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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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)發(fā)生在以下應(yīng)用的滾動(dòng)軸承中：

1）輪對(duì)軸承和牽引電機(jī)（軌道車輛）

2）直流和交流電機(jī) (動(dòng)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(dòng)體的損壞及潤(rùn)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(huì)增加由于停機(jī)和停產(chǎn)帶來的額外成本。一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的解決方案就是在電機(jī)設(shè)計(jì)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(huì)為客戶帶來巨大價(jià)值。一般來說，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(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，來選擇軸承的絕緣方式。  

設(shè)計(jì)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(dòng)體上的痕跡在多數(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，

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(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(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。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，另一些還會(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(dòng)體上的周期性痕跡是持續(xù)過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，這種自激式過程就被激發(fā)了。一段時(shí)間以后，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)，最終導(dǎo)致整個(gè)軸承的失效。

實(shí)踐表明，評(píng)估軸承過電流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的一個(gè)可靠原則是計(jì)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(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 Amm-2時(shí)，軸承內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)明顯的電蝕溝痕。

電流對(duì)潤(rùn)滑劑的影響

電流通過對(duì)潤(rùn)滑劑也會(huì)有負(fù)面影響。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(gè)選擇是九星的混合式軸承?；旌鲜捷S承的套圈由滾動(dòng)軸承鋼制成，滾動(dòng)體由陶瓷材料制成。其滾動(dòng)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(shí)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(dòng)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(rùn)滑脂的標(biāo)準(zhǔn)軸承相比混合式軸承的潤(rùn)滑脂壽命更長(zhǎng)

對(duì)于小尺寸的滾動(dòng)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(duì)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(gè)帶絕緣層的深溝球軸承九星 6316/C3V3031A，驅(qū)動(dòng)端使用一個(gè)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(rùn)滑。需要安裝再潤(rùn)滑裝置。