轴承绝缘防止电流损害

轴承绝缘防止电流损害

轴承绝缘可防止由杂散电流引起的轴承过早失效。轴承的绝缘性能在任何工况下必须保持稳定,尤其当轴承在潮湿气候条件下储存、搬运和运转时更是如此。

作者:
奥地利施泰尔SKF奥地利公司涂层技术专家Karl Preis

INSOCOAT bearings

为什么轴承要保持绝缘?

当滚动接触面成为电流的导电路径时,可能会导致轴承损伤。

目前,已有许多文献(例如,[1,2, 3, 4])探讨过这个现象,讨论主题包括电腐蚀的成因和对策。

轴承的摩擦学机制决定了滚动接触的电气行为和可能的后果。当轴承处于静止状态时,具有较低的电阻,这时轴承处于导电状态。由于金属与金属的电接触相对较好,只有非常高的电流(如焊接电流)才能破坏滚道表面。

如果处于电阻值更高的混合润滑状态,轴承则呈现电阻状态。在这种情况下,很小的电流就可能对轴承构成危险。

当轴承处于完全薄膜润滑状态,这时轴承呈现电容状态,类似于具有特定击穿电压的电容器。如果在接触区域的润滑膜中施加的电场强度足够高(超过阈值),将发生被称为EDM的局部放电现象。

深沟球轴承的外圈滚道由于破坏性电流通过

图1:深沟球轴承的外圈滚道由于破坏性电流通过,呈现磨砂状滚道(微坑)。

所有轴承电流损伤案例有一个共同之处:滚道的接触区域局部熔化,并且该区域钢材的材料特性发生变化,另外,润滑剂的特性可能也会改变。这会造成滚道和润滑损伤,对轴承性能产生负面影响,并因此导致磨损和轴承振动加剧。

如图1和2所示,EDM电流造成的影响是肉眼可见的微坑。微坑是高频轴承电流造成的结果。如今,在使用变频器的应用场合中,这种损伤最为常见。将轴承绝缘是抵抗电流可能造成的破坏性影响的一种解决方案。

扫描电子显微镜下轴承滚道表面显示由于破坏性电流通过产生的微坑图像

图2:扫描电子显微镜下轴承滚道表面显示由于破坏性电流通过产生的微坑图像:(1)表面精加工标记,(2)微坑。

INSOCOAT – 带热喷涂涂层的轴承

SKF提供的INSOCOAT轴承在轴承外圈或内圈的外表面涂覆电绝缘涂层,从而将绝缘性能集成到轴承中。涂层材料为氧化物陶瓷(图3),通过热喷涂工艺涂覆在轴承上。 最常使用的是纯氧化铝。 有时,由于希望涂层具有不同的电气性能和机械性能,则使用氧化物混合物[5, 6]。在喷涂过程中,通过热等离子体流输送氧化物颗粒,前者会将后者熔化。热气或等离子流将大部分融化的颗粒输送到经预处理的基材上,氧化物颗粒在此冷却并形成所需的涂层。

INSOCOAT轴承

图3:INSOCOAT轴承 - 左侧为上一代产品(浅灰色),右侧为新一代产品(深灰色)。

图4显示了轴承外圈上涂层的微观结构。

在喷涂之后,涂层出现一定数量的互相连通的开放孔隙,这是热喷涂涂层的共同特性。孔隙的数量和外观很大程度上取决于涂层工艺。不难理解的是,孔隙闭合,即“密封”在热喷涂加工中是至关重要的。这有助于降低腐蚀风险,改善机械性能并保持绝缘性能。在潮湿气候条件下,以上性能提升非常重要。

轴承外圈上的INSOCOAT涂层的横截面图

图4:轴承外圈上的INSOCOAT涂层的横截面图:(1)轴承钢,(2)热喷涂层,(3)涂层界面。

图5显示了封闭孔隙的一个例子,这是一个在热喷涂层中与较小的孔隙互相连通的典型孔隙。文献[5, 6, 7]已对许多不同的密封策略进行了讨论。就电绝缘热喷涂涂层而言,最实用的措施是采用有机密封剂密封。可选的密封剂在粘度、固化温度、挥发特性、收缩率等方面具有不同的特性。需要对整个工艺过程、热喷涂和密封过程进行全面评估,以达到所需的涂层性能。

