo)電環(huán)”。

圖3 動(dòng)態(tài)脂潤(rùn)滑軸承擊穿電壓測(cè)試中的導(dǎo)電環(huán)Fig 3 Conductive ring in test of breakdown voltageof dynamic grease lubricated bearing

以基礎(chǔ)脂樣品BG為例，從電壓為0開(kāi)始隨著電壓的升高軸承一直處于絕緣狀態(tài)，當(dāng)電壓達(dá)到29 V時(shí)軸承電阻突然下降至低點(diǎn)，此時(shí)軸承處于導(dǎo)電狀態(tài)。按步進(jìn)值逐漸下調(diào)電壓，在電壓低于29 V后軸承并沒(méi)有退回絕緣狀態(tài)而是一直處于導(dǎo)電狀態(tài)。隨著電壓的下降軸承的電阻值緩慢增大，直至電壓低于5 V之后軸承電阻才開(kāi)始快速增大。樣品BGA15與基礎(chǔ)脂BG十分類似，只是導(dǎo)電環(huán)的面積遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)脂BG。樣品BGB15的導(dǎo)電環(huán)面積最小，電壓上行曲線和電壓下行曲線的距離最為接近。導(dǎo)電環(huán)面積的大小可直接反映出潤(rùn)滑脂在轉(zhuǎn)動(dòng)軸承內(nèi)的導(dǎo)電特性差異。

2.3 討論

2.3.1 2種不同導(dǎo)電特性測(cè)試方法的本質(zhì)區(qū)別

如表2所示，不同樣品的體積電阻率的測(cè)試結(jié)果均在同一數(shù)量級(jí)，且這一數(shù)量級(jí)顯示潤(rùn)滑脂樣品均處于絕緣體狀態(tài)。這與實(shí)際情況并不相符。因此，體積電阻率測(cè)試并不能很好地區(qū)分潤(rùn)滑脂樣品的導(dǎo)電特性。表2中不同潤(rùn)滑脂樣品的動(dòng)態(tài)擊穿電壓數(shù)據(jù)區(qū)別非常明顯，產(chǎn)生這一問(wèn)題的根本原因在于兩個(gè)方面：一是潤(rùn)滑脂導(dǎo)電特性測(cè)試時(shí)電極之間的距離；二是導(dǎo)電材料在潤(rùn)滑脂中導(dǎo)電存在狀態(tài)。

在體積電阻率測(cè)試中，電極之間距離相對(duì)較大，在厘米尺度(如圖4所示)，基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂本身是絕緣體，加入的導(dǎo)電材料最多僅1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，占比很小且粒徑在微米量級(jí)。因此導(dǎo)電材料全部被絕緣性的基礎(chǔ)脂包圍并隔離成一個(gè)個(gè)孤島。在厘米尺度上，這些具有導(dǎo)電性的“孤島”相互之間無(wú)法形成有效連接而在正負(fù)極之間形成通路，因此在體積電阻率測(cè)試中呈現(xiàn)絕緣體狀態(tài)。根據(jù)“滲流理論”，當(dāng)導(dǎo)電添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于滲流閾值時(shí)，導(dǎo)電潤(rùn)滑脂的導(dǎo)電能力變化不大[12-15]。當(dāng)導(dǎo)電添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于滲流閾值質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，導(dǎo)電添加劑之間直接或緊密接觸，在電場(chǎng)作用下形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通路。顯然最高1.5%的導(dǎo)電添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒(méi)有達(dá)到滲流閾值。在滾動(dòng)軸承用潤(rùn)滑脂中加入大量的固體導(dǎo)電添加劑是不現(xiàn)實(shí)的，會(huì)引起溝道或滾動(dòng)體表面壓痕而產(chǎn)生源自表面上的早期剝落[16]。

圖4 體積電阻率測(cè)試潤(rùn)滑脂與導(dǎo)電材料存在狀態(tài)示意Fig 4 The presence of grease and conductivematerials in the volume resistivity test

在脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測(cè)試中潤(rùn)滑脂被注入6202軸承內(nèi)，軸承靜止時(shí)鋼球與內(nèi)圈、外圈直接接觸，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)。軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，基于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的原理在鋼球與內(nèi)、外圈接觸的接觸區(qū)形成一定厚度的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜，潤(rùn)滑膜的厚度與速度參數(shù)的0.7次方成正比，計(jì)算公式可參考Hamrock和Dowson點(diǎn)、線接觸彈流潤(rùn)滑膜厚公式[10]。此時(shí)鋼球和內(nèi)、外圈之間被微米尺度厚度的潤(rùn)滑膜隔離，回路處于斷路狀態(tài)，如圖5(a)所示。導(dǎo)電材料的粒度也在微米級(jí)別。此時(shí)提升軸承內(nèi)、外圈之間的電壓，在潤(rùn)滑膜的兩側(cè)形成電場(chǎng)，導(dǎo)電材料在電場(chǎng)的作用下定向排列，直至潤(rùn)滑膜被擊穿，回路導(dǎo)通。油膜被擊穿后導(dǎo)電材料粒子的存在方式有3種可能：①導(dǎo)電材料定向排列，直接連接滾動(dòng)體和溝道形成導(dǎo)電通路；②導(dǎo)電材料在電場(chǎng)下聚集但是并未直接形成滾動(dòng)體與套圈溝道之間的通路，而是相對(duì)減小了滾動(dòng)體溝道表面之間絕緣材料的厚度，彼此之間通過(guò)隧道效應(yīng)形成通路；③仍有一部分導(dǎo)電材料處于孤島狀態(tài)[17]。與大尺寸的體積電阻率測(cè)試相比，在微米量級(jí)潤(rùn)滑膜厚度上更容易形成通路，如圖5(b)所示。

