牛 凱 曾澤祥 陳天驊 宋晨飛 張燕燕 杜三明 張永振

(河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471023)

軸承是機(jī)械設(shè)備中的重要零部件，主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低摩擦因數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。隨著高速鐵路、新能源汽車、風(fēng)電等行業(yè)的發(fā)展，軸承不可避免地工作于各種電場環(huán)境。電因素的介入使軸承產(chǎn)生了新的損傷形式——軸承電蝕[1]。

軸承電蝕是機(jī)電設(shè)備故障的主要原因。國內(nèi)某公司發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，有異響，該處軸承溫度相比其他正常運(yùn)行軸承高 20～30 ℃，對(duì)其拆機(jī)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)軸承外圈已因軸電流放電造成了不可逆轉(zhuǎn)的損傷，損傷部位呈“搓衣板”樣的痕跡[2]。某核電廠海水循環(huán)泵電機(jī)上部徑向軸承溫度突然波動(dòng)，軸承最高溫度達(dá)到150 ℃，同時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)上部已經(jīng)開始冒煙并觸發(fā)停機(jī)信號(hào)，導(dǎo)致機(jī)組功率降低30%。檢查后發(fā)現(xiàn)電機(jī)上部徑向軸承嚴(yán)重?zé)龘p，滾珠表面大面積剝落，滾道損壞，軸承外圈由于過熱膨脹，導(dǎo)致軸承座崩裂。軸承潤滑脂由于過熱碳化，呈黑色塊狀，事故原因正是油膜擊穿而產(chǎn)生的軸電流[3]。某水利樞紐水輪發(fā)電機(jī)在工作時(shí)，多次發(fā)出軸電流警報(bào)?，F(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)軸電流約為20 A，而軸電流觸發(fā)報(bào)警預(yù)設(shè)值為5 A，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致軸瓦燒壞，造成停機(jī)事故[4]。某公司汽輪發(fā)電機(jī)在啟停及運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)1～3 A的軸電流，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸接地電刷處軸頸間有明顯電蝕現(xiàn)象[5]。綜上，軸電流的出現(xiàn)使得軸承產(chǎn)生早期失效，造成軸承金屬材料燒蝕和潤滑材料功能衰退，并可能引起整機(jī)設(shè)備振動(dòng)、停機(jī)、燒毀，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。因此，研究軸電流的產(chǎn)生機(jī)制及其對(duì)軸承的破壞機(jī)制，并提出適宜的預(yù)防措施具有重要的理論價(jià)值和工程意義。本文作者綜述軸承電蝕機(jī)制和防護(hù)技術(shù)的試驗(yàn)研究進(jìn)展，并展望其研究前景。

1 軸電流產(chǎn)生機(jī)制

變頻電機(jī)中的軸電流問題最早由CHEN等[7-9]、BUSSE等[10-12]于1996—1997年提出，他們對(duì)軸電流產(chǎn)生機(jī)制做了較為系統(tǒng)的分析研究，并指出變頻器中不可避免的共模電壓和電機(jī)內(nèi)雜散電容是產(chǎn)生軸電流的根本原因。普通工頻電機(jī)由于設(shè)計(jì)、安裝時(shí)存在偏差等原因?qū)е麓怕凡粚?duì)稱[13]，在軸兩端感應(yīng)出軸電壓，由軸頸-油膜-軸承-基座及基礎(chǔ)底座構(gòu)成回路[14]，當(dāng)軸電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)油膜被擊穿，產(chǎn)生軸電流。變頻電機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)原因，會(huì)有額外的軸電流來源[1]。軸電壓產(chǎn)生的主要原因有：

(1)磁不平衡產(chǎn)生軸電壓。由于定子鐵芯組合縫、定子硅鋼片接縫，定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻，軸中心與磁場中心不一致等，導(dǎo)致電機(jī)形成不完全對(duì)稱的磁場，產(chǎn)生軸向磁場。電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)切割軸向磁場，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。磁不平衡誘發(fā)的軸電壓一般為低頻軸電壓。

