潤滑脂在球軸承中的動態導電特性研究

馮 強 任成祖 吳寶杰 陳 治 劉建龍

(1.天津大學機械工程學院 天津 300072；2.中國石化潤滑油有限公司潤滑脂分公司 天津 300480)

驅動電機技術是新能源汽車的核心技術之一，其使用壽命、可靠性對新能源汽車的綜合性能有著至關重要的影響。滾動軸承是支撐新能源車驅動電機運轉的運動部件，目前全部采用潤滑脂潤滑。在新能源汽車中PWM逆變器的使用大大提高了交流電機的性能，但也對電機產生了不良影響。對電機可靠性的研究表明，由于電機軸承的損壞而導致的電機損壞占損壞總數的40%，而有25%的電機軸承損壞是由于PWM速度增加。PWM驅動電壓會在電機三相繞組中點和直流母線中點之間產生共模電壓，共模電壓通過電機的寄生電容耦合到轉軸上，形成“軸電壓”。當“軸電壓”超過軸承中潤滑脂膜的擊穿閾值時在軸承的內圈-滾動體-外圈之間會產生放電現象，即“軸承電流”。這種軸承電流在滾動體與溝道表面產生電火花放電會造成局部高溫而形成燒蝕坑，最終在軸承內部形成電腐蝕紋而使軸承失效。這種電蝕現象在新能源車充電樁的散熱風扇軸承、新能源車驅動橋軸承、風電機組發電機軸承、牽引電機軸承、空調直流電機軸承、變頻電機軸承上廣泛存在[1-4]。朱顯輝等[5]研究了軸電流對電動汽車電機軸承壽命的影響，給出了電動汽車驅動電機軸電容和軸承壽命的解析計算方法。驅動電機的運轉工況(例如溫度、轉速、負荷、振動等)的變化顯著影響軸電流的形成條件，而軸電流對軸承壽命的影響目前難以靠理論計算進行預測[6]。

目前，針對導電潤滑脂的研究主要集中在用于電力輸送領域或低壓電器領域的導體連接處，如電路開關、電連接器和輸變電設備等，這類電力復合脂目的是為了降低接觸電阻、導熱并能夠防止部件表面腐蝕[7-9]。由于應用工況的不同，這類電力復合脂并不適合用于滾動軸承的潤滑，且脂中過多的導電類固體添加劑的加入會增加滾動軸承磨粒磨損的風險。滾動軸承一般運轉速度較高，對潤滑壽命有苛刻的要求，滾動體與滾道之間形成的潤滑膜厚在微米量級[10]。對于滾動軸承，為了緩解或避免電蝕失效的風險，一般會采用軸承外圈絕緣的方法，例如軌道交通車輛的牽引電機軸承，或者采用具有導電功能的潤滑脂[11]。前者軸承成本高昂，后者可降低脂潤滑條件下潤滑膜的擊穿電壓。為研究導電潤滑脂在滾動軸承中的導電特性，本文作者對加有不同導電材料的潤滑脂的導電特性進行研究，同時針對體積表面電阻率測試方法存在的問題，基于滾動軸承的工況開發了動態脂潤滑軸承擊穿電壓測試方法。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品制備

采用芳香族二聚脲為稠化劑，以烷基二苯醚油為基礎油(40 ℃運動黏度為100 mm2/s，100 ℃運動黏度為12 mm2/s)經煉制及三輥機研磨制成基礎潤滑脂，其中稠化劑質量分數為14%。將導電材料A和導電材料B分別按質量分數0.5%、1%、1.5%混入基礎潤滑脂中，經三輥研磨機分散后制成樣品，其名稱、組成及潤滑脂特性見表1。其中潤滑脂的工作錐入度按照GB/T 269—1991《潤滑脂和石油脂錐入度測定法》進行測試，而潤滑脂滴點采用GB/T 3498—2008《潤滑脂寬溫度范圍滴點測定法》進行測試。因2種導電材料均有一定的稠化能力且耐溫性良好，故加入導電材料后潤滑脂工作錐入度有所下降，滴點略有提升(見表1)。

