軸承電蝕機制和防護技術(shù)的試驗研究進展*

牛 凱 曾澤祥 陳天驊 宋晨飛 張燕燕 杜三明 張永振

(河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實驗室 河南洛陽 471023)

軸承是機械設(shè)備中的重要零部件，主要功能是支撐機械旋轉(zhuǎn)體，降低摩擦因數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。隨著高速鐵路、新能源汽車、風(fēng)電等行業(yè)的發(fā)展，軸承不可避免地工作于各種電場環(huán)境。電因素的介入使軸承產(chǎn)生了新的損傷形式——軸承電蝕[1]。

軸承電蝕是機電設(shè)備故障的主要原因。國內(nèi)某公司發(fā)電機組運行時振動較大，有異響，該處軸承溫度相比其他正常運行軸承高 20～30 ℃，對其拆機檢測后發(fā)現(xiàn)軸承外圈已因軸電流放電造成了不可逆轉(zhuǎn)的損傷，損傷部位呈“搓衣板”樣的痕跡[2]。某核電廠海水循環(huán)泵電機上部徑向軸承溫度突然波動，軸承最高溫度達到150 ℃，同時發(fā)現(xiàn)電機上部已經(jīng)開始冒煙并觸發(fā)停機信號，導(dǎo)致機組功率降低30%。檢查后發(fā)現(xiàn)電機上部徑向軸承嚴(yán)重?zé)龘p，滾珠表面大面積剝落，滾道損壞，軸承外圈由于過熱膨脹，導(dǎo)致軸承座崩裂。軸承潤滑脂由于過熱碳化，呈黑色塊狀，事故原因正是油膜擊穿而產(chǎn)生的軸電流[3]。某水利樞紐水輪發(fā)電機在工作時，多次發(fā)出軸電流警報?，F(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)軸電流約為20 A，而軸電流觸發(fā)報警預(yù)設(shè)值為5 A，若未能及時發(fā)現(xiàn)，將會導(dǎo)致軸瓦燒壞，造成停機事故[4]。某公司汽輪發(fā)電機在啟停及運行中頻繁出現(xiàn)1～3 A的軸電流，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸接地電刷處軸頸間有明顯電蝕現(xiàn)象[5]。綜上，軸電流的出現(xiàn)使得軸承產(chǎn)生早期失效，造成軸承金屬材料燒蝕和潤滑材料功能衰退，并可能引起整機設(shè)備振動、停機、燒毀，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行[6]。因此，研究軸電流的產(chǎn)生機制及其對軸承的破壞機制，并提出適宜的預(yù)防措施具有重要的理論價值和工程意義。本文作者綜述軸承電蝕機制和防護技術(shù)的試驗研究進展，并展望其研究前景。

1 軸電流產(chǎn)生機制

變頻電機中的軸電流問題最早由CHEN等[7-9]、BUSSE等[10-12]于1996—1997年提出，他們對軸電流產(chǎn)生機制做了較為系統(tǒng)的分析研究，并指出變頻器中不可避免的共模電壓和電機內(nèi)雜散電容是產(chǎn)生軸電流的根本原因。普通工頻電機由于設(shè)計、安裝時存在偏差等原因?qū)е麓怕凡粚ΨQ[13]，在軸兩端感應(yīng)出軸電壓，由軸頸-油膜-軸承-基座及基礎(chǔ)底座構(gòu)成回路[14]，當(dāng)軸電壓達到一定數(shù)值時油膜被擊穿，產(chǎn)生軸電流。變頻電機由于其自身結(jié)構(gòu)原因，會有額外的軸電流來源[1]。軸電壓產(chǎn)生的主要原因有：

(1)磁不平衡產(chǎn)生軸電壓。由于定子鐵芯組合縫、定子硅鋼片接縫，定子與轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻，軸中心與磁場中心不一致等，導(dǎo)致電機形成不完全對稱的磁場，產(chǎn)生軸向磁場。電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時切割軸向磁場，在軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。磁不平衡誘發(fā)的軸電壓一般為低頻軸電壓。

