牽引電機軸承絕緣涂層絕緣性能與
力學性能試驗分析
魏坤鵬,劉月明,褚明星
(北京交通大學 機械與電子控制工程學院,北京 100044)
摘要:長期承受交變力與熱沖擊載荷作用的牽引電機軸承絕緣涂層會發生變色、氧化乃至龜裂,導致絕緣涂層的絕緣性能和結合強度等發生改變。以不同型號和涂層厚度的退役絕緣軸承為研究對象,進行溫度、濕度交變循環下的軸承絕緣涂層性能試驗、劃痕試驗和熱-應力耦合仿真,結果表明:絕緣涂層厚度越大,軸承的整體絕緣性能越好;軸承邊緣位置的涂層與基體結合的臨界載荷值小于中心位置,邊緣位置更容易發生失效,同一型號軸承隨著絕緣涂層厚度增加,涂層與基體的臨界載荷值減小,涂層與基體的結合強度下降;涂層邊緣和中心處內外界面的等效應力差值均隨涂層厚度的增加而增大,涂層厚度的增加不利于涂層與基體結合。
關鍵詞:SKF滾動軸承;SKF電機軸承;絕緣軸承;涂層;電容;等效應力
牽引電機軸承是動車組列車傳動系統的核心部件,直接影響列車的行駛和安全。牽引電機軸承在電動機中的主要任務是支持和保證高精度旋轉,所以對軸承的振動、噪聲、壽命等指標有很高的要求,影響以上指標的因素除軸承疲勞剝落、保持架斷裂外, 還有一項牽引電機軸承無法避免的因素——電蝕[1]。為防止軸承遭電蝕,多在軸承的金屬內外圈上熱噴涂Al2O3絕緣陶瓷涂層。在絕緣軸承的研發上,國外處于領先地位,例如NTN公司的MEGAOHM系列絕緣軸承和SKF公司的INSOCOAT系列絕緣軸承,均是絕緣性能十分優秀的軸承[2]。目前我國動車組使用的絕緣軸承全部為進口且價格不菲[3],其中動車組CRH3,CRH380BL以及CR400均采用的是外圈噴涂的絕緣陶瓷軸承,以防止軸承發生電蝕,保證列車行車安全[4]。由于無法準確預測絕緣軸承的退化狀態和使用壽命,在動車組三級修時,絕緣軸承為偶換件,四、五級修時為必換件,以此來避免不良事件的發生,但絕緣陶瓷涂層軸承的實際使用壽命遠遠大于四級修。針對絕緣軸承性能的研究,國外也一直處于領先地位,文獻[5-7]研究了絕緣涂層的材料成分、內部結構對陶瓷絕緣涂層絕緣性能的影響,并提出了缺陷是影響絕緣涂層性能的主要原因之一。除了絕緣涂層的材料成分、內部結構因素外,外部環境包含溫度及濕度的變化同樣會對絕緣涂層產生強烈影響。牽引電動機采用聯軸節傳動,所用的絕緣軸承傳動端為NU210軸承,非傳動端為6016軸承,本文主要為測試絕緣軸承的整體性能,以不同結構和涂層厚度的退役絕緣軸承為研究對象,在不同溫度、濕度環境條件下對其絕緣性能展開研究,并將軸承絕緣涂層劃痕試驗與熱-應力耦合仿真相結合,研究不同厚度涂層與基體的結合強度。
1 溫度和濕度對絕緣涂層性能的影響
1.1 試驗對象
溫度和濕度影響試驗對象選取陶瓷涂層厚度分別為0.1,0.2,0.5 mm的進口6016絕緣軸承,厚度小于0.5 mm的絕緣涂層均為單層結構,即直接在基體外噴涂一層陶瓷層,厚度為0.5 mm的涂層為打底層與陶瓷層組成的雙層結構。牽引電機軸承要滿足在500 V直流電壓,濕度不大于60%條件下,絕緣電阻值大于 500 MΩ和不同測試頻率下絕緣涂層電容值C小于2 000 pF的使用要求。涂層厚度0.1 mm的軸承在拆卸過程中涂層表面極易受傷,在500 V直流電壓下有擊穿點(圖1),并測得軸承絕緣電阻值小于 500 MΩ。因此試驗對象主要是涂層厚度0.2,0.5 mm的6016絕緣軸承,分別記為1#和2#。
圖1 涂層厚度為0.1 mm的6016絕緣軸承
Fig.1 6016 insulated bearing with coating thickness of 0.1 mm
1.2 溫度影響試驗