(2)逆變供電產(chǎn)生軸電壓。工頻三相正弦電壓是平衡對(duì)稱的，中性點(diǎn)電壓為0[15]。使用變頻電源時(shí)，變頻器的輸出電壓由脈沖寬度調(diào)制產(chǎn)生，逆變單元中二極管的開斷不可能絕對(duì)同步，從而產(chǎn)生不對(duì)稱的高次諧波，導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓不為0，電機(jī)繞組中產(chǎn)生零序電壓分量，即共模電壓[14]。共模電壓頻率與逆變單元中二極管的開斷頻率相同，頻率較高。在共模電壓作用下，電機(jī)定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，誘發(fā)軸電壓。此外，在高頻共模電壓下，電機(jī)內(nèi)分布電容和雜散電容產(chǎn)生充放電效應(yīng)，為軸電流提供通路[15]。

(3)靜電軸電壓。在復(fù)雜電磁環(huán)境中，電機(jī)機(jī)殼、旋轉(zhuǎn)軸等金屬表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷。另外，設(shè)備摩擦過程也會(huì)形成靜電荷。比如，由于蒸汽與汽輪機(jī)葉片的摩擦作用，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶有靜電荷,汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸對(duì)地可產(chǎn)生幾百伏的靜電壓。

由于電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境各異，軸電壓的產(chǎn)生具有多樣性，實(shí)際的軸電壓可能是不同類型軸電壓的疊加。但軸電壓最終表現(xiàn)形式均為軸承內(nèi)外滾道之間的電勢(shì)差。此時(shí)，軸承滾動(dòng)體和滾道間形成了金屬-油膜-金屬的電容式接觸。錢松[17]通過圓柱形軸承的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出圓柱形軸承電容計(jì)算公式：

(1)

式中：ε為導(dǎo)體間其他物質(zhì)的介電常數(shù)；l為圓柱面的長度；a、b分別為軸承外直徑和內(nèi)直徑。

SCHNEIDER等[18]提出了一種計(jì)算滾動(dòng)軸承總電容的公式：

(2)

式中：CB為軸承整體電容；CI為軸承內(nèi)圈電容；CO為軸承外圈電容；Z為滾子數(shù)量。

公式(2)僅基于赫茲接觸電容，以中心膜厚度作為單個(gè)參數(shù)。REN等[19]認(rèn)為與恒阻模型相比，變阻軸承模型的電路仿真結(jié)果更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并以此提出了軸承的可變擊穿電阻模型，給出了軸承電容的計(jì)算方法：

(3)

式中：Vb為軸承電壓；Ib為軸承電流；f為頻率。

由于摩擦接觸是粗糙接觸，粗糙峰間的潤滑膜厚度不同，甚至有些粗糙峰能夠刺穿潤滑膜形成金屬-金屬接觸。因此，軸承電接觸實(shí)質(zhì)上是大量微觀電容和微觀電阻的并聯(lián)(見圖1)。在摩擦過程中，由于粗糙峰接觸的隨機(jī)性，軸承的電容、電阻狀態(tài)始終處于動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)由于摩擦表面粗糙峰的可統(tǒng)計(jì)性，軸承電容、電阻狀態(tài)及其導(dǎo)電特點(diǎn)也具有一定規(guī)律性。