(2)逆變供電產(chǎn)生軸電壓。工頻三相正弦電壓是平衡對稱的，中性點電壓為0[15]。使用變頻電源時，變頻器的輸出電壓由脈沖寬度調(diào)制產(chǎn)生，逆變單元中二極管的開斷不可能絕對同步，從而產(chǎn)生不對稱的高次諧波，導(dǎo)致中性點電壓不為0，電機繞組中產(chǎn)生零序電壓分量，即共模電壓[14]。共模電壓頻率與逆變單元中二極管的開斷頻率相同，頻率較高。在共模電壓作用下，電機定子繞組線圈端部、接線部分、轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，誘發(fā)軸電壓。此外，在高頻共模電壓下，電機內(nèi)分布電容和雜散電容產(chǎn)生充放電效應(yīng)，為軸電流提供通路[15]。

(3)靜電軸電壓。在復(fù)雜電磁環(huán)境中，電機機殼、旋轉(zhuǎn)軸等金屬表面會產(chǎn)生感應(yīng)電荷。另外，設(shè)備摩擦過程也會形成靜電荷。比如，由于蒸汽與汽輪機葉片的摩擦作用，汽輪機轉(zhuǎn)子帶有靜電荷,汽輪機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸對地可產(chǎn)生幾百伏的靜電壓。

由于電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境各異，軸電壓的產(chǎn)生具有多樣性，實際的軸電壓可能是不同類型軸電壓的疊加。但軸電壓最終表現(xiàn)形式均為軸承內(nèi)外滾道之間的電勢差。此時，軸承滾動體和滾道間形成了金屬-油膜-金屬的電容式接觸。錢松[17]通過圓柱形軸承的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出圓柱形軸承電容計算公式：

(1)

式中：ε為導(dǎo)體間其他物質(zhì)的介電常數(shù)；l為圓柱面的長度；a、b分別為軸承外直徑和內(nèi)直徑。

SCHNEIDER等[18]提出了一種計算滾動軸承總電容的公式：

(2)

式中：CB為軸承整體電容；CI為軸承內(nèi)圈電容；CO為軸承外圈電容；Z為滾子數(shù)量。

公式(2)僅基于赫茲接觸電容，以中心膜厚度作為單個參數(shù)。REN等[19]認為與恒阻模型相比，變阻軸承模型的電路仿真結(jié)果更接近于實驗結(jié)果，并以此提出了軸承的可變擊穿電阻模型，給出了軸承電容的計算方法：

(3)

式中：Vb為軸承電壓；Ib為軸承電流；f為頻率。

由于摩擦接觸是粗糙接觸，粗糙峰間的潤滑膜厚度不同，甚至有些粗糙峰能夠刺穿潤滑膜形成金屬-金屬接觸。因此，軸承電接觸實質(zhì)上是大量微觀電容和微觀電阻的并聯(lián)(見圖1)。在摩擦過程中，由于粗糙峰接觸的隨機性，軸承的電容、電阻狀態(tài)始終處于動態(tài)變化。同時由于摩擦表面粗糙峰的可統(tǒng)計性，軸承電容、電阻狀態(tài)及其導(dǎo)電特點也具有一定規(guī)律性。

軸電壓產(chǎn)生后，可通過擊穿或電容充放電等形式產(chǎn)生軸電流，具體原理如下：

(1)軸承擊穿產(chǎn)生軸電流。正常運轉(zhuǎn)情況下，較小的軸電壓不足以擊穿潤滑膜，此時軸電流極為微弱。軸電壓超過了潤滑膜閾值電壓，軸承內(nèi)部產(chǎn)生擊穿，形成明顯的擊穿電流。MUETZE和BINDER[20]認為潤滑膜的厚度隨著軸承轉(zhuǎn)速的增加而增加，因而擊穿電壓也增加。同時，軸承內(nèi)部的金屬磨損也會誘發(fā)電擊穿，且金屬磨損的次數(shù)隨軸承轉(zhuǎn)速的升高而增加，導(dǎo)致更頻繁的放電。劉瑞芳等[21]認為電機轉(zhuǎn)速越大，軸承油膜厚度越大，軸承電容越??；軸承所受徑向力越大，軸承油膜厚度越小，軸承電容越大；軸承溫度越高，油膜厚度越小，軸承電容越大。孫毓明等[22]發(fā)現(xiàn)在直流條件下隨著轉(zhuǎn)速的升高，擊穿電壓呈升高趨勢，擊穿后系統(tǒng)電阻也隨之增加，該現(xiàn)象與高轉(zhuǎn)速下潤滑膜厚度增加有關(guān)。軸電壓超過擊穿閾值后，軸承完全被擊穿，處于電阻式接觸狀態(tài)；軸電壓低于擊穿閾值時，軸承處于部分擊穿狀態(tài)，軸承電路由電容和電阻并聯(lián)形成。

