唐虎嬌

瓦房店軸承股份有限公司 遼寧瓦房店 116300

1 序言

牽引電動(dòng)機(jī)軸承在電場(chǎng)存在的場(chǎng)合，如果電流經(jīng)過(guò)軸承形成回路，電流會(huì)在軸承零件旋轉(zhuǎn)表面產(chǎn)生蝕坑、熔痕、電蝕銼紋、變色及微磨損等損傷，影響軸承的應(yīng)用可靠性及使用壽命[1]。產(chǎn)生損傷的主要原因有如下：高頻軸接地電流；高頻循環(huán)電流；電容放電電流。

根據(jù)軸承零件旋轉(zhuǎn)表面損傷的形貌特征，損傷可分三種類(lèi)型。

1）弧坑狀電腐蝕。它主要與單坑損傷有關(guān)，通常見(jiàn)于直流應(yīng)用。腐蝕弧坑形狀類(lèi)似隕石坑，大小從φ0.1mm～φ0.5mm不等，可以用肉眼看。產(chǎn)生這種隕石坑的源大多是非常高的電壓源，非常強(qiáng)大。

2）洗衣板狀電腐蝕。產(chǎn)生這種凹槽的原因是滾動(dòng)單元在較小的環(huán)形山上滾動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)引起的機(jī)械共振振動(dòng)。這意味著凹槽不是電流通過(guò)軸承本身產(chǎn)生的主要失效模式。它是次生的軸承損傷，只有經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，并且以隕石坑為初蝕點(diǎn)[2]。

3）受損表面呈暗淡狀，特征是有熔池痕跡。滾動(dòng)件和滾道表面有多個(gè)微坑?？映叽绾苄。睆酱蠖?～8μm。

2 絕緣涂層電性能設(shè)計(jì)要求

本文采用熱噴涂表面處理工藝，在普通軸承表面噴涂制備結(jié)構(gòu)致密、結(jié)合強(qiáng)度高、絕緣性能優(yōu)良、耐蝕耐磨性能超強(qiáng)的絕緣陶瓷涂層[3]。經(jīng)處理的軸承，無(wú)論在干燥還是潮濕環(huán)境中均具有優(yōu)良絕緣性能，從而可有效替代進(jìn)口軸承。所獲得的陶瓷涂層絕緣軸承不但生產(chǎn)制造成本低（是全陶瓷絕緣軸承的1/10～1/5）、絕緣性能好，而且其抗蠕變性能、散熱性能優(yōu)良，在絕緣軸承領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛。

牽引電動(dòng)機(jī)用絕緣軸承除了標(biāo)準(zhǔn)軸承的性能要求外，還對(duì)軸承的絕緣性能提出要求，根據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)軸承濕熱等惡劣環(huán)境的使用工況，對(duì)軸承絕緣涂層的絕緣性能指標(biāo)提出了更高的要求。

絕緣涂層應(yīng)具有優(yōu)良的絕緣電阻穩(wěn)定性，以防止電蝕的發(fā)生，改善車(chē)輛的接地回路及防止產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)高速列車(chē)的使用工況要求，需要嚴(yán)格控制電容值，因?yàn)樵陔娙轄顟B(tài)下，軸承處于全油膜潤(rùn)滑狀態(tài)，仿佛一個(gè)具有特定擊穿電壓的電容器，如果接觸區(qū)潤(rùn)滑膜中存在的外加電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高（超過(guò)閾值），就會(huì)產(chǎn)生放電，即電火花加工電流，對(duì)軸承造成損害?？刂仆繉拥碾娦阅苤笜?biāo)包括：涂層的電阻值、電容值、泄漏電流、耐擊穿電壓[4]。

3 絕緣軸承外圈檢測(cè)方法研究

（1）絕緣軸承電阻測(cè)試 常用的絕緣電阻測(cè)試方法主要有3種：直接測(cè)量不使用工裝及其他材料，如圖1所示。

圖1 直接測(cè)量

在軸承外部包覆金屬帶導(dǎo)電介質(zhì)，如圖2所示。

圖2 包覆金屬帶導(dǎo)電介質(zhì)（銅箔）

將絕緣軸承壓入工裝（模擬軸承座尺寸）中進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。

圖3 絕緣軸承壓入工裝測(cè)量

選取五個(gè)絕緣軸承外圈，編號(hào)為試樣1～5，分別采用三種不同的測(cè)量方法，在2500V下，測(cè)量絕緣阻值，共測(cè)三點(diǎn)（將軸承三等分），測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 直接絕緣阻值測(cè)量方法 （GΩ）