SKF絕緣軸承在使用過程中,鋼球與內、外圈溝道發生摩擦而產生熱量,并將熱量傳遞到外圈和涂層中。在實際應用中,牽引電動機傳動端軸承最高工作溫度為120 ℃,正常工作溫度為70～95 ℃;非傳動端軸承最高工作溫度為95 ℃,正常工作溫度為55～75 ℃。為研究熱循環作用對絕緣涂層性能的影響,并考慮到局部溫度有偏差,故溫度對軸承絕緣涂層的影響試驗方案為:將1#和2#試驗軸承樣本放置在真空干燥箱內,濕度不大于60%條件下,環境溫度由25 ℃逐漸升到130 ℃,每隔10 ℃保溫10 min,期間測量絕緣電阻和涂層電容。絕緣材料在不同電壓下的極化程度不一樣,較高的電壓可能會使絕緣材料發生擊穿現象,導致測得的絕緣電阻值不同[8],因此在測試絕緣電阻時,按順序分別在涂層兩端施加500,3 000,5 000V的直流電壓,用絕緣電阻測試儀測試不同直流電壓下的絕緣電阻值。涂層電容隨著介電常數和絕緣涂層厚度變化,絕緣涂層電容可看作一個以絕緣厚度為間隙的平板電容,按照平板電容的公式計算,即
(1)
式中:C為涂層電容;ε0為真空介電常數;εiso為涂層材料的介電常數;s為涂層與軸承表面的接觸面積;g為涂層厚度。溫度、濕度、頻率等會對介電常數產生影響,故選定測量頻率為102,103,104,105 Hz。在軸承外圈包覆一層導電硅膠片,利用AR3127型絕緣電阻測試儀測量絕緣電阻,絕緣電阻測試儀在額定電壓小于1 000 V時,量程為0～999 MΩ,額定電壓不小于1 000 V時,量程為0～1 000GΩ。涂層電容利用UT612型LCR數字電橋一端接到軸承座上,另一端接到軸承內圈上進行測量。濕度不大于60%條件下,1#和2#試驗軸承的絕緣電阻隨溫度的變化曲線如圖2所示,2套軸承在130 ℃范圍內均能滿足DC500 V下,絕緣電阻不小于500 MΩ,但由于絕緣涂層厚度不同,2套軸承的絕緣性能存在很大差異。在3 000,5 000 V直流電壓下,2套軸承的絕緣電阻值均隨溫度的升高而降低,特別是2#軸承在溫度超過80 ℃后下降速率明顯,這是由于隨著溫度的升高,絕緣材料的分子運動加劇,原有的分子結構變得松散,帶電離子在電場的作用下移動和轉移電子,導致絕緣涂層的導電性增加,絕緣性能下降[9];在3 000,5 000 V直流電壓下,1#軸承在溫度超過70 ℃后絕緣電阻值小于500 MΩ,已經在涂層被擊穿的邊緣,隨著溫度持續升高,其絕緣電阻值變化不大;而在500 V直流電壓下,1#和2#軸承的絕緣電阻值一直是絕緣測試儀的滿量程999 MΩ;即使在130 ℃,3 000和5 000 V直流電壓下,2#軸承絕緣性能依舊保持很好。由上述分析可知絕緣涂層厚度越大,軸承絕緣性能越好。
(b) 2#軸承
圖2 試驗軸承絕緣電阻隨溫度變化曲線
Fig.2 Curve of insulation resistance of test bearings with temperature
濕度不大于60%條件下,1#和2#試驗軸承的涂層電容隨溫度的變化曲線如圖3所示:1#軸承的涂層電容值隨溫度變化幅度明顯,2#軸承的電容值隨溫度變化幅度不大,這表明1#軸承相對于2#軸承的絕緣性能略差;2套軸承電容值均隨頻率增加而有所降低,但整體變化不大,滿足C小于2 000pF的使用要求。
1.3 濕度影響試驗
絕緣軸承主要是利用等離子噴涂方法在軸承外圈上噴涂陶瓷絕緣涂層。噴涂過程中,涂層內部會產生孔隙,若孔隙暴露在濕度環境中,空氣中的水分沿著孔隙形成的通道進入涂層內部,會對軸承的絕緣性能產生影響[10]。另外,陶瓷絕緣軸承的應用環境差異較大,絕緣涂層在高濕度環境中表面會吸收水分并形成水膜,導致表面電導電流增加,使絕緣性能有所下降。濕度影響試驗方案為:將1#和2#試驗軸承樣本放置在恒溫恒濕試驗箱內,在常溫高濕條件(濕度95%±3%,2 h)和常溫常濕條件(濕度50%,30 min)下交變循環10次,待恢復常溫常濕環境后,測量絕緣電阻和涂層電容。
(a) 1#軸承
(b) 2#軸承