圖1 軸承電容式接觸示意

(2)電容充放電產(chǎn)生軸電流。在交流電工況下，軸承滾動體和滾道間形成的電容會不斷充電和放電，在此過程中會產(chǎn)生充電和放電電流。當(dāng)電壓低于擊穿閾值時，軸承電路中只有電容充放電電流；當(dāng)軸電壓超過潤滑膜的擊穿電壓時，同樣會產(chǎn)生擊穿電流。在此過程中，電容的容抗作用會產(chǎn)生熱量，對擊穿起到一定促進作用。CHENG等[23]建立了等效電路模型，分析了電容充放電產(chǎn)生軸電流的過程，認為此過程中形成的軸電流能使?jié)L道表面形成密集的電蝕坑。OH和WILLWERTH[24]認為當(dāng)電機穩(wěn)定接地時，軸和電機框架之間的軸承電容，以及定子和轉(zhuǎn)子之間的電容，進行共模電壓耦合是軸承失效的主要因素。

2 軸電流的危害

軸電流的大小對滑動軸承和滾動軸承的影響不同。對滑動軸承來說，若軸電流小于10 A，基本不會對軸承產(chǎn)生燒蝕[25]；若軸電流值達10～40 A，則軸承只能維持運轉(zhuǎn)3 000～12 000 h；若軸電流高達100 A以上就非常危險，可能數(shù)小時內(nèi)軸承會被燒毀[26]。而對于滾動軸承來說，由于接觸方式的原因，軸電流的影響相對更大。當(dāng)軸電流大于2 A 時，幾小時內(nèi)軸承即可能出現(xiàn)損傷；若軸電流在1～1.4 A之間，軸承僅可平穩(wěn)運行200～700 h；當(dāng)軸電流低于1 A時，電流對滾動軸承能幾乎無傷害[27]。

軸電流的危害主要表現(xiàn)在金屬材料性能弱化、表面燒蝕和潤滑性能衰退。

(1)金屬材料性能弱化。軸電流在軸承與轉(zhuǎn)軸之間頻繁放電，電弧能量釋放造成局部高溫和平均溫升，溫度升高導(dǎo)致軸承材料硬度等力學(xué)性能下降。當(dāng)載荷、轉(zhuǎn)速或摩擦力過大時，軸承滾道表層金屬會在摩擦的作用下沿滾動方向發(fā)生塑性流動變形[28](見圖2(a)[29-31])，形成塑性流變層。由于導(dǎo)電性存在顯著差異，流經(jīng)軸承鋼的電流可能導(dǎo)致碳化物部分急劇升溫，這種局部加熱顯著加速了微觀結(jié)構(gòu)損傷，并可能導(dǎo)致鋼局部塑性增強，更易于裂紋的形成(見圖2(b))，并伴隨有內(nèi)外圈滾道材料剝落(見圖2(c))。剝落處微觀形貌如圖2(d)所示。

圖2 軸承材料的機械損傷[29-31]

(2)表面燒蝕。單純機械滾動或未完全擊穿時，軸承表面損傷以擦傷劃痕和磨粒磨損為主。擊穿后金屬材料被電弧高溫?zé)g，發(fā)生熔融和飛濺，燒蝕區(qū)形成電蝕坑(見圖3(a)[22,32])，飛濺物冷卻后形成球狀產(chǎn)物(見圖3(b))，或被碾平形成片狀產(chǎn)物(見圖3(c))。長時間運行后，軸承內(nèi)圈外滾道以及外圈內(nèi)滾道會有搓衣板紋[33](見圖3(d))，搓衣板紋的產(chǎn)生與高頻軸電壓擊穿有關(guān)，但其形成過程和形成機制仍需探索。