表2 包覆金屬帶導(dǎo)電介質(zhì)測(cè)量絕緣阻值方法（GΩ）

表3 壓入工裝測(cè)量方法 （GΩ）

通過(guò)以上試驗(yàn)，總結(jié)如下。

1）在軸承外徑直接測(cè)量（方法一）、外部包覆金屬帶導(dǎo)電介質(zhì)（方法二）后進(jìn)行測(cè)量，但由于測(cè)量過(guò)程中并不能保證金屬導(dǎo)電介質(zhì)與絕緣涂層良好接觸，測(cè)試結(jié)果不夠精確；如采用方法一、二測(cè)量軸承，會(huì)對(duì)軸承的絕緣性能有很大誤差。

2）將絕緣軸承壓入軸承座中進(jìn)行測(cè)量，由于工裝材料、尺寸與軸承室一致，絕緣軸承的絕緣涂層的外徑及端面處于壓緊狀態(tài)，工裝與涂層全面接觸，測(cè)試結(jié)果精準(zhǔn)。此方法也是目前電動(dòng)機(jī)客戶(hù)與軸承廠(chǎng)認(rèn)可的測(cè)量方法。

（2）泄漏電流檢測(cè) 研究表明，由于電動(dòng)機(jī)軸承的損壞而導(dǎo)致的電動(dòng)機(jī)故障占電動(dòng)機(jī)故障總數(shù)的40%，而有25%的電動(dòng)機(jī)軸承損壞是由于變頻器的軸承電流引起的。THOMAS等[5]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸承中的涂層結(jié)構(gòu)，電流密度＞0.1A/mm2時(shí)，在涂層內(nèi)會(huì)引起電蝕，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)破壞。

選取三個(gè)絕緣外圈，試驗(yàn)采用阻抗分析儀、絕緣電阻測(cè)試儀、LCR 數(shù)字電橋進(jìn)行測(cè)試，先對(duì)軸承樣品進(jìn)行初始絕緣電阻、電容檢測(cè)，檢測(cè)完成后打開(kāi)阻抗分析儀電源，電壓調(diào)至100V，頻率按10Hz、500Hz、1KHz、2KHz、4KHz、6KHz、8KHz、10KHz的要求逐一設(shè)定，進(jìn)行阻抗測(cè)試，每種頻率下加壓 1min，直到電源頻率達(dá)到10KHz，記錄軸承泄漏電流，完成后關(guān)閉電源，過(guò)程如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表5 不同頻率下200V電壓泄露電流 （mA）

圖4 高頻電壓測(cè)試泄漏電流

表4 不同頻率下100V電壓泄露電流 （mA）

通過(guò)以上試驗(yàn)總結(jié)如下。

1）在電壓不變的前提下，隨著頻率不斷增加，泄露電流不斷增大。在相同的頻率下，增大加載電壓，泄漏電流增大。

2）采用壓入工裝方式，在試驗(yàn)前后測(cè)量1000V下，絕緣電阻的變化。1#試樣檢測(cè)前絕緣阻值為27.32GΩ，檢測(cè)后為26.51GΩ，變化率為3%；2#試樣檢測(cè)前絕緣阻值為21.5 GΩ，檢測(cè)后為20.13 GΩ，變化率為6.4%；3#試樣檢測(cè)前絕緣阻值為25.48 GΩ，檢測(cè)后為24.01 GΩ，變化率為5.8%。

（3）工頻耐電壓特性檢測(cè) 本試驗(yàn)中選取5個(gè)試樣，采用耐壓試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試，將耐壓試驗(yàn)儀的引出導(dǎo)線(xiàn)與工裝相連，軸承壓入工裝（見(jiàn)圖5），確保導(dǎo)線(xiàn)與軸承工裝接觸牢固，由于測(cè)試中采用高電壓，防止在測(cè)試過(guò)程中，電流在空氣中擊穿，將被試樣品連同工裝一同放入變壓器油中進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6所示。將電源打開(kāi)，電壓（A C）分別調(diào)至2000V、3000V、5000V，加壓時(shí)間不少于5s，觀(guān)察絕緣層是否被擊穿。