圖5 導(dǎo)電材料在軸承滾動(dòng)接觸區(qū)的存在狀態(tài)Fig 5 The presence of conductive materials in the rolling contactarea of bearing(a)the oil film is not broken down；(b) after the oil film is broken down

綜上所述，2種不同導(dǎo)電特性測(cè)試方法的本質(zhì)區(qū)別在于電極之間潤(rùn)滑脂的厚度。體積電阻率測(cè)試潤(rùn)滑脂的厚度在厘米尺度,因而潤(rùn)滑脂樣品的體積電阻率測(cè)試和脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測(cè)試表現(xiàn)出了完全不同的結(jié)果，脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測(cè)試能夠直觀地表述滾動(dòng)軸承用導(dǎo)電潤(rùn)滑脂的導(dǎo)電特性。

2.3.2 不同導(dǎo)電材料對(duì)擊穿電壓的影響

轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承在滾動(dòng)接觸區(qū)形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜，普通潤(rùn)滑膜為絕緣狀態(tài)，厚度處于微米量級(jí)。這樣在軸承的內(nèi)圈與外圈之間施加一個(gè)電壓時(shí)在軸承外圈-滾動(dòng)體、滾動(dòng)體-軸承內(nèi)圈形成2個(gè)電容，而潤(rùn)滑脂充當(dāng)了電容器的介電材料?；A(chǔ)脂樣品BG沒(méi)有添加任何導(dǎo)電材料，其中被束縛的電荷在電場(chǎng)的作用下脫離了原子或分子的束縛而參與導(dǎo)電，潤(rùn)滑膜被擊穿。潤(rùn)滑膜的擊穿電壓大小與潤(rùn)滑脂形成的潤(rùn)滑膜厚度、潤(rùn)滑脂是否含有極性或?qū)щ娢镔|(zhì)等因素相關(guān)。從圖2可以看出，同樣條件下加有導(dǎo)電材料A、B的潤(rùn)滑脂樣品的擊穿電壓明顯低于基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂BG；隨著導(dǎo)電材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大潤(rùn)滑脂的擊穿電壓逐漸下降；導(dǎo)電材料B對(duì)潤(rùn)滑脂擊穿電壓的減小作用明顯優(yōu)于導(dǎo)電材料A。導(dǎo)電材料A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%以后潤(rùn)滑脂擊穿電壓的下降幅度趨緩，而導(dǎo)電材料B在質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%以后潤(rùn)滑脂擊穿電壓的下降幅度仍然明顯。導(dǎo)電材料A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加至1.5%其擊穿電壓下降10.5%，而導(dǎo)電材料B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加至1.5%其擊穿電壓下降37.5%。由此可見(jiàn)導(dǎo)電材料B的導(dǎo)電效率顯著高于導(dǎo)電材料A。

導(dǎo)電材料的導(dǎo)電效率受到粒徑、結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等因素的影響[18]，同時(shí)固體導(dǎo)電材料的粒徑、機(jī)械強(qiáng)度、比表面積、熱穩(wěn)定性對(duì)潤(rùn)滑脂的特性有著重要的影響，例如軸承噪聲、抗剪切性能、抗漏脂性能、滴點(diǎn)等。粒徑、機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)對(duì)滾動(dòng)軸承的疲勞壽命產(chǎn)生重要影響，過(guò)大的粒徑和硬度會(huì)使得滾動(dòng)體碾過(guò)后在滾道表面產(chǎn)生壓痕，進(jìn)而引起源自表面上的疲勞剝落[15]。因此選擇合適的導(dǎo)電材料至關(guān)重要。