圖3 軸承材料的電損傷[22,32]。

(3)潤滑性能衰退。潤滑脂能起到減少摩擦磨損、降低溫度、抑制腐蝕、清潔表面等作用，而軸電流破壞油膜形成，加快潤滑脂劣化，降低潤滑性能及介電強度[3]。潤滑脂通常具有化學(xué)惰性，但是軸電壓和軸電流為其化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了能量，加速了潤滑脂的老化與降解[34-35]，并且此過程中產(chǎn)生的熱量也會導(dǎo)致潤滑脂成分的蒸發(fā)。ROMANENKO等[36]研究了幾種典型潤滑脂在放電電流作用下引起降解時的介電強度和化學(xué)成分的變化，認為軸電流能將潤滑脂中稠化劑分解成酸和醇并形成水合物。此外，軸電流引起的溫升導(dǎo)致潤滑脂黏度下降，加劇潤滑脂泄漏(見圖4(a)[37])。異常磨損形成的金屬微粒會進入到潤滑脂中(見圖4(b))，這些金屬微粒有可能對以后的放電擊穿起誘導(dǎo)作用[6]，形成惡性循環(huán)并導(dǎo)致油脂碳化失效[38]。此外，LUO、XIE等[39-40]認為潤滑劑接觸區(qū)的局部過熱會產(chǎn)生大量微氣泡，氣泡破裂會使?jié)櫥环€(wěn)定，并且含有微氣泡的潤滑劑更容易發(fā)生電擊穿。

圖4 潤滑失效[37]

3 軸電流試驗研究方法

3.1 軸承電蝕失效試驗方法

軸承過早失效是電機損壞的重要原因之一，失效形式主要表現(xiàn)為疲勞失效、腐蝕、電蝕、塑性變形、斷裂和開裂[41]，軸電流加速了軸承失效過程。GOULD等[42]研制了微電蝕試驗機(見圖5(a))，設(shè)備可施加0～750 mA交流電進行疲勞壽命試驗，用于研究電流對軸承鋼微觀結(jié)構(gòu)改變的影響以及相關(guān)的軸承過早失效。研究認為電流在25～75 mA之間最易導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)改變進而使軸承過早失效。RUELLAN等[43]利用標(biāo)準(zhǔn)軸承試驗機(見圖5(b))進行軸承失效試驗，試驗過程中對軸承通電。研究認為電流會使得潤滑脂局部分解產(chǎn)生氫氣從而促進裂紋的形成，導(dǎo)致軸承的過早失效。通電工況下的軸承失效分析一般依托于傳統(tǒng)的軸承摩擦試驗機，試驗過程中控制施加的軸電壓和軸電流，模擬實際服役條件下的軸承工況。該方法可以方便地研究軸電流對軸承壽命的影響，但無法獲取軸承電接觸狀態(tài)，難以分析軸承電接觸與摩擦接觸之間的耦合關(guān)聯(lián)。

圖5 軸電流工況下的軸承失效試驗機示意[42-43]

3.2 單接觸點潤滑滾動電接觸等效試驗

為模擬潤滑條件下單點接觸的擊穿規(guī)律及電損傷特性，河南科技大學(xué)研發(fā)了FTM-CF100型滾動載流試驗機[22]。該設(shè)備采用伺服閉環(huán)控制技術(shù)，主要結(jié)構(gòu)包括法向加載移動平臺、動軸滾動系統(tǒng)、定軸滾動系統(tǒng)、載流系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等，能夠在環(huán)境氣氛可控的條件下完成多種載流摩擦試驗。設(shè)備共有兩套旋轉(zhuǎn)主軸，轉(zhuǎn)速可獨立控制，由對應(yīng)的伺服電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。其中定軸A固定在基座上，軸上加裝扭矩傳感器，用于測試摩擦扭矩。另外一軸為動軸B，安裝在滑軌上，在加載伺服電機的帶動下做水平運動，用于載荷控制。載流電源為恒壓直流電源或變頻交流電源，通過水銀滑環(huán)向主軸供電，試驗機電路圖如圖6所示。試驗時使用盤-盤對滾的方式模擬軸承滾動體單點接觸，模擬研究軸承單點擊穿特性和軸電流損傷特性[22]?；谳d流摩擦學(xué)的軸電流研究關(guān)注軸承摩擦學(xué)性能和導(dǎo)電性能同步數(shù)據(jù)，有利于分析軸承電接觸和摩擦接觸的耦合關(guān)聯(lián)。但該方法數(shù)據(jù)采集頻率較高，長時間試驗數(shù)據(jù)量較大，在軸承壽命試驗方面有所欠缺。此類試驗方法可模擬軸承單接觸點的潤滑滾動電接觸狀態(tài)，關(guān)注電因素和摩擦因素的耦合效應(yīng)，可較為精確地獲取單點接觸面積、接觸壓力和電流密度。

