轴承电蚀机制和防护技术的试验研究进展*

牛 凯 曾泽祥 陈天骅 宋晨飞 张燕燕 杜三明 张永振

(河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室 河南洛阳 471023)

轴承是机械设备中的重要零部件，主要功能是支撑机械旋转体，降低摩擦因数，并保证其回转精度。随着高速铁路、新能源汽车、风电等行业的发展，轴承不可避免地工作于各种电场环境。电因素的介入使轴承产生了新的损伤形式——轴承电蚀[1]。

轴承电蚀是机电设备故障的主要原因。国内某公司发电机组运行时振动较大，有异响，该处轴承温度相比其他正常运行轴承高 20～30 ℃，对其拆机检测后发现轴承外圈已因轴电流放电造成了不可逆转的损伤，损伤部位呈“搓衣板”样的痕迹[2]。某核电厂海水循环泵电机上部径向轴承温度突然波动，轴承最高温度达到150 ℃，同时发现电机上部已经开始冒烟并触发停机信号，导致机组功率降低30%。检查后发现电机上部径向轴承严重烧损，滚珠表面大面积剥落，滚道损坏，轴承外圈由于过热膨胀，导致轴承座崩裂。轴承润滑脂由于过热碳化，呈黑色块状，事故原因正是油膜击穿而产生的轴电流[3]。某水利枢纽水轮发电机在工作时，多次发出轴电流警报。现场检查后发现轴电流约为20 A，而轴电流触发报警预设值为5 A，若未能及时发现，将会导致轴瓦烧坏，造成停机事故[4]。某公司汽轮发电机在启停及运行中频繁出现1～3 A的轴电流，检查发现发电机轴接地电刷处轴颈间有明显电蚀现象[5]。综上，轴电流的出现使得轴承产生早期失效，造成轴承金属材料烧蚀和润滑材料功能衰退，并可能引起整机设备振动、停机、烧毁，严重影响电气设备的安全稳定运行[6]。因此，研究轴电流的产生机制及其对轴承的破坏机制，并提出适宜的预防措施具有重要的理论价值和工程意义。本文作者综述轴承电蚀机制和防护技术的试验研究进展，并展望其研究前景。

1 轴电流产生机制

变频电机中的轴电流问题最早由CHEN等[7-9]、BUSSE等[10-12]于1996—1997年提出，他们对轴电流产生机制做了较为系统的分析研究，并指出变频器中不可避免的共模电压和电机内杂散电容是产生轴电流的根本原因。普通工频电机由于设计、安装时存在偏差等原因导致磁路不对称[13]，在轴两端感应出轴电压，由轴颈-油膜-轴承-基座及基础底座构成回路[14]，当轴电压达到一定数值时油膜被击穿，产生轴电流。变频电机由于其自身结构原因，会有额外的轴电流来源[1]。轴电压产生的主要原因有：

(1)磁不平衡产生轴电压。由于定子铁芯组合缝、定子硅钢片接缝，定子与转子空气间隙不均匀，轴中心与磁场中心不一致等，导致电机形成不完全对称的磁场，产生轴向磁场。电机转轴旋转时切割轴向磁场，在轴的两端感应出轴电压。磁不平衡诱发的轴电压一般为低频轴电压。

(2)逆变供电产生轴电压。工频三相正弦电压是平衡对称的，中性点电压为0[15]。使用变频电源时，变频器的输出电压由脉冲宽度调制产生，逆变单元中二极管的开断不可能绝对同步，从而产生不对称的高次谐波，导致中性点电压不为0，电机绕组中产生零序电压分量，即共模电压[14]。共模电压频率与逆变单元中二极管的开断频率相同，频率较高。在共模电压作用下，电机定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应，诱发轴电压。此外，在高频共模电压下，电机内分布电容和杂散电容产生充放电效应，为轴电流提供通路[15]。

(3)静电轴电压。在复杂电磁环境中，电机机壳、旋转轴等金属表面会产生感应电荷。另外，设备摩擦过程也会形成静电荷。比如，由于蒸汽与汽轮机叶片的摩擦作用，汽轮机转子带有静电荷,汽轮机与发电机的转轴对地可产生几百伏的静电压。

