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轴承知识

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牵引电动机的改革:先从陶瓷轴承说起

在近年来新造的电动车上,安装了可变电压、可变频率控制的交流牵引电动机,这种交流牵引电动机具有重量轻、结构紧凑、高速运转的特点,但为适应轴承高速旋转和牵引电动机各部件温度上升的特点,还必须解决原有钢制轴承的“电蚀”危害,来提高轴承、润滑脂的耐热性和耐久性。

注:电蚀是旋转中轴承内部有电流通过,穿过滚动接触部位非常薄的油膜从而产生电火花,造成局部熔化的一种损伤。

图1. 轴电流腐蚀现象via网络

1 牵引电动机用绝缘轴承的基本要求

目前,解决电蚀的对策是设置旁通电路使电流流向轴承外部,或使轴承周围绝缘以切断电流,具体方法有:

(1)在牵引电动机主轴或机壳安装接地装置,使电流不经过轴承内部。

(2)使用绝缘轴承架或绝缘轴承。

从价格和可靠性方面来看,以绝缘轴承方式为主。

牵引电动机用绝缘轴承大致有三种,即: 树脂覆膜轴承;混合陶瓷轴承;陶瓷喷镀轴承。

①树脂覆膜轴承

该种轴承目前应用较多的是PPS (聚苯硫醚)绝缘轴承,它的外圈外表面涂覆有PPS 绝缘树脂,以防止轴承电蚀。优势是电绝缘性能优异、价格低廉。劣势在于这种轴承不宜用在轴承温度急剧升高的机械,或对过盈量变化有严格要求的场合,因此多用于条件较宽松的电机中。

②混合陶瓷轴承

指轴承中仅有滚动体零件是由陶瓷材料制成,又称混合式陶瓷球轴承,它是用工程陶瓷作为轴承材料,具有好的机械和热性能,即:具有足够的强度、刚度、硬度、断裂性、抗冲击力、耐高温、抗氧化能力等一系列比金属材料更好的性能,适用于做轴承的陶瓷材料主要有氮化硅( Si3N4 )、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)。这三种陶瓷材料中,氮化硅综合性能优越,己成为陶瓷轴承的首选材质。它的特点在于失效形式与轴承钢一样,是以有先兆的剥落方式出现。而氧化锆、氧化铝均以碎裂的失效形式出现。

图2. 氧化锆氮化硅混合陶瓷高温轴承via网络

③陶瓷喷涂轴承

是在轴承内环或外环上喷涂一层陶瓷绝缘涂层。陶瓷绝缘涂层采用等离子喷涂方法制备,然后采用封孔剂进行封孔处理。外环带有涂层的轴承,主要用于中等尺寸轴承;内环带有涂层的轴承,主要用于较大尺寸轴承或绝缘要求更高的场合。轴承的尺寸公差和精度符合ISO相关标准,与原型完全一致。其性能、尺寸、精度都和普通轴承一样,可以直接进行替换。

牵引电动机用绝缘轴承除了一般轴承的要求外,还多了绝缘性能的要求。主要有:

(1)绝缘电阻稳定性(周围温度、湿度等变化引起的绝缘能力不得有明显下降)。

(2)一定的机械强度(在压、拔或掉落时不得有碎裂)。

(3)轴承旋转性能。

(4)耐碱、清洗剂、煤油等的性能。

(5)与轴、轴承箱等的互换性等。

综合条件来看,陶瓷轴承更为符合牵引电动机的实际应用。

2 牵引电动机用组合式陶瓷轴承的优越性

(1)在陶瓷轴承中,氮化硅陶瓷滚动体是电绝缘体。

在通直流电的情况下,无密封圈或防尘盖的陶瓷轴承是一个绝缘体,其电阻值达数千兆欧姆;在高频电流作用下,陶瓷轴承的陶瓷滚动体在内圈和外圈之间起绝缘作用。由于混合陶瓷轴承电容非常低,滚道接触很小,滚动体直径相对较大,氮化硅材料的介电常数相对较低等,即使电流的频率为1 MHz 高频环境下,其电阻值也在1 kΩ 以上。因此,陶瓷轴承对防止轴承电蚀损害非常有效,特别是在高频电流情况下更是如此。

(2)陶瓷轴承比钢制轴承的润滑脂寿命长。

钢制轴承在电流通过时,因电流放电产生的局部高温会导致润滑脂的添加剂和基油发生反应,使基油燃烧或炭化,润滑脂会变硬、变黑,油脂迅速衰变。陶瓷轴承的润滑脂虽然也会像普通轴承一样出现恶化,但不会发生烧伤。通过对至烧损为止的旋转时间进行对比,陶瓷轴承的润滑脂寿命为钢制轴承寿命的3~4倍。

(3)陶瓷轴承可以经受静态振动下的润滑不良。

在润滑油粘度高、油膜形成很容易时,陶瓷轴承和钢制轴承的寿命几乎一样;当润滑油粘度低时,一般轴承的寿命很短。因为,此时滚动体与内外圈为同一种材质,相互很容易粘着,而使用不同种材料的陶瓷滚动体,由于缺少活性,对寿命的提高是有利的。

参考文献:

《机车牵引电动机用陶瓷轴承》——朱爱华,朱成九,张卫华

《电机轴承陶瓷绝缘涂层的制备技术研究》——孙鑫

(来源:CERADIR先进陶瓷在线)

发布时间:2022-01-12
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