孫毓明等[22]利用FTM-CF100型滾動載流摩擦試驗機進行了軸承軸電流擊穿試驗。為了獲取軸承完全擊穿臨界電壓，在連續(xù)增電壓條件下采集軸承等效電阻。結(jié)果表明：隨著軸承樣品兩端外加電壓隨時間而不斷升高，等效電阻逐漸降低并趨于恒定值；當(dāng)電壓達到軸承完全擊穿臨界電壓時，潤滑膜被擊穿，軸承從電容式接觸轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枋浇佑|。軸承擊穿電壓及擊穿后的等效電阻隨滾動速度的升高而增大，該變化規(guī)律與高轉(zhuǎn)速下潤滑膜厚度增加有關(guān)。試驗后對樣品進行微觀分析，發(fā)現(xiàn)電擊穿是軸承表面形成電損傷的必要條件。軸承擊穿后的電損傷形式包括點蝕、球狀顆粒和片狀結(jié)構(gòu)等，點蝕和球狀顆粒處發(fā)生嚴(yán)重氧化。而未擊穿和單純機械滾動時，軸承表面損傷以擦傷劃痕和磨粒磨損為主。

圖6 FTM-CF100型滾動載流摩擦試驗機電路

4 軸電流的抑制

軸電壓的產(chǎn)生與電機組件的設(shè)計、制造、安裝和操作等均有一定關(guān)系，理論上軸電壓不可避免。但在大型電機設(shè)計時，需盡量減少磁路的不對稱，從源頭上遏制軸電流的產(chǎn)生，將其影響降至最小。此外，軸電流造成損害傷有2個必要條件[44]：一是要有足夠大的軸電壓；二是系統(tǒng)內(nèi)要能夠形成軸電流通過的閉合回路，二者缺一不可。如何抑制軸電流成為國內(nèi)外研究者重點關(guān)注方向，抑制軸電流可以分別從源頭抑制、絕緣抑制及導(dǎo)電通路3個方向著手。

(1)源頭抑制。從源頭抑制軸電流的產(chǎn)生是消除軸電流影響的根本方式。當(dāng)變頻電源工作時，無論輸出頻率為多少，都會產(chǎn)生高頻諧波分量。在變流器輸出端，加裝dv/dt電感、dv/dt濾波器、正弦波濾波器和共模電抗器等可以起到很好的抑制作用[45]。韓小地等[46]通過采集共模電壓峰值對2種RC濾波器的抑制效果進行測試，發(fā)現(xiàn)2種方法均可使共模電壓降低30%以上，但并不能完全抑制軸電流的發(fā)生，并且安裝復(fù)雜、價格昂貴。AKAGI和TAMURA[47]提出了一種無源電磁干擾濾波器，可以用于消除額定功率為3.7 kW的逆變器驅(qū)動電機的軸承電流和接地漏電流。HAN等[48]將硬件軟件結(jié)合，設(shè)計了共模節(jié)流閥來抑制軸電壓的產(chǎn)生，并且通過試驗驗證SiC變頻逆變器能夠通過增加電機轉(zhuǎn)換頻率來提高相位電流諧波，有助于降低軸電壓。VOLDOIRE等[49]設(shè)計了一種交流濾波器優(yōu)化模型，該模型不僅能較大程度上消除軸電流，且對濾波器工作時材料的損耗進行了考慮，對濾波器整體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。KALAISELVI和SRINIVAS[50]提出了一種混合PWM轉(zhuǎn)換方法，利用該方法完全消除了中小型電機中軸承損傷的主要來源——EDM放電電流，證明了其有效性，并提出了傳統(tǒng)材料和混合材料的軸承電流分布。

此外，還可以通過對電機結(jié)構(gòu)進行改造，利用靜電屏蔽來減少寄生電容從而抑制軸電流的產(chǎn)生。BUSSE等[51]提出在定、轉(zhuǎn)子氣隙中安裝特殊形狀的靜電屏蔽導(dǎo)體，改變電機內(nèi)部磁場分布，進而改變電機的容性耦合參數(shù)，減小軸電流。MKI-ONTTO[52]提出在電機內(nèi)沿定子槽安裝導(dǎo)電屏蔽，阻止高頻電流從電機繞組流向定子疊片，從而使高頻電流直接接地，阻隔了定子環(huán)路磁通的建立，從而抑制軸電流。張丹和劉宏[53]提出了一種對稱多芯電機電纜，將不同型號的轉(zhuǎn)子電纜的屏蔽層凝成一束之后接地，屏蔽效果較好，且屏蔽層越緊，檢測到的軸電流越小。