由于电机内部结构复杂，工作环境各异，轴电压的产生具有多样性，实际的轴电压可能是不同类型轴电压的叠加。但轴电压最终表现形式均为轴承内外滚道之间的电势差。此时，轴承滚动体和滚道间形成了金属-油膜-金属的电容式接触。钱松[17]通过圆柱形轴承的结构推导出圆柱形轴承电容计算公式：

(1)

式中：ε为导体间其他物质的介电常数；l为圆柱面的长度；a、b分别为轴承外直径和内直径。

SCHNEIDER等[18]提出了一种计算滚动轴承总电容的公式：

(2)

式中：CB为轴承整体电容；CI为轴承内圈电容；CO为轴承外圈电容；Z为滚子数量。

公式(2)仅基于赫兹接触电容，以中心膜厚度作为单个参数。REN等[19]认为与恒阻模型相比，变阻轴承模型的电路仿真结果更接近于实验结果，并以此提出了轴承的可变击穿电阻模型，给出了轴承电容的计算方法：

(3)

式中：Vb为轴承电压；Ib为轴承电流；f为频率。

由于摩擦接触是粗糙接触，粗糙峰间的润滑膜厚度不同，甚至有些粗糙峰能够刺穿润滑膜形成金属-金属接触。因此，轴承电接触实质上是大量微观电容和微观电阻的并联(见图1)。在摩擦过程中，由于粗糙峰接触的随机性，轴承的电容、电阻状态始终处于动态变化。同时由于摩擦表面粗糙峰的可统计性，轴承电容、电阻状态及其导电特点也具有一定规律性。

轴电压产生后，可通过击穿或电容充放电等形式产生轴电流，具体原理如下：

(1)轴承击穿产生轴电流。正常运转情况下，较小的轴电压不足以击穿润滑膜，此时轴电流极为微弱。轴电压超过了润滑膜阈值电压，轴承内部产生击穿，形成明显的击穿电流。MUETZE和BINDER[20]认为润滑膜的厚度随着轴承转速的增加而增加，因而击穿电压也增加。同时，轴承内部的金属磨损也会诱发电击穿，且金属磨损的次数随轴承转速的升高而增加，导致更频繁的放电。刘瑞芳等[21]认为电机转速越大，轴承油膜厚度越大，轴承电容越小；轴承所受径向力越大，轴承油膜厚度越小，轴承电容越大；轴承温度越高，油膜厚度越小，轴承电容越大。孙毓明等[22]发现在直流条件下随着转速的升高，击穿电压呈升高趋势，击穿后系统电阻也随之增加，该现象与高转速下润滑膜厚度增加有关。轴电压超过击穿阈值后，轴承完全被击穿，处于电阻式接触状态；轴电压低于击穿阈值时，轴承处于部分击穿状态，轴承电路由电容和电阻并联形成。

图1 轴承电容式接触示意

(2)电容充放电产生轴电流。在交流电工况下，轴承滚动体和滚道间形成的电容会不断充电和放电，在此过程中会产生充电和放电电流。当电压低于击穿阈值时，轴承电路中只有电容充放电电流；当轴电压超过润滑膜的击穿电压时，同样会产生击穿电流。在此过程中，电容的容抗作用会产生热量，对击穿起到一定促进作用。CHENG等[23]建立了等效电路模型，分析了电容充放电产生轴电流的过程，认为此过程中形成的轴电流能使滚道表面形成密集的电蚀坑。OH和WILLWERTH[24]认为当电机稳定接地时，轴和电机框架之间的轴承电容，以及定子和转子之间的电容，进行共模电压耦合是轴承失效的主要因素。

2 轴电流的危害

轴电流的大小对滑动轴承和滚动轴承的影响不同。对滑动轴承来说，若轴电流小于10 A，基本不会对轴承产生烧蚀[25]；若轴电流值达10～40 A，则轴承只能维持运转3 000～12 000 h；若轴电流高达100 A以上就非常危险，可能数小时内轴承会被烧毁[26]。而对于滚动轴承来说，由于接触方式的原因，轴电流的影响相对更大。当轴电流大于2 A 时，几小时内轴承即可能出现损伤；若轴电流在1～1.4 A之间，轴承仅可平稳运行200～700 h；当轴电流低于1 A时，电流对滚动轴承能几乎无伤害[27]。