圖3 試驗軸承涂層電容隨溫度變化曲線
Fig.3 Curve of coating capacitance of test bearings with temperature
1#和2#試驗軸承絕緣電阻值和涂層電容值隨濕度變化情況見表1和表2。試驗后,2#軸承仍能保持良好的絕緣性能,1#軸承在500 V直流電壓下,絕緣電阻值小于 500 MΩ,不滿足使用要求。試驗前后2套軸承的涂層電容值均隨頻率增加有所降低,試驗后2套軸承涂層電容均較試驗前有所增大,但變化不大,仍滿足C小于2 000 pF的使用要求。由上述分析可知,絕緣軸承的涂層厚度越大,絕緣性能越好。
表1 改變濕度環境條件下試驗軸承的絕緣電阻值隨測量電壓的變化
Tab.1 Change of insulation resistance of test bearings with measured voltage under changing humidity environment
表2 改變濕度環境條件下試驗軸承的涂層電容值隨測量頻率的變化
Tab.2 Change of coating capacitance of test bearings with measured frequency under changing humidity environment
2 絕緣涂層劃痕分析試驗
2.1 試驗方法及對象
劃痕試驗是目前檢驗硬質涂層最常用也是較好的一種檢驗方法,劃痕分析試驗主要應用WS-2005涂層附著力自動劃痕儀,利用聲發射檢測技術、摩擦力檢測技術及微機自控技術,通過自動加載機構將載荷連續加至劃針(金剛石壓頭)上,使劃針劃刻涂層表面,并通過各傳感器獲取劃痕時的聲發射信號、載荷的變化量、摩擦力的變化量,輸入計算機進行數據轉換,將測量結果繪制成圖形,最終得到涂層與基體的結合強度(涂層破壞瞬間的臨界載荷)。為分析傳動端和非傳動端軸承涂層與基體的結合強度,劃痕試驗選取NU210和6016不同涂層厚度的4套軸承進行線切割,將軸承外圈切割為長2 cm的試樣如圖4所示,2條劃痕a和b分別在軸承試樣的中心和邊緣處,劃痕長度為3 mm,往復劃痕2次,其中劃針錐角為120°,劃針尖端半徑為0.2 mm,加載速率為50 N/min。試樣型號及參數見表3。
圖4 軸承絕緣涂層劃痕試樣
Fig.4 Scratch samples of bearing insulation coating
表3 試樣型號及參數
Tab.3 Models and parameters of samples
2.2 試驗結果分析
對不同型號和厚度的絕緣軸承的中心和邊緣位置進行劃刻,得到不同類型軸承絕緣涂層與基體的臨界載荷值,見表4。相同涂層厚度下,NU210軸承的臨界載荷大于6016軸承,即涂層與基體的結合強度比6016軸承的高,這主要與軸承的尺寸和受力差異有關;軸承邊緣位置的絕緣涂層與基體的臨界載荷值小于中心位置,邊緣位置更易失效;同一型號軸承隨著絕緣涂層厚度增加,涂層與基體的臨界載荷值減小,涂層與基體結合強度下降,當涂層超過一定厚度時,涂層與基體結合力和抗沖擊能力均下降。
表4 不同類型軸承絕緣涂層與基體的臨界載荷值
Tab.4 Critical load values of insulation coating and substrate for different types of bearings
3 不同厚度絕緣涂層的應力分析
陶瓷層的厚度不僅影響涂層的絕緣性能,而且對涂層與基體的結合強度有很大影響。在絕緣性方面,涂層的絕緣性能隨涂層厚度的增加而增大，但增加陶瓷層的厚度也會帶來軸承散熱問題,容易導致涂層中的殘余應力不能及時消散,更容易剝離和失效。為探究不同陶瓷層厚度對涂層應力的影響,通過ANSYS進行熱-應力耦合有限元仿真,分析涂層邊緣與中心處的應力變化情況。
