絕緣軸承產品絕緣涂層設計方法及檢測分析

唐虎嬌

瓦房店軸承股份有限公司 遼寧瓦房店 116300

1 序言

牽引電動機軸承在電場存在的場合，如果電流經過軸承形成回路，電流會在軸承零件旋轉表面產生蝕坑、熔痕、電蝕銼紋、變色及微磨損等損傷，影響軸承的應用可靠性及使用壽命[1]。產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)軸承零件旋轉表面損傷的形貌特征，損傷可分三種類型。

1）弧坑狀電腐蝕。它主要與單坑損傷有關，通常見于直流應用。腐蝕弧坑形狀類似隕石坑，大小從φ0.1mm～φ0.5mm不等，可以用肉眼看。產生這種隕石坑的源大多是非常高的電壓源，非常強大。

2）洗衣板狀電腐蝕。產生這種凹槽的原因是滾動單元在較小的環(huán)形山上滾動時所產生的動力效應引起的機械共振振動。這意味著凹槽不是電流通過軸承本身產生的主要失效模式。它是次生的軸承損傷，只有經過一段時間才會顯現(xiàn)出來，并且以隕石坑為初蝕點[2]。

3）受損表面呈暗淡狀，特征是有熔池痕跡。滾動件和滾道表面有多個微坑?？映叽绾苄?，直徑大多5～8μm。

2 絕緣涂層電性能設計要求

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構致密、結合強度高、絕緣性能優(yōu)良、耐蝕耐磨性能超強的絕緣陶瓷涂層[3]。經處理的軸承，無論在干燥還是潮濕環(huán)境中均具有優(yōu)良絕緣性能，從而可有效替代進口軸承。所獲得的陶瓷涂層絕緣軸承不但生產制造成本低（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，在絕緣軸承領域中應用最廣泛。

牽引電動機用絕緣軸承除了標準軸承的性能要求外，還對軸承的絕緣性能提出要求，根據(jù)牽引電動機軸承濕熱等惡劣環(huán)境的使用工況，對軸承絕緣涂層的絕緣性能指標提出了更高的要求。

絕緣涂層應具有優(yōu)良的絕緣電阻穩(wěn)定性，以防止電蝕的發(fā)生，改善車輛的接地回路及防止產生感應電流。根據(jù)高速列車的使用工況要求，需要嚴格控制電容值，因為在電容狀態(tài)下，軸承處于全油膜潤滑狀態(tài)，仿佛一個具有特定擊穿電壓的電容器，如果接觸區(qū)潤滑膜中存在的外加電場強度足夠高（超過閾值），就會產生放電，即電火花加工電流，對軸承造成損害。控制涂層的電性能指標包括：涂層的電阻值、電容值、泄漏電流、耐擊穿電壓[4]。

3 絕緣軸承外圈檢測方法研究

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

圖1 直接測量

在軸承外部包覆金屬帶導電介質，如圖2所示。

圖2 包覆金屬帶導電介質（銅箔）

將絕緣軸承壓入工裝（模擬軸承座尺寸）中進行測量，如圖3所示。

圖3 絕緣軸承壓入工裝測量

選取五個絕緣軸承外圈，編號為試樣1～5，分別采用三種不同的測量方法，在2500V下，測量絕緣阻值，共測三點（將軸承三等分），測量結果見表1～表3。

表1 直接絕緣阻值測量方法 （GΩ）

表2 包覆金屬帶導電介質測量絕緣阻值方法（GΩ）

表3 壓入工裝測量方法 （GΩ）

通過以上試驗，總結如下。

1）在軸承外徑直接測量（方法一）、外部包覆金屬帶導電介質（方法二）后進行測量，但由于測量過程中并不能保證金屬導電介質與絕緣涂層良好接觸，測試結果不夠精確；如采用方法一、二測量軸承，會對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行測量，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，測試結果精準。此方法也是目前電動機客戶與軸承廠認可的測量方法。

（2）泄漏電流檢測 研究表明，由于電動機軸承的損壞而導致的電動機故障占電動機故障總數(shù)的40%，而有25%的電動機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)，當軸承中的涂層結構，電流密度＞0.1A/mm2時，在涂層內會引起電蝕，導致電動機破壞。