轴电流的危害主要表现在金属材料性能弱化、表面烧蚀和润滑性能衰退。

(1)金属材料性能弱化。轴电流在轴承与转轴之间频繁放电，电弧能量释放造成局部高温和平均温升，温度升高导致轴承材料硬度等力学性能下降。当载荷、转速或摩擦力过大时，轴承滚道表层金属会在摩擦的作用下沿滚动方向发生塑性流动变形[28](见图2(a)[29-31])，形成塑性流变层。由于导电性存在显著差异，流经轴承钢的电流可能导致碳化物部分急剧升温，这种局部加热显著加速了微观结构损伤，并可能导致钢局部塑性增强，更易于裂纹的形成(见图2(b))，并伴随有内外圈滚道材料剥落(见图2(c))。剥落处微观形貌如图2(d)所示。

图2 轴承材料的机械损伤[29-31]

(2)表面烧蚀。单纯机械滚动或未完全击穿时，轴承表面损伤以擦伤划痕和磨粒磨损为主。击穿后金属材料被电弧高温烧蚀，发生熔融和飞溅，烧蚀区形成电蚀坑(见图3(a)[22,32])，飞溅物冷却后形成球状产物(见图3(b))，或被碾平形成片状产物(见图3(c))。长时间运行后，轴承内圈外滚道以及外圈内滚道会有搓衣板纹[33](见图3(d))，搓衣板纹的产生与高频轴电压击穿有关，但其形成过程和形成机制仍需探索。

图3 轴承材料的电损伤[22,32]。

(3)润滑性能衰退。润滑脂能起到减少摩擦磨损、降低温度、抑制腐蚀、清洁表面等作用，而轴电流破坏油膜形成，加快润滑脂劣化，降低润滑性能及介电强度[3]。润滑脂通常具有化学惰性，但是轴电压和轴电流为其化学反应的发生提供了能量，加速了润滑脂的老化与降解[34-35]，并且此过程中产生的热量也会导致润滑脂成分的蒸发。ROMANENKO等[36]研究了几种典型润滑脂在放电电流作用下引起降解时的介电强度和化学成分的变化，认为轴电流能将润滑脂中稠化剂分解成酸和醇并形成水合物。此外，轴电流引起的温升导致润滑脂黏度下降，加剧润滑脂泄漏(见图4(a)[37])。异常磨损形成的金属微粒会进入到润滑脂中(见图4(b))，这些金属微粒有可能对以后的放电击穿起诱导作用[6]，形成恶性循环并导致油脂碳化失效[38]。此外，LUO、XIE等[39-40]认为润滑剂接触区的局部过热会产生大量微气泡，气泡破裂会使润滑脂不稳定，并且含有微气泡的润滑剂更容易发生电击穿。

图4 润滑失效[37]

3 轴电流试验研究方法

3.1 轴承电蚀失效试验方法

轴承过早失效是电机损坏的重要原因之一，失效形式主要表现为疲劳失效、腐蚀、电蚀、塑性变形、断裂和开裂[41]，轴电流加速了轴承失效过程。GOULD等[42]研制了微电蚀试验机(见图5(a))，设备可施加0～750 mA交流电进行疲劳寿命试验，用于研究电流对轴承钢微观结构改变的影响以及相关的轴承过早失效。研究认为电流在25～75 mA之间最易导致微观结构改变进而使轴承过早失效。RUELLAN等[43]利用标准轴承试验机(见图5(b))进行轴承失效试验，试验过程中对轴承通电。研究认为电流会使得润滑脂局部分解产生氢气从而促进裂纹的形成，导致轴承的过早失效。通电工况下的轴承失效分析一般依托于传统的轴承摩擦试验机，试验过程中控制施加的轴电压和轴电流，模拟实际服役条件下的轴承工况。该方法可以方便地研究轴电流对轴承寿命的影响，但无法获取轴承电接触状态，难以分析轴承电接触与摩擦接触之间的耦合关联。