(2)絕緣抑制。目前應(yīng)用最廣的方法就是切斷軸電流的閉合回路，從而抑制軸電流的產(chǎn)生。對軸承表面或滾子進行噴涂從而使軸承絕緣，主要分為混合陶瓷軸承(見圖7(a))、陶瓷噴涂絕緣軸承(見圖7(b))和樹脂覆膜軸承(見圖7(c))3類[54-56]。WENG等[57]在軸承套圈上添加一層Al2O3涂層，該涂層可大幅提高軸承的高溫絕緣性，并具有較好的抗震動、耐高溫性。薛周強[58]認為由于陶瓷材料良好的剛度、硬度及絕緣性能，可以有效抑制軸電流的產(chǎn)生。OLIVER等[54]對一種混合陶瓷套圈的絕緣軸承進行了試驗，表明利用陶瓷軸承可以明顯減輕軸電流損傷，延長電機壽命。王龍華[59]利用Al2O3、TiO2以及二者復(fù)合材料涂層制成的絕緣軸承來對比各涂層的絕緣性能，結(jié)果表明涂有Al2O3、TiO2二者混合涂層的絕緣軸承具有更好的絕緣性、抗擊穿能力以及更高結(jié)合強度。MAETANI等[60]將軸承中的轉(zhuǎn)子替換為樹脂涂抹后的轉(zhuǎn)子，測試表明樹脂涂抹后的軸承不僅有效地減弱了軸電流的損傷，并且對電機的磁性及性能等并無影響。ZHANG等[61]制備并分析了NdB6/SiO2材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等，表明NdB6/SiO2具有良好的電、熱和力學(xué)性能，并且NdB6/SiO2塊狀顯示出良好的電磁屏蔽性能，用該材料制備絕緣涂層，可有效絕緣。

圖7 絕緣軸承[54-56]

除絕緣軸承之外，在非軸伸端的軸承座加裝絕緣隔板(見圖8(a))或使用絕緣端蓋(見圖8(b))也是一種常用的方法[14-62]。此方法優(yōu)點在于成本低廉，工藝流程較為成熟，通過阻斷電機結(jié)構(gòu)之間的連通回路使其不能形成有效閉合來保護電機軸承。此外，在密封座與中間環(huán)、中間環(huán)與端蓋、軸瓦與端蓋這類可以導(dǎo)通的發(fā)電機接觸面之間，都可以加裝絕緣擋板，阻礙軸電流的傳導(dǎo)[63]。

圖8 非軸伸端絕緣[14,62]

(3)導(dǎo)電通路。導(dǎo)電潤滑脂是一種具有優(yōu)異導(dǎo)電能力和摩擦學(xué)性能的特殊潤滑劑，可以有效地提高電接觸的減摩抗磨性能和導(dǎo)電能力,并起到抗腐蝕和密封等作用[64]，其作用實質(zhì)是提高軸承導(dǎo)電能力，降低軸承兩端電壓，避免擊穿。曹正鋒[64]基于界面聚合法，制備出2種離子液體功能化納米聚苯胺，并以其為添加劑制備了導(dǎo)電潤滑脂。結(jié)果表明2種納米聚苯胺都可以將潤滑劑的體積電阻率降低2個數(shù)量級，并且納米聚苯胺和離子液體協(xié)同可以大幅降低摩擦副的摩擦因數(shù)、磨損體積和接觸電阻。CHRISTENSEN等[65]通過將低質(zhì)量百分比的碳納米材料添加到基礎(chǔ)油中來制造高電導(dǎo)潤滑脂，得到了幾種潤滑脂樣品，經(jīng)測試均具有較低電阻率，可以用于保護軸承免于電流腐蝕。CHEN等[66]將聚苯胺(PAN)作為導(dǎo)電添加劑以制作導(dǎo)電油脂，與Cu、Ag、處理過的Ag和Ag/C涂層相比，PAN潤滑脂表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電能力和良好的邊界潤滑摩擦性能。SUZUMURA[67]認為導(dǎo)電通道的存在會使接觸區(qū)的電流密度低于其他區(qū)域，所以導(dǎo)電潤滑脂可以有效減少搓衣板狀損傷的形成。JOSHI和BLENNOW[68]通過向潤滑劑中加入添加劑來研究潤滑脂的導(dǎo)電性，結(jié)果表明加入極壓抗磨添加劑后，潤滑脂的導(dǎo)電性顯著提高，從而影響了擊穿電壓。