3.1 建立三維模型
由于傳動端軸承比非傳動端軸承受力更大,應力分析主要以NU210絕緣軸承為研究對象,并結合劃痕試驗結果分析絕緣涂層厚度對涂層應力的影響。建立NU210絕緣軸承的三維模型,設置涂層結構為在基體上直接噴涂陶瓷層的單層結構,如圖5所示。在單層結構中設置了不同的陶瓷層厚度,分別為0.2,0.3,0.4,0.5 mm,研究不同陶瓷層厚度對涂層應力的影響。絕緣涂層的材料設置見表5。
圖5 NU210絕緣軸承涂層結構設置
Fig.5 Structure setting of coating of NU210 insulated bearing
表5 絕緣涂層的材料設置
Tab.5 Material setting of insulation coating
3.2 設置邊界條件
根據軸承工況計算絕緣軸承的發熱量和對流換熱系數。哈里斯發熱量經驗公式[11]為
H=1.01×10-4M,
(2)
式中:H為軸承發熱量,W;M為總摩擦力矩,N·mm;f1為取決于軸承結構與軸承相對作用載荷的系數;Fb為當量載荷,N;dm為軸承中徑,mm;μ0為潤滑油黏度,mm2/s;n為軸承轉速,r/min。
哈里斯對流換熱系數計算模型推薦軸承向潤滑油傳熱的對流換熱系數α[12-13]為
(3)
式中:k為潤滑油的導熱系數;Pr為潤滑油的普朗特數;Re為雷諾數,Re=v1Dh/μ1;當計算軸承向潤滑油傳熱時,x=dm。
(4)
式中:T為外殼溫度;Ta為外殼周圍的環境溫度;ka為空氣的導熱系數;Dh為外殼直徑;v1為氣流流速;μ1為空氣的運動黏度。根據表6軸承運行工況的轉速占比,4 910 r/min為軸承運行的主要轉速,故將軸承的轉速設置為5 000 r/min,計算不同載荷下軸承的功率損耗,結果見表7。
表6 NU210軸承運行工況轉速占比
Tab.6 Ratio of rotational speed under operating conditions
of NU210 bearing
表7 不同載荷下NU210軸承的功率損耗
Tab.7 Power loss of NU210 bearing under different loads
熱穩態分析采用如下約束:將發熱量以熱流率的形式加載到滾動體和滾道接觸的內、外表面;在內、外圈以及滾動體的外表面加載熱對流。根據軸承工況計算絕緣軸承的發熱量和對流換熱系數,環境溫度設置為24 ℃。
3.3 仿真結果與分析
改變陶瓷層厚度后外表面處基體和涂層沿軸向分布的等效應力如圖6所示,隨涂層厚度的增加,涂層外表面(TC-TOP)在邊緣處的等效應力值減小17.24%,中心處的等效應力值減小20.61%;對比涂層厚度0.2 mm和0.5 mm時基體(MA)的等效應力可知,除了軸向距離為0時,隨涂層厚度增加,基體的等效應力有所增大,基體的等效應力在軸向距離為0時減小4.01%,中心處增大10%。綜合分析,陶瓷層厚度的增加有利于減小涂層外表面的等效應力值和結合界面的應力差,但基體上的等效應力值有所增大;不同厚度涂層外表面與基體等效應力的分布規律基本一致,應力均呈對稱分布,由邊緣向中心先減小后增大。
圖6 外表面處基體和涂層沿軸向的等效應力
Fig.6 Axial equivalent stress of substrate and coating at outer surface
不同厚度涂層內表面與外表面的等效應力差如圖7所示,當陶瓷層厚度由0.2 mm增加到0.5 mm時,涂層在邊緣處和中心處的應力集中有所緩解,但涂層內、外表面應力差大幅度增大,邊緣處增加0.53倍,中心增加1.12倍;雖然陶瓷層厚度的增加有利于減小涂層外表面上的等效應力值,但在涂層邊緣和中心的等效應力差值均隨涂層厚度的增加而增大,尤其在涂層邊緣處等效應力差值更大,涂層厚度的增加不利于涂層與基體結合。