图5 轴电流工况下的轴承失效试验机示意[42-43]

3.2 单接触点润滑滚动电接触等效试验

为模拟润滑条件下单点接触的击穿规律及电损伤特性，河南科技大学研发了FTM-CF100型滚动载流试验机[22]。该设备采用伺服闭环控制技术，主要结构包括法向加载移动平台、动轴滚动系统、定轴滚动系统、载流系统、冷却系统、润滑系统、制动系统等，能够在环境气氛可控的条件下完成多种载流摩擦试验。设备共有两套旋转主轴，转速可独立控制，由对应的伺服电机驱动旋转。其中定轴A固定在基座上，轴上加装扭矩传感器，用于测试摩擦扭矩。另外一轴为动轴B，安装在滑轨上，在加载伺服电机的带动下做水平运动，用于载荷控制。载流电源为恒压直流电源或变频交流电源，通过水银滑环向主轴供电，试验机电路图如图6所示。试验时使用盘-盘对滚的方式模拟轴承滚动体单点接触，模拟研究轴承单点击穿特性和轴电流损伤特性[22]。基于载流摩擦学的轴电流研究关注轴承摩擦学性能和导电性能同步数据，有利于分析轴承电接触和摩擦接触的耦合关联。但该方法数据采集频率较高，长时间试验数据量较大，在轴承寿命试验方面有所欠缺。此类试验方法可模拟轴承单接触点的润滑滚动电接触状态，关注电因素和摩擦因素的耦合效应，可较为精确地获取单点接触面积、接触压力和电流密度。

孙毓明等[22]利用FTM-CF100型滚动载流摩擦试验机进行了轴承轴电流击穿试验。为了获取轴承完全击穿临界电压，在连续增电压条件下采集轴承等效电阻。结果表明：随着轴承样品两端外加电压随时间而不断升高，等效电阻逐渐降低并趋于恒定值；当电压达到轴承完全击穿临界电压时，润滑膜被击穿，轴承从电容式接触转变为电阻式接触。轴承击穿电压及击穿后的等效电阻随滚动速度的升高而增大，该变化规律与高转速下润滑膜厚度增加有关。试验后对样品进行微观分析，发现电击穿是轴承表面形成电损伤的必要条件。轴承击穿后的电损伤形式包括点蚀、球状颗粒和片状结构等，点蚀和球状颗粒处发生严重氧化。而未击穿和单纯机械滚动时，轴承表面损伤以擦伤划痕和磨粒磨损为主。

图6 FTM-CF100型滚动载流摩擦试验机电路

4 轴电流的抑制

轴电压的产生与电机组件的设计、制造、安装和操作等均有一定关系，理论上轴电压不可避免。但在大型电机设计时，需尽量减少磁路的不对称，从源头上遏制轴电流的产生，将其影响降至最小。此外，轴电流造成损害伤有2个必要条件[44]：一是要有足够大的轴电压；二是系统内要能够形成轴电流通过的闭合回路，二者缺一不可。如何抑制轴电流成为国内外研究者重点关注方向，抑制轴电流可以分别从源头抑制、绝缘抑制及导电通路3个方向着手。

(1)源头抑制。从源头抑制轴电流的产生是消除轴电流影响的根本方式。当变频电源工作时，无论输出频率为多少，都会产生高频谐波分量。在变流器输出端，加装dv/dt电感、dv/dt滤波器、正弦波滤波器和共模电抗器等可以起到很好的抑制作用[45]。韩小地等[46]通过采集共模电压峰值对2种RC滤波器的抑制效果进行测试，发现2种方法均可使共模电压降低30%以上，但并不能完全抑制轴电流的发生，并且安装复杂、价格昂贵。AKAGI和TAMURA[47]提出了一种无源电磁干扰滤波器，可以用于消除额定功率为3.7 kW的逆变器驱动电机的轴承电流和接地漏电流。HAN等[48]将硬件软件结合，设计了共模节流阀来抑制轴电压的产生，并且通过试验验证SiC变频逆变器能够通过增加电机转换频率来提高相位电流谐波，有助于降低轴电压。VOLDOIRE等[49]设计了一种交流滤波器优化模型，该模型不仅能较大程度上消除轴电流，且对滤波器工作时材料的损耗进行了考虑，对滤波器整体结构进行了优化。KALAISELVI和SRINIVAS[50]提出了一种混合PWM转换方法，利用该方法完全消除了中小型电机中轴承损伤的主要来源——EDM放电电流，证明了其有效性，并提出了传统材料和混合材料的轴承电流分布。