扫描电子显微镜下的热喷涂微观结构

图5:扫描电子显微镜下的热喷涂微观结构 - 绝缘涂层中的密封孔隙:(1)氧化物材料,(2)密封的孔隙。

上一代INSOCOAT – 缺点和解决方案

在一些炎热、潮湿气候条件下的应用场合中,上一代INSOCOAT轴承会出现低绝缘电阻值的现象。绝缘体的电阻包括表面电阻和体积电阻[8]。除了基本的材料属性外,表面电阻和体积电阻都与湿度和温度相关。表面电阻会随着气候的变化而立即改变,体积电阻的变化则相对滞后。如果绝缘特性超出理想的范围,则必须对整个绝缘涂层系统加以改进[5, 6, 7]。

直接与水接触条件下的电绝缘测试结果

图6:直接与水接触条件下的电绝缘测试结果;平均值。

SKF对上一代INSOCOAT轴承的试验,通过分析INSOCOAT与水直接接触时的电阻,验证了应用现场出现的问题。结果表明涂层长时间吸水,在干燥后绝缘性能完全恢复。由于电阻下降的过程时间很长,表面电流、开放孔隙或裂纹均被排除在根本原因之外。

因此,涂层材料、氧化物和/或密封剂本身必然是根本原因。对此,SKF进行了广泛的研究和测试。因此有必要评估不同的涂层和密封策略以找到解决方案。例如,测试不同的喷涂粉末材料、密封剂、固化工艺和热喷涂策略。

第一次评估就是在上述直接与水接触的条件下进行的。虽然这个测试并非反映实际典型情况(在实际应用中,轴承或电机不会浸入水中),但它对于方案是否成功给出了一个非常快速和敏感的反馈。

图6列出良好(V1 & V2)和不佳的例子(V3)的一些测试结果,并与上一代INSOCOAT轴承型号进行了比较。可以看出,V2是新一代INSOCOAT的最佳选择。

轴承安装条件下的绝缘测试结果

图7:轴承安装条件下的绝缘测试结果 — 新老两代INSOCOAT轴承型号的对比;在气候室内的受控气候条件下。

新一代INSOCOAT轴承

图7显示了在实际运行条件下,新一代INSOCOAT轴承与上一代产品的电气性能对比。轴承暴露在不同的气候条件下,如同在应用现场一样。测量装置如图8所示。结果表明新一代INSOCOAT轴承对湿度的敏感性要比上一代轴承小得多。

结论 - 新一代INSOCOAT轴承

新一代INSOCOAT轴承经过工艺优化,即使在非常潮湿的环境中也能保持较高且稳定的电气绝缘性能。选择的验证条件也是为了模拟极端气候条件。除了本文显示的数据外,在测试中还检查并验证了其他参数,如低温和高温性能(-40°C至+150°C)、机械性能(涂层粘附、安装/拆卸应力、抗冲击性)、高达6 kV DC条件下的高电压性能和介质兼容性。

安装条件和测量原理

图8:安装条件和测量原理。

即使在相对湿度大于90%、温度为30˚C的条件下,被测试的6316/C3VL0241轴承的电阻仍然保持在2,000MΩ以上,而上一代产品则下降到刚刚满足50MΩ。

INSOCOAT是SKF集团的注册商标。

销售联系方式

evolution@skf.com

参考文献
[1] Preisinger G.: Prevention of electric erosion in bearings, SKF Evolution, #2-2001 (http://evolution.skf.com/prevention-of-electric-erosion-in-bearings/)
[2] Mütze A.: Bearing currents in inverter-fed AC-motors, TU Darmstadt, 2004
[3] SKF, Bearing damage and failure analysis, PUB BU/13 14219 EN, 2014
[4] ISO 15243, Rolling bearings – damage and failures – terms, characteristics and causes, second edition, 2017
[5] Fauchais P.L.: Thermal Spray Fundamentals, Springer, 2014
[6] Pawlowski L.: The science and engineering of thermal spray coatings, Wiley, 2008
[7] Knuuttila J.: Sealing of thermal spray coatings by impregnation, ASM, 1999
[8] IEC 62631-3-3: Dielectric and resistive properties of solid insulating materials – Part 3-3: Determination of resistive properties (DC methods) – Insulation resistance, 2015

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