軸電壓產(chǎn)生后，可通過擊穿或電容充放電等形式產(chǎn)生軸電流，具體原理如下：

(1)軸承擊穿產(chǎn)生軸電流。正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，較小的軸電壓不足以擊穿潤滑膜，此時(shí)軸電流極為微弱。軸電壓超過了潤滑膜閾值電壓，軸承內(nèi)部產(chǎn)生擊穿，形成明顯的擊穿電流。MUETZE和BINDER[20]認(rèn)為潤滑膜的厚度隨著軸承轉(zhuǎn)速的增加而增加，因而擊穿電壓也增加。同時(shí)，軸承內(nèi)部的金屬磨損也會(huì)誘發(fā)電擊穿，且金屬磨損的次數(shù)隨軸承轉(zhuǎn)速的升高而增加，導(dǎo)致更頻繁的放電。劉瑞芳等[21]認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，軸承油膜厚度越大，軸承電容越小；軸承所受徑向力越大，軸承油膜厚度越小，軸承電容越大；軸承溫度越高，油膜厚度越小，軸承電容越大。孫毓明等[22]發(fā)現(xiàn)在直流條件下隨著轉(zhuǎn)速的升高，擊穿電壓呈升高趨勢(shì)，擊穿后系統(tǒng)電阻也隨之增加，該現(xiàn)象與高轉(zhuǎn)速下潤滑膜厚度增加有關(guān)。軸電壓超過擊穿閾值后，軸承完全被擊穿，處于電阻式接觸狀態(tài)；軸電壓低于擊穿閾值時(shí)，軸承處于部分擊穿狀態(tài)，軸承電路由電容和電阻并聯(lián)形成。

圖1 軸承電容式接觸示意

(2)電容充放電產(chǎn)生軸電流。在交流電工況下，軸承滾動(dòng)體和滾道間形成的電容會(huì)不斷充電和放電，在此過程中會(huì)產(chǎn)生充電和放電電流。當(dāng)電壓低于擊穿閾值時(shí)，軸承電路中只有電容充放電電流；當(dāng)軸電壓超過潤滑膜的擊穿電壓時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生擊穿電流。在此過程中，電容的容抗作用會(huì)產(chǎn)生熱量，對(duì)擊穿起到一定促進(jìn)作用。CHENG等[23]建立了等效電路模型，分析了電容充放電產(chǎn)生軸電流的過程，認(rèn)為此過程中形成的軸電流能使?jié)L道表面形成密集的電蝕坑。OH和WILLWERTH[24]認(rèn)為當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定接地時(shí)，軸和電機(jī)框架之間的軸承電容，以及定子和轉(zhuǎn)子之間的電容，進(jìn)行共模電壓耦合是軸承失效的主要因素。

2 軸電流的危害

軸電流的大小對(duì)滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的影響不同。對(duì)滑動(dòng)軸承來說，若軸電流小于10 A，基本不會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生燒蝕[25]；若軸電流值達(dá)10～40 A，則軸承只能維持運(yùn)轉(zhuǎn)3 000～12 000 h；若軸電流高達(dá)100 A以上就非常危險(xiǎn)，可能數(shù)小時(shí)內(nèi)軸承會(huì)被燒毀[26]。而對(duì)于滾動(dòng)軸承來說，由于接觸方式的原因，軸電流的影響相對(duì)更大。當(dāng)軸電流大于2 A 時(shí)，幾小時(shí)內(nèi)軸承即可能出現(xiàn)損傷；若軸電流在1～1.4 A之間，軸承僅可平穩(wěn)運(yùn)行200～700 h；當(dāng)軸電流低于1 A時(shí)，電流對(duì)滾動(dòng)軸承能幾乎無傷害[27]。

軸電流的危害主要表現(xiàn)在金屬材料性能弱化、表面燒蝕和潤滑性能衰退。

(1)金屬材料性能弱化。軸電流在軸承與轉(zhuǎn)軸之間頻繁放電，電弧能量釋放造成局部高溫和平均溫升，溫度升高導(dǎo)致軸承材料硬度等力學(xué)性能下降。當(dāng)載荷、轉(zhuǎn)速或摩擦力過大時(shí)，軸承滾道表層金屬會(huì)在摩擦的作用下沿滾動(dòng)方向發(fā)生塑性流動(dòng)變形[28](見圖2(a)[29-31])，形成塑性流變層。由于導(dǎo)電性存在顯著差異，流經(jīng)軸承鋼的電流可能導(dǎo)致碳化物部分急劇升溫，這種局部加熱顯著加速了微觀結(jié)構(gòu)損傷，并可能導(dǎo)致鋼局部塑性增強(qiáng)，更易于裂紋的形成(見圖2(b))，并伴隨有內(nèi)外圈滾道材料剝落(見圖2(c))。剝落處微觀形貌如圖2(d)所示。