此外，还可以通过对电机结构进行改造，利用静电屏蔽来减少寄生电容从而抑制轴电流的产生。BUSSE等[51]提出在定、转子气隙中安装特殊形状的静电屏蔽导体，改变电机内部磁场分布，进而改变电机的容性耦合参数，减小轴电流。MKI-ONTTO[52]提出在电机内沿定子槽安装导电屏蔽，阻止高频电流从电机绕组流向定子叠片，从而使高频电流直接接地，阻隔了定子环路磁通的建立，从而抑制轴电流。张丹和刘宏[53]提出了一种对称多芯电机电缆，将不同型号的转子电缆的屏蔽层凝成一束之后接地，屏蔽效果较好，且屏蔽层越紧，检测到的轴电流越小。

(2)绝缘抑制。目前应用最广的方法就是切断轴电流的闭合回路，从而抑制轴电流的产生。对轴承表面或滚子进行喷涂从而使轴承绝缘，主要分为混合陶瓷轴承(见图7(a))、陶瓷喷涂绝缘轴承(见图7(b))和树脂覆膜轴承(见图7(c))3类[54-56]。WENG等[57]在轴承套圈上添加一层Al2O3涂层，该涂层可大幅提高轴承的高温绝缘性，并具有较好的抗震动、耐高温性。薛周强[58]认为由于陶瓷材料良好的刚度、硬度及绝缘性能，可以有效抑制轴电流的产生。OLIVER等[54]对一种混合陶瓷套圈的绝缘轴承进行了试验，表明利用陶瓷轴承可以明显减轻轴电流损伤，延长电机寿命。王龙华[59]利用Al2O3、TiO2以及二者复合材料涂层制成的绝缘轴承来对比各涂层的绝缘性能，结果表明涂有Al2O3、TiO2二者混合涂层的绝缘轴承具有更好的绝缘性、抗击穿能力以及更高结合强度。MAETANI等[60]将轴承中的转子替换为树脂涂抹后的转子，测试表明树脂涂抹后的轴承不仅有效地减弱了轴电流的损伤，并且对电机的磁性及性能等并无影响。ZHANG等[61]制备并分析了NdB6/SiO2材料的结构及力学性能等，表明NdB6/SiO2具有良好的电、热和力学性能，并且NdB6/SiO2块状显示出良好的电磁屏蔽性能，用该材料制备绝缘涂层，可有效绝缘。

图7 绝缘轴承[54-56]

除绝缘轴承之外，在非轴伸端的轴承座加装绝缘隔板(见图8(a))或使用绝缘端盖(见图8(b))也是一种常用的方法[14-62]。此方法优点在于成本低廉，工艺流程较为成熟，通过阻断电机结构之间的连通回路使其不能形成有效闭合来保护电机轴承。此外，在密封座与中间环、中间环与端盖、轴瓦与端盖这类可以导通的发电机接触面之间，都可以加装绝缘挡板，阻碍轴电流的传导[63]。

图8 非轴伸端绝缘[14,62]