選取三個絕緣外圈，試驗采用阻抗分析儀、絕緣電阻測試儀、LCR 數(shù)字電橋進行測試，先對軸承樣品進行初始絕緣電阻、電容檢測，檢測完成后打開阻抗分析儀電源，電壓調至100V，頻率按10Hz、500Hz、1KHz、2KHz、4KHz、6KHz、8KHz、10KHz的要求逐一設定，進行阻抗測試，每種頻率下加壓 1min，直到電源頻率達到10KHz，記錄軸承泄漏電流，完成后關閉電源，過程如圖4所示。檢測結果見表4、表5。

表5 不同頻率下200V電壓泄露電流 （mA）

圖4 高頻電壓測試泄漏電流

表4 不同頻率下100V電壓泄露電流 （mA）

通過以上試驗總結如下。

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，在試驗前后測量1000V下，絕緣電阻的變化。1#試樣檢測前絕緣阻值為27.32GΩ，檢測后為26.51GΩ，變化率為3%；2#試樣檢測前絕緣阻值為21.5 GΩ，檢測后為20.13 GΩ，變化率為6.4%；3#試樣檢測前絕緣阻值為25.48 GΩ，檢測后為24.01 GΩ，變化率為5.8%。

（3）工頻耐電壓特性檢測 本試驗中選取5個試樣，采用耐壓試驗儀進行測試，將耐壓試驗儀的引出導線與工裝相連，軸承壓入工裝（見圖5），確保導線與軸承工裝接觸牢固，由于測試中采用高電壓，防止在測試過程中，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行試驗，如圖6所示。將電源打開，電壓（A C）分別調至2000V、3000V、5000V，加壓時間不少于5s，觀察絕緣層是否被擊穿。

圖5 導線與軸承工裝連接

圖6 測試方法

在檢測過程中，1#外圈出現(xiàn)2400V下?lián)舸匦录虞d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1#試樣在試驗過程中，出現(xiàn)兩次被擊穿結果，分析如下：若外圈被擊穿，再次加載電壓，會瞬間擊穿，但是在二次加載電壓時，在更高電壓下顯示被擊穿，說明試驗方法不當。

當1#外圈在第一次被擊穿后，在5000V（DC）下，測量絕緣阻值為27.85GΩ左右。判斷絕緣層未擊穿。通過觀察擊穿火花位置，發(fā)現(xiàn)在倒角處介質擊穿，絕緣層未擊穿。原因一：變壓器油反復使用，吸水、雜質等影響結果。原因二：工裝設計原理，工裝端面全面保護絕緣涂層，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，造成擊穿絕緣涂層的假象，調查電動機軸承座并不完全包含端面，因此工裝的尺寸需進一步優(yōu)化。原因三：工裝銹蝕，使得銹蝕物侵入絕緣涂層，影響檢測結果。

本次試驗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，導致試驗結果不準確，更換檢測方式，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。

試驗采用耐壓試驗儀進行測試，將耐壓試驗儀的引出導線與銅箔相連，軸承采用銅箔緊密黏貼（見圖8），確保導線與軸承的接觸牢固，將試樣連同工裝一同放入變壓器油中進行試驗，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試

將電源打開，電壓（AC）分別調至2000V、3000V、5000V，加壓時間不少于5s。本次試驗后觀察絕緣層完好、無被擊穿痕跡，具體檢測結果見表6。

表6 工頻耐電壓試驗特性

通過以上試驗總結如下。

1）在高電壓測量下，工裝的設計對測量結果影響很大。

2）由于絕緣涂層具有多孔性，工裝銹蝕對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 結束語

（1）絕緣軸承電阻測試 通過單點測試、銅箔包裹、軸承工裝三種方式，測量絕緣外圈的電阻值，不同的測試方法，對測試結果影響較大，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：絕緣電阻測試的電極結構應符合實際軸承在軸承室中的結構。應選擇合適的測試方法，利于反應絕緣軸承在實際工況中的絕緣性能。

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

（3）工頻耐電壓特性檢測 1#絕緣試樣在檢測過程中，在3.6kV下發(fā)生擊穿，原因是因為外加電壓會使電荷向所有缺陷處會聚，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。