圖2 軸承材料的機(jī)械損傷[29-31]

(2)表面燒蝕。單純機(jī)械滾動(dòng)或未完全擊穿時(shí)，軸承表面損傷以擦傷劃痕和磨粒磨損為主。擊穿后金屬材料被電弧高溫?zé)g，發(fā)生熔融和飛濺，燒蝕區(qū)形成電蝕坑(見圖3(a)[22,32])，飛濺物冷卻后形成球狀產(chǎn)物(見圖3(b))，或被碾平形成片狀產(chǎn)物(見圖3(c))。長時(shí)間運(yùn)行后，軸承內(nèi)圈外滾道以及外圈內(nèi)滾道會(huì)有搓衣板紋[33](見圖3(d))，搓衣板紋的產(chǎn)生與高頻軸電壓擊穿有關(guān)，但其形成過程和形成機(jī)制仍需探索。

圖3 軸承材料的電損傷[22,32]。

(3)潤滑性能衰退。潤滑脂能起到減少摩擦磨損、降低溫度、抑制腐蝕、清潔表面等作用，而軸電流破壞油膜形成，加快潤滑脂劣化，降低潤滑性能及介電強(qiáng)度[3]。潤滑脂通常具有化學(xué)惰性，但是軸電壓和軸電流為其化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了能量，加速了潤滑脂的老化與降解[34-35]，并且此過程中產(chǎn)生的熱量也會(huì)導(dǎo)致潤滑脂成分的蒸發(fā)。ROMANENKO等[36]研究了幾種典型潤滑脂在放電電流作用下引起降解時(shí)的介電強(qiáng)度和化學(xué)成分的變化，認(rèn)為軸電流能將潤滑脂中稠化劑分解成酸和醇并形成水合物。此外，軸電流引起的溫升導(dǎo)致潤滑脂黏度下降，加劇潤滑脂泄漏(見圖4(a)[37])。異常磨損形成的金屬微粒會(huì)進(jìn)入到潤滑脂中(見圖4(b))，這些金屬微粒有可能對(duì)以后的放電擊穿起誘導(dǎo)作用[6]，形成惡性循環(huán)并導(dǎo)致油脂碳化失效[38]。此外，LUO、XIE等[39-40]認(rèn)為潤滑劑接觸區(qū)的局部過熱會(huì)產(chǎn)生大量微氣泡，氣泡破裂會(huì)使?jié)櫥环€(wěn)定，并且含有微氣泡的潤滑劑更容易發(fā)生電擊穿。

圖4 潤滑失效[37]

3 軸電流試驗(yàn)研究方法

3.1 軸承電蝕失效試驗(yàn)方法

軸承過早失效是電機(jī)損壞的重要原因之一，失效形式主要表現(xiàn)為疲勞失效、腐蝕、電蝕、塑性變形、斷裂和開裂[41]，軸電流加速了軸承失效過程。GOULD等[42]研制了微電蝕試驗(yàn)機(jī)(見圖5(a))，設(shè)備可施加0～750 mA交流電進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，用于研究電流對(duì)軸承鋼微觀結(jié)構(gòu)改變的影響以及相關(guān)的軸承過早失效。研究認(rèn)為電流在25～75 mA之間最易導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)改變進(jìn)而使軸承過早失效。RUELLAN等[43]利用標(biāo)準(zhǔn)軸承試驗(yàn)機(jī)(見圖5(b))進(jìn)行軸承失效試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中對(duì)軸承通電。研究認(rèn)為電流會(huì)使得潤滑脂局部分解產(chǎn)生氫氣從而促進(jìn)裂紋的形成，導(dǎo)致軸承的過早失效。通電工況下的軸承失效分析一般依托于傳統(tǒng)的軸承摩擦試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過程中控制施加的軸電壓和軸電流，模擬實(shí)際服役條件下的軸承工況。該方法可以方便地研究軸電流對(duì)軸承壽命的影響，但無法獲取軸承電接觸狀態(tài)，難以分析軸承電接觸與摩擦接觸之間的耦合關(guān)聯(lián)。