(3)导电通路。导电润滑脂是一种具有优异导电能力和摩擦学性能的特殊润滑剂，可以有效地提高电接触的减摩抗磨性能和导电能力,并起到抗腐蚀和密封等作用[64]，其作用实质是提高轴承导电能力，降低轴承两端电压，避免击穿。曹正锋[64]基于界面聚合法，制备出2种离子液体功能化纳米聚苯胺，并以其为添加剂制备了导电润滑脂。结果表明2种纳米聚苯胺都可以将润滑剂的体积电阻率降低2个数量级，并且纳米聚苯胺和离子液体协同可以大幅降低摩擦副的摩擦因数、磨损体积和接触电阻。CHRISTENSEN等[65]通过将低质量百分比的碳纳米材料添加到基础油中来制造高电导润滑脂，得到了几种润滑脂样品，经测试均具有较低电阻率，可以用于保护轴承免于电流腐蚀。CHEN等[66]将聚苯胺(PAN)作为导电添加剂以制作导电油脂，与Cu、Ag、处理过的Ag和Ag/C涂层相比，PAN润滑脂表现出优异的导电能力和良好的边界润滑摩擦性能。SUZUMURA[67]认为导电通道的存在会使接触区的电流密度低于其他区域，所以导电润滑脂可以有效减少搓衣板状损伤的形成。JOSHI和BLENNOW[68]通过向润滑剂中加入添加剂来研究润滑脂的导电性，结果表明加入极压抗磨添加剂后，润滑脂的导电性显著提高，从而影响了击穿电压。

此外，在电机轴的轴端加装电刷可以将轴电流直接接地，保证转轴电位为零电位，以此消除轴电流。但由于电刷属于易磨损件，需要及时清理磨屑或更换，否则会造成接地异常，严重时甚至造成电机损坏。FENG等[69]制备了一种新的树脂基质碳刷，在不同载荷及200～240 V电压下的试验表明，其磨损率远小于普通碳刷。导电环工作原理与碳刷相似，都可以及时将电机上产生的静电荷引地从而消除轴电流，其材质是导电纤维，不易磨损，但价格较高。ZHANG等[70]对导电环的疲劳寿命进行了测试，在循环5.86×106转后，最大电阻仅为0.192 Ω，电阻增长不超过初始值的10%，试验结束后仍然可以满足导电环的电阻要求，可用于轴电流接地。任雪娇[71]分析了碳刷和导电环的抑制原理并在实验平台上进行了测试，结果表明碳刷对轴电压的抑制效果相对更好,并且碳刷越多抑制效果越好，但导电环对高频段的共模电流有明显的抑制作用。胡家鸣等[72]将碳纳米材料与轴电流问题相结合，提出了利用碳纳米材料的场发射特性来实现在空气中非接触放电的方法，改变了轴电流的路径，从而达到消除轴电流的目的。

5 结论与展望

目前，对轴电压和轴电流产生机制、轴承电蚀形式及机制、轴承电蚀防护等方向的研究取得长足发展。但随着科学技术的快速发展，机电设备的应用越来越广泛，轴承服役的电学环境越来越复杂，轴承电蚀仍然困扰着各类机电设备。作者认为应该主要对以下几个方面加强研究：

(1)机械-电耦合作用的轴承失效。轴电流的介入使轴承的机械摩擦接触转变为载流摩擦接触。因而轴承滚子和滚道接触区域处于力-热-电负荷集中状态，轴承材料和润滑材料的失效更为复杂。建议开展润滑条件下的滚动载流摩擦研究，系统研究轴承的电击穿特性、电因素和机械因素的耦合作用途径、轴承材料表面/次表面的冶金物理化学反应、搓衣板状损伤形成机制和形成的动态过程、润滑材料的加速老化等问题。

(2)轴电流工况模拟试验。以新能源车和高铁为例，目前市场上高端新能源汽车中高频电机最大功率可达300 kW，电机转速范围在12 000～20 000 r/min之间。高铁中的驱动电机具有电流强、电压高的特点，例如CRH380A列车中电机牵引功率可达9 600 kW。高电压、强电流、高频率的电学环境诱导的轴电流工况必然更加复杂。如何模拟真实环境中的轴电流工况，开展等效试验或台架试验是未来轴承电蚀研究的难点。

(3)导电润滑剂的研发与应用。导电润滑剂作为一种兼具导电性能和润滑性能的特殊润滑剂，可以有效提高轴承的减摩抗磨性能和导电能力。尤其是在高性能润滑脂制备技术、导电润滑脂添加剂设计，以及导电润滑剂理化性能评估方法等方面都需要更深入地研究。