表1 試驗潤滑脂樣品組成及特性Table 1 Composition and characteristics of grease samples

1.2 試驗及檢測方法

1.2.1 體積電阻率測試

采用GEST-121型體積電阻率測試儀在室溫下對制備的樣品進行體積表面電阻率測試。該方法將一定體積的潤滑脂裝填在2個電極之間，經測試得到潤滑脂的體積電阻率。體積電阻率測試方法所使用的潤滑脂量較大，而在轉動的軸承內潤滑脂因動壓效應在滾動體與溝道之間形成微米量級的潤滑膜，因此體積電阻率測試與滾動軸承內潤滑脂的工作狀態存在很大的差異。

1.2.2 動態脂潤滑軸承擊穿電壓測試

為了準確模擬滾動軸承內潤滑脂工作時的導電或絕緣狀態，本文作者設計并制造了脂潤滑滾動軸承動態導電性能試驗機，該試驗機的原理圖見圖1。2個6202軸承通過一根鋼質軸安裝在絕緣的底座上，電機通過絕緣聯軸器驅動軸和2個軸承旋轉，軸承轉速可調，試驗轉速為600 r/min，注脂量為單個軸承1.5 g。可編程直流電源串聯一個限流電阻R0，阻值為23.5 Ω，正負極分別連接2個軸承的外圈形成電流回路，通過電流表和電壓表測量、記錄電路的電流、電壓值。電流在2個軸承外圈、內圈、軸之間形成回路。采用2個軸承的方法使得電源線與軸承外圈之間為靜態接觸，從而避免單個軸承測量的動態接觸電阻誤差。測量時首先啟動驅動電機并調整至試驗轉速，然后調整可編程直流電源電壓從0開始以0.1 V為步進值逐漸增大電壓直至1 V，超過1 V后步進值以0.5 V增加，至潤滑膜被擊穿后再以同等電壓步進值逐漸減小電壓，直至電源輸出電壓為0，期間記錄對應的電壓值和電流值。

圖1 脂潤滑滾動軸承動態導電性能試驗機示意Fig 1 Schematic of dynamic conductivity testing machinefor grease lubricated bearings

電源電壓U從0逐漸升高，初始階段軸承處于絕緣狀態，軸承兩端的電壓等于電源電壓。當電源電壓升高至擊穿電壓時，擊穿瞬間電路導通，軸承阻值迅速下降，受電阻R0分壓的影響軸承兩端的電壓下降。將電源電壓值、電流值和軸承接觸電阻值作圖可得到脂潤滑軸承的擊穿電壓曲線。軸承阻值發生突變且電流值隨電源電壓增加呈線性增大時的臨界電壓即為潤滑脂潤滑膜的擊穿電壓。

2 試驗結果及討論

2.1 不同導電材料對潤滑脂導電特性的影響

采用GEST-121型體積表面電阻率測試儀測得的各個潤滑脂樣品的體積電阻率結果見表2。可以看出2種導電材料的加入均使基礎脂的體積電阻率有所下降，但是導電材料質量分數從0.5%增加至1.5%體積電阻率從數量級上并沒有明顯的變化，潤滑脂仍然處于絕緣的狀態。并且從導電材料加入后潤滑脂體積電阻率的數據變化上看，2種導電材料沒有表現出明顯的區別。

采用脂潤滑滾動軸承動態導電性能試驗機測得的各個樣品的動態導電特性曲線如圖2所示，擊穿電壓數據見表2。圖2中縱坐標為軸承的電阻，采用對數坐標，橫坐標為軸承的電壓。介質在外加電場的作用下隨著電壓的升高電流-電壓關系不再服從歐姆定律，電流比電壓增大得更快，當電壓升至某臨界值大量的電能迅速釋放使電極之間的材料局部被燒毀，這種現象稱為電擊穿。從潤滑脂樣品的滾動軸承動態導電特性圖及對應的擊穿電壓數據可以看出，基礎潤滑脂BG的動態擊穿電壓高達29 V；當電壓從0開始逐漸升高時，初始階段軸承處于絕緣狀態，當電壓升高至擊穿電壓時軸承的電阻值急速下降，此時潤滑膜被擊穿而呈現導電狀態。

表2 潤滑脂樣品的體積電阻率及脂潤滑滾動軸承動態擊穿電壓測試數據Table 2 Volume resistivity of greases and dynamic breakdown voltage of grease-lubricated bearings

圖2 滾動軸承中各潤滑脂樣品的動態導電特性Fig 2 Dynamic conductivity characteristics of greases in bearing