圖5 軸電流工況下的軸承失效試驗(yàn)機(jī)示意[42-43]

3.2 單接觸點(diǎn)潤滑滾動(dòng)電接觸等效試驗(yàn)

為模擬潤滑條件下單點(diǎn)接觸的擊穿規(guī)律及電損傷特性，河南科技大學(xué)研發(fā)了FTM-CF100型滾動(dòng)載流試驗(yàn)機(jī)[22]。該設(shè)備采用伺服閉環(huán)控制技術(shù)，主要結(jié)構(gòu)包括法向加載移動(dòng)平臺(tái)、動(dòng)軸滾動(dòng)系統(tǒng)、定軸滾動(dòng)系統(tǒng)、載流系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等，能夠在環(huán)境氣氛可控的條件下完成多種載流摩擦試驗(yàn)。設(shè)備共有兩套旋轉(zhuǎn)主軸，轉(zhuǎn)速可獨(dú)立控制，由對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。其中定軸A固定在基座上，軸上加裝扭矩傳感器，用于測(cè)試摩擦扭矩。另外一軸為動(dòng)軸B，安裝在滑軌上，在加載伺服電機(jī)的帶動(dòng)下做水平運(yùn)動(dòng)，用于載荷控制。載流電源為恒壓直流電源或變頻交流電源，通過水銀滑環(huán)向主軸供電，試驗(yàn)機(jī)電路圖如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)使用盤-盤對(duì)滾的方式模擬軸承滾動(dòng)體單點(diǎn)接觸，模擬研究軸承單點(diǎn)擊穿特性和軸電流損傷特性[22]?；谳d流摩擦學(xué)的軸電流研究關(guān)注軸承摩擦學(xué)性能和導(dǎo)電性能同步數(shù)據(jù)，有利于分析軸承電接觸和摩擦接觸的耦合關(guān)聯(lián)。但該方法數(shù)據(jù)采集頻率較高，長時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，在軸承壽命試驗(yàn)方面有所欠缺。此類試驗(yàn)方法可模擬軸承單接觸點(diǎn)的潤滑滾動(dòng)電接觸狀態(tài)，關(guān)注電因素和摩擦因素的耦合效應(yīng)，可較為精確地獲取單點(diǎn)接觸面積、接觸壓力和電流密度。

孫毓明等[22]利用FTM-CF100型滾動(dòng)載流摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了軸承軸電流擊穿試驗(yàn)。為了獲取軸承完全擊穿臨界電壓，在連續(xù)增電壓條件下采集軸承等效電阻。結(jié)果表明：隨著軸承樣品兩端外加電壓隨時(shí)間而不斷升高，等效電阻逐漸降低并趨于恒定值；當(dāng)電壓達(dá)到軸承完全擊穿臨界電壓時(shí)，潤滑膜被擊穿，軸承從電容式接觸轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枋浇佑|。軸承擊穿電壓及擊穿后的等效電阻隨滾動(dòng)速度的升高而增大，該變化規(guī)律與高轉(zhuǎn)速下潤滑膜厚度增加有關(guān)。試驗(yàn)后對(duì)樣品進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)電擊穿是軸承表面形成電損傷的必要條件。軸承擊穿后的電損傷形式包括點(diǎn)蝕、球狀顆粒和片狀結(jié)構(gòu)等，點(diǎn)蝕和球狀顆粒處發(fā)生嚴(yán)重氧化。而未擊穿和單純機(jī)械滾動(dòng)時(shí)，軸承表面損傷以擦傷劃痕和磨粒磨損為主。

