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絕緣軸承

絕緣軸承定義

絕緣軸承包括所有能夠阻止電流通過的滾動軸承。無論是內(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，具有絕緣能力?；旌鲜捷S承的滾動體由陶瓷材料制成，因此也具有絕緣能力。它是由軸承的滾動體來防止電流通過的。

電機(jī)中使用絕緣軸承的原因

過電流會發(fā)生在以下應(yīng)用的滾動軸承中：

1）輪對軸承和牽引電機(jī)（軌道車輛）

2）直流和交流電機(jī) (動力傳輸系統(tǒng) )

3）發(fā)電機(jī) (風(fēng)電 )

在不利的工況下，這可能導(dǎo)致滾道和滾動體的損壞及潤滑劑的老化 ，從而引起電機(jī)或發(fā)電機(jī)過 早發(fā)生故障。除了需要支付維修費(fèi)用外，還會增加由于停機(jī)和停產(chǎn)帶來的額外成本。一個比較經(jīng)濟(jì)的解決方案就是在電機(jī)設(shè)計階段就使用絕緣軸承。這將大大降低設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，并能提高機(jī)器的利用率，這些都意味著會為客戶帶來巨大價值。一般來說，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，只要將電機(jī)的一側(cè)或者兩側(cè)軸承換成絕緣軸承，就能夠完全切斷軸承座和軸之間的電流。如下圖： 

一般來說，完全消除掉軸承內(nèi)部的電勢差是非常困難的。然而，如果我們能夠阻止或大大降低通過軸承的電流，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目的而設(shè)計的。根據(jù)產(chǎn)生電壓類型的不同，來選擇軸承的絕緣方式。  

設(shè)計和安全指導(dǎo)

過電流導(dǎo)致的典型軸承損傷

不管軸承通過直流電還是交流電 (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。

滾道和滾動體上的痕跡在多數(shù)情況下，我們都能在滾道和滾動體表面發(fā)現(xiàn)均勻的暗灰色痕跡。但是這個視覺特征不是特定的，有時也有可能由其它因素引起，例如潤滑劑中含有研磨劑成分，

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電流所導(dǎo)致，如下圖：

損傷結(jié)構(gòu)只有通過掃描電子顯微鏡 (SEM) 我們才會明顯的看到幾乎所有的損傷表面都密布著凹坑和 μm 級的焊點(diǎn)，如下圖：  

軸承損傷的發(fā)展過程

這類凹坑和焊點(diǎn)的形成是由于在滾道和滾動體表面微小的接觸點(diǎn)間發(fā)生電流放電所導(dǎo)致。在全流體潤滑狀態(tài)下，電流會擊穿油膜的薄弱點(diǎn)，電火花產(chǎn)生的能量會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) ，相鄰表面也會發(fā)生熔合，但隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)又會被迅速地分開。在這兩種情況下，都會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)會混入潤滑劑，另一些還會沉積在滾道表面。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重復(fù)多次上述熔化和凝固的過程。

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，第6頁，圖4。這類滾道和滾動體上的周期性痕跡是持續(xù)過電流和軸承部件振動的綜合影響所致。當(dāng)滾動體滾過一個足夠大的凹坑時，它會產(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)滾動體來回擺動時，潤滑油膜的厚度會發(fā)生變化，同時會在該區(qū)域產(chǎn)生更多的放電火花，這種自激式過程就被激發(fā)了。一段時間以后，套圈滾道的整個圓周方向上都布滿了電蝕溝痕。這會引起比較明顯的軸承振動，最終導(dǎo)致整個軸承的失效。

實(shí)踐表明，評估軸承過電流風(fēng)險等級的一個可靠原則是計算通過軸承的電流密度，換句話說就是有效的安培數(shù)分別除以滾動體與內(nèi)圈或外圈滾道的全部接觸面積。這與軸承的型號和運(yùn)轉(zhuǎn)工況有關(guān)。當(dāng)電流密度小于0.1 A mm-2時，按照我們目前的經(jīng)驗(yàn)通過的電流不會造成軸承的損壞。然而當(dāng)電流密度等于或大于1 Amm-2時，軸承內(nèi)部就會出現(xiàn)明顯的電蝕溝痕。

電流對潤滑劑的影響

電流通過對潤滑劑也會有負(fù)面影響。其中的基礎(chǔ)油和添加劑會發(fā)生氧化和裂化。在紅外光譜圖中可以清晰看到這個變化。過早老化和鐵類金屬微粒的聚集會導(dǎo)致潤滑劑性能變壞，也可能導(dǎo)致軸承過熱運(yùn)轉(zhuǎn)。

陶瓷涂層軸承

陶瓷涂層軸承是外圈或內(nèi)圈帶絕緣陶瓷涂層的標(biāo)準(zhǔn)軸承，如下圖：

混合式軸承

絕緣軸承的另一個選擇是九星的混合式軸承?；旌鲜捷S承的套圈由滾動軸承鋼制成，滾動體由陶瓷材料制成。其滾動體非常耐磨并且具有非常好的電絕緣性能。如圖：

混合式軸承的優(yōu)點(diǎn)

如下優(yōu)點(diǎn):

■混合式軸承在電流回路中具有非常高的阻抗值。即使在高溫下，直流電阻值仍然在GΩ范圍內(nèi)。電容值約40 pF，這比帶絕緣涂層的軸承低了近100倍。

■混合式軸承由于摩擦更低所以允許更高的轉(zhuǎn)速，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)時溫升也更低。

■混合式軸承與標(biāo)準(zhǔn)軸承相比運(yùn)轉(zhuǎn)性能更好。

其他特性

與標(biāo)準(zhǔn)鋼球軸承相比，混合式球軸承具有:

■不同的基本額定動載荷Cr

■基本額定靜載荷Cor低30%

■極限轉(zhuǎn)速nG高20%。

另外，與帶潤滑脂的標(biāo)準(zhǔn)軸承相比混合式軸承的潤滑脂壽命更長

對于小尺寸的滾動軸承來說，混合式軸承要比陶瓷涂層的軸承更經(jīng)濟(jì)。

絕緣軸承在三相電機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例

對于三相感應(yīng)電機(jī)，常用帶外圈涂層的深溝球軸承來防止電腐蝕的發(fā)生。

防止電機(jī)內(nèi)部的感應(yīng)電壓產(chǎn)生電流破壞軸承。

在該三相電機(jī)的風(fēng)扇端使用一個帶絕緣層的深溝球軸承九星 6316/C3V3031A，驅(qū)動端使用一個普通深溝球軸承九星 6320/C3,圖1。帶絕緣層的深溝球軸承切斷了沿軸產(chǎn)生的感應(yīng)電壓引起的電流回路。兩端軸承都采用脂潤滑。需要安裝再潤滑裝置。