在試驗中，導電材料A與導電材料B均呈現出隨添加量的增大而使基礎脂的擊穿電壓下降的趨勢，且在同等添加量的情況下導電材料B對基礎脂軸承動態擊穿電壓的影響明顯大于導電材料A。導電材料A的質量分數從0.5%增加至1%時動態擊穿電壓的下降十分明顯，而增加至1.5%時動態擊穿電壓的下降幅度變得不再明顯,而導電材料B的質量分數增加至1.5%時動態擊穿電壓仍舊有明顯的降幅，從圖2中可以看出，潤滑脂樣品BGB15在動態脂潤滑軸承擊穿電壓測試中隨電壓的增大軸承的動態電阻迅速下降，其擊穿電壓僅為2.5 V。這說明導電材料B相對于導電材料A在降低動態擊穿電壓方面具有更好的效果。

對比GEST-121型體積表面電阻率測試儀的測試結果，發現潤滑脂的體積電阻率測試并不能區分2種導電材料的導電性能。這說明體積電阻率測試和動態脂潤滑軸承擊穿電壓測試存在本質的區別。

2.2 導電環現象

按照前述的測試步驟，調整直流電源電壓從0開始以0.1 V為步進值逐漸增大電壓直至1 V，超過1 V后步進值以0.5 V增加，至潤滑膜被擊穿(此階段為電壓上行曲線)，然后再以0.5 V的步進值逐漸減小電壓，低于1 V時調整步進值為0.1 V，直至電源輸出電壓為0(此階段為電壓下行曲線)，期間記錄對應的電壓值和電流值，經計算后對軸承的電壓和電阻作圖得到圖3。為方便觀測圖中僅給出樣品BG、BGA15、BGB15的數據，其他樣品具有相同趨勢的規律。由圖3可以看出，每一個樣品的電壓上行曲線、電壓下行曲線、y軸三條線構成一個封閉的環，稱之為“導電環”。

圖3 動態脂潤滑軸承擊穿電壓測試中的導電環Fig 3 Conductive ring in test of breakdown voltageof dynamic grease lubricated bearing

以基礎脂樣品BG為例，從電壓為0開始隨著電壓的升高軸承一直處于絕緣狀態，當電壓達到29 V時軸承電阻突然下降至低點，此時軸承處于導電狀態。按步進值逐漸下調電壓，在電壓低于29 V后軸承并沒有退回絕緣狀態而是一直處于導電狀態。隨著電壓的下降軸承的電阻值緩慢增大，直至電壓低于5 V之后軸承電阻才開始快速增大。樣品BGA15與基礎脂BG十分類似，只是導電環的面積遠小于基礎脂BG。樣品BGB15的導電環面積最小，電壓上行曲線和電壓下行曲線的距離最為接近。導電環面積的大小可直接反映出潤滑脂在轉動軸承內的導電特性差異。

2.3 討論

2.3.1 2種不同導電特性測試方法的本質區別

如表2所示，不同樣品的體積電阻率的測試結果均在同一數量級，且這一數量級顯示潤滑脂樣品均處于絕緣體狀態。這與實際情況并不相符。因此，體積電阻率測試并不能很好地區分潤滑脂樣品的導電特性。表2中不同潤滑脂樣品的動態擊穿電壓數據區別非常明顯，產生這一問題的根本原因在于兩個方面：一是潤滑脂導電特性測試時電極之間的距離；二是導電材料在潤滑脂中導電存在狀態。

在體積電阻率測試中，電極之間距離相對較大，在厘米尺度(如圖4所示)，基礎潤滑脂本身是絕緣體，加入的導電材料最多僅1.5%(質量分數)，占比很小且粒徑在微米量級。因此導電材料全部被絕緣性的基礎脂包圍并隔離成一個個孤島。在厘米尺度上，這些具有導電性的“孤島”相互之間無法形成有效連接而在正負極之間形成通路，因此在體積電阻率測試中呈現絕緣體狀態。根據“滲流理論”，當導電添加劑的質量分數低于滲流閾值時，導電潤滑脂的導電能力變化不大[12-15]。當導電添加劑的質量分數高于滲流閾值質量分數時，導電添加劑之間直接或緊密接觸，在電場作用下形成導電網絡通路。顯然最高1.5%的導電添加劑質量分數沒有達到滲流閾值。在滾動軸承用潤滑脂中加入大量的固體導電添加劑是不現實的，會引起溝道或滾動體表面壓痕而產生源自表面上的早期剝落[16]。