圖6 FTM-CF100型滾動(dòng)載流摩擦試驗(yàn)機(jī)電路

4 軸電流的抑制

軸電壓的產(chǎn)生與電機(jī)組件的設(shè)計(jì)、制造、安裝和操作等均有一定關(guān)系，理論上軸電壓不可避免。但在大型電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需盡量減少磁路的不對(duì)稱，從源頭上遏制軸電流的產(chǎn)生，將其影響降至最小。此外，軸電流造成損害傷有2個(gè)必要條件[44]：一是要有足夠大的軸電壓；二是系統(tǒng)內(nèi)要能夠形成軸電流通過的閉合回路，二者缺一不可。如何抑制軸電流成為國內(nèi)外研究者重點(diǎn)關(guān)注方向，抑制軸電流可以分別從源頭抑制、絕緣抑制及導(dǎo)電通路3個(gè)方向著手。

(1)源頭抑制。從源頭抑制軸電流的產(chǎn)生是消除軸電流影響的根本方式。當(dāng)變頻電源工作時(shí)，無論輸出頻率為多少，都會(huì)產(chǎn)生高頻諧波分量。在變流器輸出端，加裝dv/dt電感、dv/dt濾波器、正弦波濾波器和共模電抗器等可以起到很好的抑制作用[45]。韓小地等[46]通過采集共模電壓峰值對(duì)2種RC濾波器的抑制效果進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)2種方法均可使共模電壓降低30%以上，但并不能完全抑制軸電流的發(fā)生，并且安裝復(fù)雜、價(jià)格昂貴。AKAGI和TAMURA[47]提出了一種無源電磁干擾濾波器，可以用于消除額定功率為3.7 kW的逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸承電流和接地漏電流。HAN等[48]將硬件軟件結(jié)合，設(shè)計(jì)了共模節(jié)流閥來抑制軸電壓的產(chǎn)生，并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證SiC變頻逆變器能夠通過增加電機(jī)轉(zhuǎn)換頻率來提高相位電流諧波，有助于降低軸電壓。VOLDOIRE等[49]設(shè)計(jì)了一種交流濾波器優(yōu)化模型，該模型不僅能較大程度上消除軸電流，且對(duì)濾波器工作時(shí)材料的損耗進(jìn)行了考慮，對(duì)濾波器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。KALAISELVI和SRINIVAS[50]提出了一種混合PWM轉(zhuǎn)換方法，利用該方法完全消除了中小型電機(jī)中軸承損傷的主要來源——EDM放電電流，證明了其有效性，并提出了傳統(tǒng)材料和混合材料的軸承電流分布。

此外，還可以通過對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，利用靜電屏蔽來減少寄生電容從而抑制軸電流的產(chǎn)生。BUSSE等[51]提出在定、轉(zhuǎn)子氣隙中安裝特殊形狀的靜電屏蔽導(dǎo)體，改變電機(jī)內(nèi)部磁場分布，進(jìn)而改變電機(jī)的容性耦合參數(shù)，減小軸電流。MKI-ONTTO[52]提出在電機(jī)內(nèi)沿定子槽安裝導(dǎo)電屏蔽，阻止高頻電流從電機(jī)繞組流向定子疊片，從而使高頻電流直接接地，阻隔了定子環(huán)路磁通的建立，從而抑制軸電流。張丹和劉宏[53]提出了一種對(duì)稱多芯電機(jī)電纜，將不同型號(hào)的轉(zhuǎn)子電纜的屏蔽層凝成一束之后接地，屏蔽效果較好，且屏蔽層越緊，檢測(cè)到的軸電流越小。

