在近年來新造的電動車上,安裝了可變電壓、可變頻率控制的交流牽引電動機,這種交流牽引電動機具有重量輕、結構緊湊、高速運轉的特點,但為適應軸承高速旋轉和牽引電動機各部件溫度上升的特點,還必須解決原有鋼制軸承的“電蝕”危害,來提高軸承、潤滑脂的耐熱性和耐久性。
注:電蝕是旋轉中軸承內部有電流通過,穿過滾動接觸部位非常薄的油膜從而產生電火花,造成局部熔化的一種損傷。
1 牽引電動機用絕緣軸承的基本要求
目前,解決電蝕的對策是設置旁通電路使電流流向軸承外部,或使軸承周圍絕緣以切斷電流,具體方法有:
(1)在牽引電動機主軸或機殼安裝接地裝置,使電流不經過軸承內部。
(2)使用絕緣軸承架或絕緣軸承。
從價格和可靠性方面來看,以絕緣軸承方式為主。
牽引電動機用絕緣軸承大致有三種,即: 樹脂覆膜軸承;混合陶瓷軸承;陶瓷噴鍍軸承。
①樹脂覆膜軸承
該種軸承目前應用較多的是PPS (聚苯硫醚)絕緣軸承,它的外圈外表面涂覆有PPS 絕緣樹脂,以防止軸承電蝕。優勢是電絕緣性能優異、價格低廉。劣勢在于這種軸承不宜用在軸承溫度急劇升高的機械,或對過盈量變化有嚴格要求的場合,因此多用于條件較寬松的電機中。
②混合陶瓷軸承
指軸承中僅有滾動體零件是由陶瓷材料制成,又稱混合式陶瓷球軸承,它是用工程陶瓷作為軸承材料,具有好的機械和熱性能,即:具有足夠的強度、剛度、硬度、斷裂性、抗沖擊力、耐高溫、抗氧化能力等一系列比金屬材料更好的性能,適用于做軸承的陶瓷材料主要有氮化硅( Si3N4 )、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)。這三種陶瓷材料中,氮化硅綜合性能優越,已成為陶瓷軸承的首選材質。它的特點在于失效形式與軸承鋼一樣,是以有先兆的剝落方式出現的。而氧化鋯、氧化鋁均以碎裂的失效形式出現。
③陶瓷噴涂軸承
是在軸承內環或外環上噴涂一層陶瓷絕緣涂層。陶瓷絕緣涂層采用等離子噴涂方法制備,然后采用封孔劑進行封孔處理。外環帶有涂層的軸承,主要用于中等尺寸的軸承;內環帶有涂層的軸承,主要用于較大尺寸軸承或絕緣要求更高的場合。軸承的尺寸公差和精度符合ISO相關標準,與原型完全一致。其性能、尺寸、精度都和普通軸承一樣,可以直接進行替換。
牽引電動機用絕緣軸承除了一般軸承的要求外,還多了絕緣性能的要求。主要有:
(1)絕緣電阻穩定性(周圍溫度、濕度等變化引起的絕緣能力不得有明顯下降)。
(2)一定的機械強度(在壓、拔或掉落時不得有碎裂)。
(3)軸承旋轉性能。
(4)耐堿、清洗劑、煤油等的性能。
(5)與軸、軸承箱等的互換性等。
綜合條件來看,陶瓷軸承更為符合牽引電動機的實際應用。
2 牽引電動機用組合式陶瓷軸承的優越性
(1)在陶瓷軸承中,氮化硅陶瓷滾動體是電絕緣體。
在通直流電的情況下,無密封圈或防塵蓋的陶瓷軸承是一個絕緣體,其電阻值達數千兆歐姆;在高頻電流作用下,陶瓷軸承的陶瓷滾動體在內圈和外圈之間起絕緣作用。由于混合陶瓷軸承電容非常低,滾道接觸很小,滾動體直徑相對較大,氮化硅材料的介電常數相對較低等,即使電流的頻率為1 MHz 高頻環境下,其電阻值也在1 kΩ 以上。因此,陶瓷軸承對防止軸承電蝕損害非常有效,特別是在高頻電流情況下更是如此。
(2)陶瓷軸承比鋼制軸承的潤滑脂壽命長。
鋼制軸承在電流通過時,因電流放電產生的局部高溫會導致潤滑脂的添加劑和基油發生反應,使基油燃燒或炭化,潤滑脂會變硬、變黑,油脂迅速衰變。陶瓷軸承的潤滑脂雖然也會像普通軸承一樣出現惡化,但不會發生燒傷。通過對直至燒損為止的旋轉時間進行對比,陶瓷軸承的潤滑脂壽命為鋼制軸承壽命的3~4倍。
(3)陶瓷軸承可以經受靜態振動下的潤滑不良。
在潤滑油粘度高、油膜形成很容易時,陶瓷軸承和鋼制軸承的壽命幾乎一樣;當潤滑油粘度低時,一般軸承的壽命會很短。因為,此時滾動體與內外圈為同一種材質,相互很容易粘著,而使用不同種材料的陶瓷滾動體,由于缺少活性,對壽命的提高是有利的。