圖4 體積電阻率測試潤滑脂與導電材料存在狀態示意Fig 4 The presence of grease and conductivematerials in the volume resistivity test

在脂潤滑滾動軸承動態擊穿電壓測試中潤滑脂被注入6202軸承內，軸承靜止時鋼球與內圈、外圈直接接觸，電路處于導通狀態。軸承轉動時，基于流體動壓潤滑的原理在鋼球與內、外圈接觸的接觸區形成一定厚度的流體動壓潤滑膜，潤滑膜的厚度與速度參數的0.7次方成正比，計算公式可參考Hamrock和Dowson點、線接觸彈流潤滑膜厚公式[10]。此時鋼球和內、外圈之間被微米尺度厚度的潤滑膜隔離，回路處于斷路狀態，如圖5(a)所示。導電材料的粒度也在微米級別。此時提升軸承內、外圈之間的電壓，在潤滑膜的兩側形成電場，導電材料在電場的作用下定向排列，直至潤滑膜被擊穿，回路導通。油膜被擊穿后導電材料粒子的存在方式有3種可能：①導電材料定向排列，直接連接滾動體和溝道形成導電通路；②導電材料在電場下聚集但是并未直接形成滾動體與套圈溝道之間的通路，而是相對減小了滾動體溝道表面之間絕緣材料的厚度，彼此之間通過隧道效應形成通路；③仍有一部分導電材料處于孤島狀態[17]。與大尺寸的體積電阻率測試相比，在微米量級潤滑膜厚度上更容易形成通路，如圖5(b)所示。

圖5 導電材料在軸承滾動接觸區的存在狀態Fig 5 The presence of conductive materials in the rolling contactarea of bearing(a)the oil film is not broken down；(b) after the oil film is broken down

綜上所述，2種不同導電特性測試方法的本質區別在于電極之間潤滑脂的厚度。體積電阻率測試潤滑脂的厚度在厘米尺度,因而潤滑脂樣品的體積電阻率測試和脂潤滑滾動軸承動態擊穿電壓測試表現出了完全不同的結果，脂潤滑滾動軸承動態擊穿電壓測試能夠直觀地表述滾動軸承用導電潤滑脂的導電特性。

2.3.2 不同導電材料對擊穿電壓的影響

轉動的軸承在滾動接觸區形成流體動壓潤滑膜，普通潤滑膜為絕緣狀態，厚度處于微米量級。這樣在軸承的內圈與外圈之間施加一個電壓時在軸承外圈-滾動體、滾動體-軸承內圈形成2個電容，而潤滑脂充當了電容器的介電材料。基礎脂樣品BG沒有添加任何導電材料，其中被束縛的電荷在電場的作用下脫離了原子或分子的束縛而參與導電，潤滑膜被擊穿。潤滑膜的擊穿電壓大小與潤滑脂形成的潤滑膜厚度、潤滑脂是否含有極性或導電物質等因素相關。從圖2可以看出，同樣條件下加有導電材料A、B的潤滑脂樣品的擊穿電壓明顯低于基礎潤滑脂BG；隨著導電材料質量分數的增大潤滑脂的擊穿電壓逐漸下降；導電材料B對潤滑脂擊穿電壓的減小作用明顯優于導電材料A。導電材料A的質量分數超過1%以后潤滑脂擊穿電壓的下降幅度趨緩，而導電材料B在質量分數超過1%以后潤滑脂擊穿電壓的下降幅度仍然明顯。導電材料A的質量分數從1%增加至1.5%其擊穿電壓下降10.5%，而導電材料B的質量分數從1%增加至1.5%其擊穿電壓下降37.5%。由此可見導電材料B的導電效率顯著高于導電材料A。

導電材料的導電效率受到粒徑、結構、表面粗糙度等因素的影響[18]，同時固體導電材料的粒徑、機械強度、比表面積、熱穩定性對潤滑脂的特性有著重要的影響，例如軸承噪聲、抗剪切性能、抗漏脂性能、滴點等。粒徑、機械強度也會對滾動軸承的疲勞壽命產生重要影響，過大的粒徑和硬度會使得滾動體碾過后在滾道表面產生壓痕，進而引起源自表面上的疲勞剝落[15]。因此選擇合適的導電材料至關重要。