(2)絕緣抑制。目前應(yīng)用最廣的方法就是切斷軸電流的閉合回路，從而抑制軸電流的產(chǎn)生。對(duì)軸承表面或滾子進(jìn)行噴涂從而使軸承絕緣，主要分為混合陶瓷軸承(見圖7(a))、陶瓷噴涂絕緣軸承(見圖7(b))和樹脂覆膜軸承(見圖7(c))3類[54-56]。WENG等[57]在軸承套圈上添加一層Al2O3涂層，該涂層可大幅提高軸承的高溫絕緣性，并具有較好的抗震動(dòng)、耐高溫性。薛周強(qiáng)[58]認(rèn)為由于陶瓷材料良好的剛度、硬度及絕緣性能，可以有效抑制軸電流的產(chǎn)生。OLIVER等[54]對(duì)一種混合陶瓷套圈的絕緣軸承進(jìn)行了試驗(yàn)，表明利用陶瓷軸承可以明顯減輕軸電流損傷，延長電機(jī)壽命。王龍華[59]利用Al2O3、TiO2以及二者復(fù)合材料涂層制成的絕緣軸承來對(duì)比各涂層的絕緣性能，結(jié)果表明涂有Al2O3、TiO2二者混合涂層的絕緣軸承具有更好的絕緣性、抗擊穿能力以及更高結(jié)合強(qiáng)度。MAETANI等[60]將軸承中的轉(zhuǎn)子替換為樹脂涂抹后的轉(zhuǎn)子，測(cè)試表明樹脂涂抹后的軸承不僅有效地減弱了軸電流的損傷，并且對(duì)電機(jī)的磁性及性能等并無影響。ZHANG等[61]制備并分析了NdB6/SiO2材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等，表明NdB6/SiO2具有良好的電、熱和力學(xué)性能，并且NdB6/SiO2塊狀顯示出良好的電磁屏蔽性能，用該材料制備絕緣涂層，可有效絕緣。

圖7 絕緣軸承[54-56]

除絕緣軸承之外，在非軸伸端的軸承座加裝絕緣隔板(見圖8(a))或使用絕緣端蓋(見圖8(b))也是一種常用的方法[14-62]。此方法優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉，工藝流程較為成熟，通過阻斷電機(jī)結(jié)構(gòu)之間的連通回路使其不能形成有效閉合來保護(hù)電機(jī)軸承。此外，在密封座與中間環(huán)、中間環(huán)與端蓋、軸瓦與端蓋這類可以導(dǎo)通的發(fā)電機(jī)接觸面之間，都可以加裝絕緣擋板，阻礙軸電流的傳導(dǎo)[63]。

圖8 非軸伸端絕緣[14,62]

(3)導(dǎo)電通路。導(dǎo)電潤滑脂是一種具有優(yōu)異導(dǎo)電能力和摩擦學(xué)性能的特殊潤滑劑，可以有效地提高電接觸的減摩抗磨性能和導(dǎo)電能力,并起到抗腐蝕和密封等作用[64]，其作用實(shí)質(zhì)是提高軸承導(dǎo)電能力，降低軸承兩端電壓，避免擊穿。曹正鋒[64]基于界面聚合法，制備出2種離子液體功能化納米聚苯胺，并以其為添加劑制備了導(dǎo)電潤滑脂。結(jié)果表明2種納米聚苯胺都可以將潤滑劑的體積電阻率降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，并且納米聚苯胺和離子液體協(xié)同可以大幅降低摩擦副的摩擦因數(shù)、磨損體積和接觸電阻。CHRISTENSEN等[65]通過將低質(zhì)量百分比的碳納米材料添加到基礎(chǔ)油中來制造高電導(dǎo)潤滑脂，得到了幾種潤滑脂樣品，經(jīng)測(cè)試均具有較低電阻率，可以用于保護(hù)軸承免于電流腐蝕。CHEN等[66]將聚苯胺(PAN)作為導(dǎo)電添加劑以制作導(dǎo)電油脂，與Cu、Ag、處理過的Ag和Ag/C涂層相比，PAN潤滑脂表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電能力和良好的邊界潤滑摩擦性能。SUZUMURA[67]認(rèn)為導(dǎo)電通道的存在會(huì)使接觸區(qū)的電流密度低于其他區(qū)域，所以導(dǎo)電潤滑脂可以有效減少搓衣板狀損傷的形成。JOSHI和BLENNOW[68]通過向潤滑劑中加入添加劑來研究潤滑脂的導(dǎo)電性，結(jié)果表明加入極壓抗磨添加劑后，潤滑脂的導(dǎo)電性顯著提高，從而影響了擊穿電壓。