2.3.3 降低擊穿電壓對(duì)抑制滾動(dòng)軸承電蝕的意義

滾動(dòng)軸承接觸區(qū)油膜被擊穿時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似電火花加工的放電，導(dǎo)致滾動(dòng)體和溝道表面產(chǎn)生燒蝕坑，即電蝕，主要是由電能轉(zhuǎn)化為熱能所致。通電的滾動(dòng)軸承可以等效為純電阻電路，電蝕的程度主要受潤(rùn)滑膜擊穿瞬間及擊穿后放電功率的影響，放電功率越大電蝕越嚴(yán)重。為了方便觀察,圖6給出了潤(rùn)滑脂樣品BG、BGA10、BGB15在電壓上行過(guò)程中軸承電阻及對(duì)應(yīng)電流變化曲線。可以看出，當(dāng)電壓低于擊穿電壓時(shí)通過(guò)軸承的電流極小，軸承處于絕緣狀態(tài)，電壓升高電流基本不變；當(dāng)電壓達(dá)到或超過(guò)擊穿電壓時(shí)電流隨電壓的升高線性增加，軸承處于導(dǎo)體狀態(tài)。

電功率等于電壓與對(duì)應(yīng)電流的乘積，從圖6中可以明顯看出基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂樣品BG的潤(rùn)滑膜被擊穿時(shí)不但擊穿電壓處于高位而且擊穿電流很大，樣品BGB15不但擊穿電壓最低而且擊穿電流非常小。樣品BG、BGA10、BGB15的潤(rùn)滑膜擊穿放電功率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，對(duì)比可知,添加導(dǎo)電材料B 1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的樣品BGB15的擊穿放電功率僅0.005 W，是基礎(chǔ)脂樣品BG的0.015%。表2中脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測(cè)試數(shù)據(jù)表明，潤(rùn)滑脂的擊穿電壓越低其擊穿電流越小，對(duì)應(yīng)的擊穿放電功率也越小。因此，可以預(yù)見(jiàn)顯著降低脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓可以避免或大幅減小軸承出現(xiàn)電蝕的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，為了防止?jié)櫥け粨舸┖箅娐穼?dǎo)通而導(dǎo)致電源短路，文中試驗(yàn)裝置串聯(lián)了限流保護(hù)電阻R0。在電機(jī)軸承的實(shí)際工況中很可能這一阻值很低，這樣將產(chǎn)生更大的擊穿電流，可預(yù)期會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的電蝕。

圖6 潤(rùn)滑膜擊穿過(guò)程中電流與電壓的關(guān)系Fig 6 The relationship between current and voltage in theprocess of lubricant film breakdown

圖3所示的“導(dǎo)電環(huán)”現(xiàn)象表明，潤(rùn)滑膜被擊穿后在持續(xù)電場(chǎng)的作用下一直處于導(dǎo)電狀態(tài)，即使電壓降至遠(yuǎn)低于擊穿電壓。樣品BG、BGA10、BGB15在電源電壓下行過(guò)程中軸承電阻和電流的變化曲線如圖7所示。3個(gè)樣品的潤(rùn)滑膜被擊穿后隨著電壓的下降電流與電源電壓的關(guān)系一直保持線性，直至電源電壓接近2.5 V或以下。該電壓被稱為下行線性電流臨界電壓。潤(rùn)滑脂導(dǎo)電性越高，該電壓與對(duì)應(yīng)的擊穿電壓的差距越小(對(duì)比圖6與圖7)，而對(duì)于非導(dǎo)電的潤(rùn)滑脂BG其差值相對(duì)比較大。從這一點(diǎn)得到的啟示為，對(duì)于非導(dǎo)電性潤(rùn)滑脂，間歇性電壓對(duì)軸承產(chǎn)生的電腐蝕會(huì)更大，例如設(shè)備的啟停。

圖7 電壓下行過(guò)程對(duì)應(yīng)電流的變化趨勢(shì)Fig 7 The change trend of the current correspondingto the voltage downward process

3 結(jié)論

(1)由于測(cè)試形式的不同以及導(dǎo)電材料在潤(rùn)滑脂內(nèi)的聚集態(tài)影響，體積電阻率測(cè)試方法并不適合用于滾動(dòng)軸承導(dǎo)電潤(rùn)滑脂導(dǎo)電性能評(píng)價(jià)，文中開(kāi)發(fā)的脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)能夠有效地評(píng)價(jià)普通潤(rùn)滑脂、導(dǎo)電潤(rùn)滑脂的導(dǎo)電特性差異。

(2)導(dǎo)電材料A、B對(duì)潤(rùn)滑脂在軸承內(nèi)的動(dòng)態(tài)擊穿電壓減小作用不同，同樣的添加量導(dǎo)電材料B的導(dǎo)電效率更高，潤(rùn)滑脂的擊穿電壓均隨導(dǎo)電材料A、B添加量的增大而下降，低擊穿電壓伴隨著低擊穿電流，與高擊穿電壓相比具有更低的擊穿放電功率。

(3)在脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能測(cè)試中存在“導(dǎo)電環(huán)”現(xiàn)象，潤(rùn)滑膜被擊穿后即使降低電壓潤(rùn)滑膜依然處于導(dǎo)體狀態(tài)，導(dǎo)電環(huán)的面積大小可用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的導(dǎo)電性能，導(dǎo)電環(huán)面積越小導(dǎo)電性能越好。