电绝缘轴承介绍及过电流导致轴承损伤的典型现象

一、电绝缘轴承目的

所谓电绝缘轴承也就是绝缘轴承，电绝缘轴承包括所有能阻止电流通过的滚动轴承。无论是内圈还是外圈带陶瓷涂层的轴承都称为绝缘轴承。陶瓷涂层能够防止电流通过，具有绝缘能力。

混合式轴承的滚动体由陶瓷制成，因此也具有绝缘能力。它是由滚动体来防止电流通过的。

二、轴承绝缘的选择方式

一般来说，全部去掉轴承内部的电势差是非常困难的。然而，如果我们能够阻止或大大降低通过轴承的电流，就可以防止轴承发生电腐蚀。目前各种绝缘轴承都是为了这个目的而设计的。根据产生电压类型的不同，来选择轴承的绝缘方式。

1、沿轴产生的感应电压

沿轴产生的感应电压会产生同时经过轴承1,轴承座及轴承2的电流回路，图1。这类轴电压产生的一个原因是由于电机内部磁通量分布不均匀，尤其在一些极对数较少的电机中。此时，只要绝缘一端轴承就可以切断电流回路。通常绝缘非驱动端轴承。

A=轴承1；B=轴承2

图1 沿轴产生的感应电压

2、轴与轴承座之间的电压

如果电压发生在轴与轴承座之间，电流会以相同方向通过每个轴承。这主要是用于变频器带来的共模电压所导致。在这种情况下，电机两端的轴承都应该被绝缘，看图2。选择绝缘的决定因素是电流电压的时间特性。如果是直流电压或低频交流电压，绝缘效果取决于绝缘层的纯电阻值；如果是高频交流电压(常见于使用变频器的设备中)，取决于绝缘层的容抗值。

图2 轴与轴承座之间的电压

三、过电流导致轴承损坏的典型情况

1、滚道和滚动体上的痕迹

不管轴承通过直流电还是交流电(频率在 MHz以下)，我们总能在轴承内部发现同样的破坏形式。

在多数情况下，我们都能在滚道和滚动体表面发现均匀的暗灰色痕迹。但是这个视觉特征不是特定的，有时也有可能由其它因素引起，例如润滑剂中含有研磨剂成分，如图3。

图3 轴承滚道和滚动体上的痕迹

2、电蚀沟痕

所谓的电蚀沟痕是指滚道面在运转方向上有连续的周期性沟痕。这类现象大多是由于轴承通过电流所导致，如图4。

图4 轴承电蚀沟痕

四、显微镜下查看过电流轴承损坏结构

只有通过扫描电子显微镜(SEM)，我们才会明显的看到几乎所有的损伤表面都密布着凹坑和μm级的焊点（如图5），这也证实了有电流通过轴承。



图5 扫描电子显微镜下的轴承损伤结构

五、轴承损伤的过程

这类凹坑和焊点的形成是由于在滚道和滚动体表面微小的接触点间发生电流放电所导致。在全流体润滑状态下，电流会击穿油膜的薄弱点，电火花产生的能量会在瞬间熔化相邻金属的表面。

在混合摩擦状态下(金属 与金属相接触)，相邻表面也会发生熔合，但随着轴承的运转又会被迅速地分开。在这两种情况下，都会有材料从金属表面脱离，然后立刻凝固成焊点。也有一些焊点会混入润滑剂，另-些还会沉积在滚道表面。随着轴承的不断运转，这些焊点和凹坑也会被碾压磨平。在持续电流的作用下，在相邻表面的很薄的表层上会重复多次上述熔化和凝固的过程。

然而，在多数电腐蚀轴承的内部，更容易发现电蚀沟痕（如上图4）。这类滚道和滚动体上的周期型痕迹是持续过电流和轴承部件振动的综合影响所致。当滚动体滚过一个足够大的凹坑时，它会产生纯径向位移，位移的程度取决于轴承的内部几何尺寸，速度和轴承载荷。当滚动体来回摆动时，润滑油膜的厚度会发生变化，同时会在该区域产生更多的放电火花，这种自激式过程就被激发了。一段时间以后，在套圈滚道的整个圆周方向上都布满了电蚀沟痕。这会引起比较明显的轴承振动，导致整个轴承的失效。

从而表明，评估轴承过电流风险等级的一个可靠原则是计算通过轴承的电流密度，换句话说就是有效的安培数分别除以滚动体与内圈或外圈滚道的全部接触面积。这与轴承的型号和运转工况有关。当电流密度小于0.1 A mm-2时，按照我们目前的经验通过的电流不会造成轴承的损坏。然而当电流密度等于或大于1 A mm-2时，轴承内部就会出现明显的电蚀沟痕。

六、电流对润滑剂的影响

电流通过对润滑剂也会有不好的影响。其中的基础油和添加剂会发生氧化和裂化。在红外光谱图中可以清晰看到这个变化。过早老化和铁类金属微粒的聚集会导致润滑剂性能变坏，也可能导致轴承过热运转。