此外，在電機(jī)軸的軸端加裝電刷可以將軸電流直接接地，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，以此消除軸電流。但由于電刷屬于易磨損件，需要及時(shí)清理磨屑或更換，否則會(huì)造成接地異常，嚴(yán)重時(shí)甚至造成電機(jī)損壞。FENG等[69]制備了一種新的樹脂基質(zhì)碳刷，在不同載荷及200～240 V電壓下的試驗(yàn)表明，其磨損率遠(yuǎn)小于普通碳刷。導(dǎo)電環(huán)工作原理與碳刷相似，都可以及時(shí)將電機(jī)上產(chǎn)生的靜電荷引地從而消除軸電流，其材質(zhì)是導(dǎo)電纖維，不易磨損，但價(jià)格較高。ZHANG等[70]對(duì)導(dǎo)電環(huán)的疲勞壽命進(jìn)行了測(cè)試，在循環(huán)5.86×106轉(zhuǎn)后，最大電阻僅為0.192 Ω，電阻增長不超過初始值的10%，試驗(yàn)結(jié)束后仍然可以滿足導(dǎo)電環(huán)的電阻要求，可用于軸電流接地。任雪嬌[71]分析了碳刷和導(dǎo)電環(huán)的抑制原理并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明碳刷對(duì)軸電壓的抑制效果相對(duì)更好,并且碳刷越多抑制效果越好，但導(dǎo)電環(huán)對(duì)高頻段的共模電流有明顯的抑制作用。胡家鳴等[72]將碳納米材料與軸電流問題相結(jié)合，提出了利用碳納米材料的場發(fā)射特性來實(shí)現(xiàn)在空氣中非接觸放電的方法，改變了軸電流的路徑，從而達(dá)到消除軸電流的目的。

5 結(jié)論與展望

目前，對(duì)軸電壓和軸電流產(chǎn)生機(jī)制、軸承電蝕形式及機(jī)制、軸承電蝕防護(hù)等方向的研究取得長足發(fā)展。但隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，軸承服役的電學(xué)環(huán)境越來越復(fù)雜，軸承電蝕仍然困擾著各類機(jī)電設(shè)備。作者認(rèn)為應(yīng)該主要對(duì)以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

(1)機(jī)械-電耦合作用的軸承失效。軸電流的介入使軸承的機(jī)械摩擦接觸轉(zhuǎn)變?yōu)檩d流摩擦接觸。因而軸承滾子和滾道接觸區(qū)域處于力-熱-電負(fù)荷集中狀態(tài)，軸承材料和潤滑材料的失效更為復(fù)雜。建議開展?jié)櫥瑮l件下的滾動(dòng)載流摩擦研究，系統(tǒng)研究軸承的電擊穿特性、電因素和機(jī)械因素的耦合作用途徑、軸承材料表面/次表面的冶金物理化學(xué)反應(yīng)、搓衣板狀損傷形成機(jī)制和形成的動(dòng)態(tài)過程、潤滑材料的加速老化等問題。

(2)軸電流工況模擬試驗(yàn)。以新能源車和高鐵為例，目前市場上高端新能源汽車中高頻電機(jī)最大功率可達(dá)300 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍在12 000～20 000 r/min之間。高鐵中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有電流強(qiáng)、電壓高的特點(diǎn)，例如CRH380A列車中電機(jī)牽引功率可達(dá)9 600 kW。高電壓、強(qiáng)電流、高頻率的電學(xué)環(huán)境誘導(dǎo)的軸電流工況必然更加復(fù)雜。如何模擬真實(shí)環(huán)境中的軸電流工況，開展等效試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)是未來軸承電蝕研究的難點(diǎn)。

(3)導(dǎo)電潤滑劑的研發(fā)與應(yīng)用。導(dǎo)電潤滑劑作為一種兼具導(dǎo)電性能和潤滑性能的特殊潤滑劑，可以有效提高軸承的減摩抗磨性能和導(dǎo)電能力。尤其是在高性能潤滑脂制備技術(shù)、導(dǎo)電潤滑脂添加劑設(shè)計(jì)，以及導(dǎo)電潤滑劑理化性能評(píng)估方法等方面都需要更深入地研究。