2.3.3 降低擊穿電壓對抑制滾動軸承電蝕的意義

滾動軸承接觸區油膜被擊穿時會產生類似電火花加工的放電，導致滾動體和溝道表面產生燒蝕坑，即電蝕，主要是由電能轉化為熱能所致。通電的滾動軸承可以等效為純電阻電路，電蝕的程度主要受潤滑膜擊穿瞬間及擊穿后放電功率的影響，放電功率越大電蝕越嚴重。為了方便觀察,圖6給出了潤滑脂樣品BG、BGA10、BGB15在電壓上行過程中軸承電阻及對應電流變化曲線。可以看出，當電壓低于擊穿電壓時通過軸承的電流極小，軸承處于絕緣狀態，電壓升高電流基本不變；當電壓達到或超過擊穿電壓時電流隨電壓的升高線性增加，軸承處于導體狀態。

電功率等于電壓與對應電流的乘積，從圖6中可以明顯看出基礎潤滑脂樣品BG的潤滑膜被擊穿時不但擊穿電壓處于高位而且擊穿電流很大，樣品BGB15不但擊穿電壓最低而且擊穿電流非常小。樣品BG、BGA10、BGB15的潤滑膜擊穿放電功率數據見表2，對比可知,添加導電材料B 1.5%(質量分數)的樣品BGB15的擊穿放電功率僅0.005 W，是基礎脂樣品BG的0.015%。表2中脂潤滑滾動軸承動態擊穿電壓測試數據表明，潤滑脂的擊穿電壓越低其擊穿電流越小，對應的擊穿放電功率也越小。因此，可以預見顯著降低脂潤滑滾動軸承動態擊穿電壓可以避免或大幅減小軸承出現電蝕的風險。值得注意的是，為了防止潤滑膜被擊穿后電路導通而導致電源短路，文中試驗裝置串聯了限流保護電阻R0。在電機軸承的實際工況中很可能這一阻值很低，這樣將產生更大的擊穿電流，可預期會產生更加嚴重的電蝕。

圖6 潤滑膜擊穿過程中電流與電壓的關系Fig 6 The relationship between current and voltage in theprocess of lubricant film breakdown

圖3所示的“導電環”現象表明，潤滑膜被擊穿后在持續電場的作用下一直處于導電狀態，即使電壓降至遠低于擊穿電壓。樣品BG、BGA10、BGB15在電源電壓下行過程中軸承電阻和電流的變化曲線如圖7所示。3個樣品的潤滑膜被擊穿后隨著電壓的下降電流與電源電壓的關系一直保持線性，直至電源電壓接近2.5 V或以下。該電壓被稱為下行線性電流臨界電壓。潤滑脂導電性越高，該電壓與對應的擊穿電壓的差距越小(對比圖6與圖7)，而對于非導電的潤滑脂BG其差值相對比較大。從這一點得到的啟示為，對于非導電性潤滑脂，間歇性電壓對軸承產生的電腐蝕會更大，例如設備的啟停。

圖7 電壓下行過程對應電流的變化趨勢Fig 7 The change trend of the current correspondingto the voltage downward process

3 結論

(1)由于測試形式的不同以及導電材料在潤滑脂內的聚集態影響，體積電阻率測試方法并不適合用于滾動軸承導電潤滑脂導電性能評價，文中開發的脂潤滑滾動軸承動態導電性能試驗機能夠有效地評價普通潤滑脂、導電潤滑脂的導電特性差異。

(2)導電材料A、B對潤滑脂在軸承內的動態擊穿電壓減小作用不同，同樣的添加量導電材料B的導電效率更高，潤滑脂的擊穿電壓均隨導電材料A、B添加量的增大而下降，低擊穿電壓伴隨著低擊穿電流，與高擊穿電壓相比具有更低的擊穿放電功率。

(3)在脂潤滑滾動軸承動態導電性能測試中存在“導電環”現象，潤滑膜被擊穿后即使降低電壓潤滑膜依然處于導體狀態，導電環的面積大小可用于評價潤滑脂的導電性能，導電環面積越小導電性能越好。