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電絕緣軸承介紹及過(guò)電流導(dǎo)致軸承損傷的典型現(xiàn)象

一、電絕緣軸承目的

所謂電絕緣軸承也就是絕緣軸承，電絕緣軸承包括所有能阻止電流通過(guò)的滾動(dòng)軸承。無(wú)論是內(nèi)圈還是外圈帶陶瓷涂層的軸承都稱為絕緣軸承。陶瓷涂層能夠防止電流通過(guò)，具有絕緣能力。

混合式軸承的滾動(dòng)體由陶瓷制成，因此也具有絕緣能力。它是由滾動(dòng)體來(lái)防止電流通過(guò)的。

二、軸承絕緣的選擇方式

一般來(lái)說(shuō)，全部去掉軸承內(nèi)部的電勢(shì)差是非常困難的。然而，如果我們能夠阻止或大大降低通過(guò)軸承的電流，就可以防止軸承發(fā)生電腐蝕。目前各種絕緣軸承都是為了這個(gè)目的而設(shè)計(jì)的。根據(jù)產(chǎn)生電壓類型的不同，來(lái)選擇軸承的絕緣方式。

1、沿軸產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

沿軸產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會(huì)產(chǎn)生同時(shí)經(jīng)過(guò)軸承1,軸承座及軸承2的電流回路，圖1。這類軸電壓產(chǎn)生的一個(gè)原因是由于電機(jī)內(nèi)部磁通量分布不均勻，尤其在一些極對(duì)數(shù)較少的電機(jī)中。此時(shí)，只要絕緣一端軸承就可以切斷電流回路。通常絕緣非驅(qū)動(dòng)端軸承。

A=軸承1；B=軸承2

圖1 沿軸產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

2、軸與軸承座之間的電壓

如果電壓發(fā)生在軸與軸承座之間，電流會(huì)以相同方向通過(guò)每個(gè)軸承。這主要是用于變頻器帶來(lái)的共模電壓所導(dǎo)致。在這種情況下，電機(jī)兩端的軸承都應(yīng)該被絕緣，看圖2。選擇絕緣的決定因素是電流電壓的時(shí)間特性。如果是直流電壓或低頻交流電壓，絕緣效果取決于絕緣層的純電阻值；如果是高頻交流電壓(常見(jiàn)于使用變頻器的設(shè)備中)，取決于絕緣層的容抗值。

圖2 軸與軸承座之間的電壓

三、過(guò)電流導(dǎo)致軸承損壞的典型情況

1、滾道和滾動(dòng)體上的痕跡

不管軸承通過(guò)直流電還是交流電(頻率在 MHz以下)，我們總能在軸承內(nèi)部發(fā)現(xiàn)同樣的破壞形式。

在多數(shù)情況下，我們都能在滾道和滾動(dòng)體表面發(fā)現(xiàn)均勻的暗灰色痕跡。但是這個(gè)視覺(jué)特征不是特定的，有時(shí)也有可能由其它因素引起，例如潤(rùn)滑劑中含有研磨劑成分，如圖3。

圖3 軸承滾道和滾動(dòng)體上的痕跡

2、電蝕溝痕

所謂的電蝕溝痕是指滾道面在運(yùn)轉(zhuǎn)方向上有連續(xù)的周期性溝痕。這類現(xiàn)象大多是由于軸承通過(guò)電流所導(dǎo)致，如圖4。

圖4 軸承電蝕溝痕

四、顯微鏡下查看過(guò)電流軸承損壞結(jié)構(gòu)

只有通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)，我們才會(huì)明顯的看到幾乎所有的損傷表面都密布著凹坑和μm級(jí)的焊點(diǎn)（如圖5），這也證實(shí)了有電流通過(guò)軸承。



圖5 掃描電子顯微鏡下的軸承損傷結(jié)構(gòu)

五、軸承損傷的過(guò)程

這類凹坑和焊點(diǎn)的形成是由于在滾道和滾動(dòng)體表面微小的接觸點(diǎn)間發(fā)生電流放電所導(dǎo)致。在全流體潤(rùn)滑狀態(tài)下，電流會(huì)擊穿油膜的薄弱點(diǎn)，電火花產(chǎn)生的能量會(huì)在瞬間熔化相鄰金屬的表面。

在混合摩擦狀態(tài)下(金屬 與金屬相接觸)，相鄰表面也會(huì)發(fā)生熔合，但隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)又會(huì)被迅速地分開(kāi)。在這兩種情況下，都會(huì)有材料從金屬表面脫離，然后立刻凝固成焊點(diǎn)。也有一些焊點(diǎn)會(huì)混入潤(rùn)滑劑，另-些還會(huì)沉積在滾道表面。隨著軸承的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，這些焊點(diǎn)和凹坑也會(huì)被碾壓磨平。在持續(xù)電流的作用下，在相鄰表面的很薄的表層上會(huì)重復(fù)多次上述熔化和凝固的過(guò)程。

然而，在多數(shù)電腐蝕軸承的內(nèi)部，更容易發(fā)現(xiàn)電蝕溝痕（如上圖4）。這類滾道和滾動(dòng)體上的周期型痕跡是持續(xù)過(guò)電流和軸承部件振動(dòng)的綜合影響所致。當(dāng)滾動(dòng)體滾過(guò)一個(gè)足夠大的凹坑時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生純徑向位移，位移的程度取決于軸承的內(nèi)部幾何尺寸，速度和軸承載荷。當(dāng)滾動(dòng)體來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油膜的厚度會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)會(huì)在該區(qū)域產(chǎn)生更多的放電火花，這種自激式過(guò)程就被激發(fā)了。一段時(shí)間以后，在套圈滾道的整個(gè)圓周方向上都布滿了電蝕溝痕。這會(huì)引起比較明顯的軸承振動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)軸承的失效。

從而表明，評(píng)估軸承過(guò)電流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的一個(gè)可靠原則是計(jì)算通過(guò)軸承的電流密度，換句話說(shuō)就是有效的安培數(shù)分別除以滾動(dòng)體與內(nèi)圈或外圈滾道的全部接觸面積。這與軸承的型號(hào)和運(yùn)轉(zhuǎn)工況有關(guān)。當(dāng)電流密度小于0.1 A mm-2時(shí)，按照我們目前的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)的電流不會(huì)造成軸承的損壞。然而當(dāng)電流密度等于或大于1 A mm-2時(shí)，軸承內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)明顯的電蝕溝痕。

六、電流對(duì)潤(rùn)滑劑的影響

電流通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑劑也會(huì)有不好的影響。其中的基礎(chǔ)油和添加劑會(huì)發(fā)生氧化和裂化。在紅外光譜圖中可以清晰看到這個(gè)變化。過(guò)早老化和鐵類金屬微粒的聚集會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑性能變壞，也可能導(dǎo)致軸承過(guò)熱運(yùn)轉(zhuǎn)。