此外，在電機軸的軸端加裝電刷可以將軸電流直接接地，保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，以此消除軸電流。但由于電刷屬于易磨損件，需要及時清理磨屑或更換，否則會造成接地異常，嚴(yán)重時甚至造成電機損壞。FENG等[69]制備了一種新的樹脂基質(zhì)碳刷，在不同載荷及200～240 V電壓下的試驗表明，其磨損率遠小于普通碳刷。導(dǎo)電環(huán)工作原理與碳刷相似，都可以及時將電機上產(chǎn)生的靜電荷引地從而消除軸電流，其材質(zhì)是導(dǎo)電纖維，不易磨損，但價格較高。ZHANG等[70]對導(dǎo)電環(huán)的疲勞壽命進行了測試，在循環(huán)5.86×106轉(zhuǎn)后，最大電阻僅為0.192 Ω，電阻增長不超過初始值的10%，試驗結(jié)束后仍然可以滿足導(dǎo)電環(huán)的電阻要求，可用于軸電流接地。任雪嬌[71]分析了碳刷和導(dǎo)電環(huán)的抑制原理并在實驗平臺上進行了測試，結(jié)果表明碳刷對軸電壓的抑制效果相對更好,并且碳刷越多抑制效果越好，但導(dǎo)電環(huán)對高頻段的共模電流有明顯的抑制作用。胡家鳴等[72]將碳納米材料與軸電流問題相結(jié)合，提出了利用碳納米材料的場發(fā)射特性來實現(xiàn)在空氣中非接觸放電的方法，改變了軸電流的路徑，從而達到消除軸電流的目的。

5 結(jié)論與展望

目前，對軸電壓和軸電流產(chǎn)生機制、軸承電蝕形式及機制、軸承電蝕防護等方向的研究取得長足發(fā)展。但隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機電設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，軸承服役的電學(xué)環(huán)境越來越復(fù)雜，軸承電蝕仍然困擾著各類機電設(shè)備。作者認為應(yīng)該主要對以下幾個方面加強研究：

(1)機械-電耦合作用的軸承失效。軸電流的介入使軸承的機械摩擦接觸轉(zhuǎn)變?yōu)檩d流摩擦接觸。因而軸承滾子和滾道接觸區(qū)域處于力-熱-電負荷集中狀態(tài)，軸承材料和潤滑材料的失效更為復(fù)雜。建議開展?jié)櫥瑮l件下的滾動載流摩擦研究，系統(tǒng)研究軸承的電擊穿特性、電因素和機械因素的耦合作用途徑、軸承材料表面/次表面的冶金物理化學(xué)反應(yīng)、搓衣板狀損傷形成機制和形成的動態(tài)過程、潤滑材料的加速老化等問題。

(2)軸電流工況模擬試驗。以新能源車和高鐵為例，目前市場上高端新能源汽車中高頻電機最大功率可達300 kW，電機轉(zhuǎn)速范圍在12 000～20 000 r/min之間。高鐵中的驅(qū)動電機具有電流強、電壓高的特點，例如CRH380A列車中電機牽引功率可達9 600 kW。高電壓、強電流、高頻率的電學(xué)環(huán)境誘導(dǎo)的軸電流工況必然更加復(fù)雜。如何模擬真實環(huán)境中的軸電流工況，開展等效試驗或臺架試驗是未來軸承電蝕研究的難點。

(3)導(dǎo)電潤滑劑的研發(fā)與應(yīng)用。導(dǎo)電潤滑劑作為一種兼具導(dǎo)電性能和潤滑性能的特殊潤滑劑，可以有效提高軸承的減摩抗磨性能和導(dǎo)電能力。尤其是在高性能潤滑脂制備技術(shù)、導(dǎo)電潤滑脂添加劑設(shè)計，以及導(dǎo)電潤滑劑理化性能評估方法等方面都需要更深入地研究。