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；高頻循環電流；電容放電電流。

根據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。坑尺寸很小，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境中均具有優良絕緣性能，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，根據牽引電動機軸承濕熱等惡劣環境的使用工況，對軸承絕緣涂層的絕緣性能指標提出了更高的要求。

絕緣涂層應具有優良的絕緣電阻穩定性，以防止電蝕的發生，改善車輛的接地回路及防止產生感應電流。根據高速列車的使用工況要求，需要嚴格控制電容值，因為在電容狀態下，軸承處于全油膜潤滑狀態，仿佛一個具有特定擊穿電壓的電容器，如果接觸區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，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]發現，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2400V下擊穿，重新加載電壓，在3600V下顯示被擊穿，如圖7所示。

圖7 絕緣外圈在3300V（AC）下擊穿

通過1#試樣在試驗過程中，出現兩次被擊穿結果，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，發現在倒角處介質擊穿，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。