圖5 導(dǎo)線(xiàn)與軸承工裝連接

圖6 測(cè)試方法

在檢測(cè)過(guò)程中，1#外圈出現(xiàn)2400V下?lián)舸?，重新加載電壓，在3600V下顯示被擊穿，如圖7所示。

圖7 絕緣外圈在3300V（AC）下?lián)舸?/p>

通過(guò)1#試樣在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)兩次被擊穿結(jié)果，分析如下：若外圈被擊穿，再次加載電壓，會(huì)瞬間擊穿，但是在二次加載電壓時(shí)，在更高電壓下顯示被擊穿，說(shuō)明試驗(yàn)方法不當(dāng)。

當(dāng)1#外圈在第一次被擊穿后，在5000V（DC）下，測(cè)量絕緣阻值為27.85GΩ左右。判斷絕緣層未擊穿。通過(guò)觀(guān)察擊穿火花位置，發(fā)現(xiàn)在倒角處介質(zhì)擊穿，絕緣層未擊穿。原因一：變壓器油反復(fù)使用，吸水、雜質(zhì)等影響結(jié)果。原因二：工裝設(shè)計(jì)原理，工裝端面全面保護(hù)絕緣涂層，使得滾道金屬距絕緣涂層很近，在加載高的電壓下，更容易擊穿介質(zhì)，造成擊穿絕緣涂層的假象，調(diào)查電動(dòng)機(jī)軸承座并不完全包含端面，因此工裝的尺寸需進(jìn)一步優(yōu)化。原因三：工裝銹蝕，使得銹蝕物侵入絕緣涂層，影響檢測(cè)結(jié)果。

本次試驗(yàn)為了防止高壓電從軸承工裝蓋板處擊穿變壓器油中的雜質(zhì)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，更換檢測(cè)方式，采用銅箔膠帶粘貼的方式，與絕緣外圈的外徑緊密貼合，并更換全新變壓器油。

試驗(yàn)采用耐壓試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試，將耐壓試驗(yàn)儀的引出導(dǎo)線(xiàn)與銅箔相連，軸承采用銅箔緊密黏貼（見(jiàn)圖8），確保導(dǎo)線(xiàn)與軸承的接觸牢固，將試樣連同工裝一同放入變壓器油中進(jìn)行試驗(yàn)，如圖9所示。

圖8 軸承外圈用銅箔緊密黏貼

圖9 絕緣外圈在變壓器油中測(cè)試

將電源打開(kāi)，電壓（AC）分別調(diào)至2000V、3000V、5000V，加壓時(shí)間不少于5s。本次試驗(yàn)后觀(guān)察絕緣層完好、無(wú)被擊穿痕跡，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 工頻耐電壓試驗(yàn)特性

通過(guò)以上試驗(yàn)總結(jié)如下。

1）在高電壓測(cè)量下，工裝的設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。

2）由于絕緣涂層具有多孔性，工裝銹蝕對(duì)絕緣性能造成一定影響。

3）隨工頻電壓不斷增加，泄漏電流不斷增大。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）絕緣軸承電阻測(cè)試 通過(guò)單點(diǎn)測(cè)試、銅箔包裹、軸承工裝三種方式，測(cè)量絕緣外圈的電阻值，不同的測(cè)試方法，對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，原因一：由于電極接觸面積越小，在相同的電壓下電流越小，絕緣電阻值越大。原因二：電極接觸面積越小，極化電流的衰減越慢。原因三：絕緣電阻測(cè)試的電極結(jié)構(gòu)應(yīng)符合實(shí)際軸承在軸承室中的結(jié)構(gòu)。應(yīng)選擇合適的測(cè)試方法，利于反應(yīng)絕緣軸承在實(shí)際工況中的絕緣性能。

（2）泄露電流檢測(cè) 在高頻交流電壓下，三個(gè)試樣在DC1000V下，初始絕緣電阻值在試驗(yàn)前后的變化率小于7%，具有優(yōu)良的絕緣性能。

（3）工頻耐電壓特性檢測(cè) 1#絕緣試樣在檢測(cè)過(guò)程中，在3.6kV下發(fā)生擊穿，原因是因?yàn)橥饧与妷簳?huì)使電荷向所有缺陷處會(huì)聚，使局部電壓升高形成局部擊穿，也是在涂層最薄弱的地方形成擊穿[6]。2#、3#、4#、5#試樣擊穿電壓能保持在5kV以上，絕緣性能良好。