圖7 不同厚度涂層內表面與外表面的等效應力差
Fig.7 Equivalent stress difference between inner and outer surfaces of coating with different thicknesses
4 結論
本文對絕緣軸承進行不同溫濕度環境下的絕緣性能試驗、涂層劃痕試驗和熱-應力耦合仿真,得到主要結論如下:1)在溫度和濕度交變循環試驗下,相較于1#絕緣軸承,2#絕緣軸承的絕緣性能更優,說明絕緣軸承涂層厚度越大,絕緣性能越好。2)絕緣軸承在長期的交變力與熱沖擊載荷作用下,絕緣涂層的結合強度和絕緣性均會衰退。隨著絕緣涂層厚度增加,涂層與基體的臨界載荷值減小,涂層與基體結合強度呈下降趨勢。3)隨著涂層厚度增加,涂層外表面的等效應力減小,基體的等效應力有所增大(除了軸向距離為0時);涂層邊緣和中心處的等效應力差均隨涂層厚度的增加而增大,在涂層邊緣處等效應力差值更大,更不利于涂層與基體結合;仿真結果與劃痕試驗相一致,即涂層與基體的結合強度隨涂層厚度的增加而降低,且邊緣處的結合強度低于中心位置。[1] 王龍華.牽引電機軸承絕緣設計[J].鐵道機車與動車,2021(3):6-8,48,5.[2] 彭惠民.牽引電機絕緣軸承[J].鐵道機車車輛工人,2009(1):32.[3] 卜珍宇,趙曉琴,郭向東,等.電機軸承防護措施及Al2O3陶瓷絕緣涂層研究現狀[J].表面技術,2021,50(5):51-59.[4] 相阿峰,郭秀違.高速動車組牽引電機軸承電蝕及對策[J].鐵道機車車輛,2015,35(2):102-106.[5] AHMED A S,KANSY J,ZARBOUT K,et al.Microstructural origin of the dielectric breakdown strength in alumina:a study by positron lifetime spectroscopy[J].Journal of the European Ceramic Society,2005,25(12):2813-2816.[6] HADDOUR L,MESRATI N,GOEURIOT D,et al.Relationships between microstructure,mechanical and dielectric properties of different alumina materials[J].Journal of the European Ceramic Society,2009,29(13):2747-2756.[7] MALEC D,BLEY V,TALBI F,et al.Contribution to the understanding of the relationship between mechanical and dielectric strengths of Alumina[J].Journal of the European Ceramic Society,2010,30(15):3117-3123.[8] 郭鳴.淺談絕緣電阻測試[J].電動工具,2006(1):22-23.[9] 孫鑫.電機軸承陶瓷絕緣涂層的制備技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007.[10]劉麗斌,萬磊,李海洋,等.高濕度對軸承外圈等離子噴涂氧化鋁涂層絕緣性能的影響[J].軸承,2020(9):29-32.[11]王騰.熱—應力耦合作用下的深溝球軸承疲勞壽命研究[D].南京:南京航空航天大學,2012.[12]戴振東,王珉,薛群基.摩擦體系熱力學引論[M].北京:國防工業出版社,2002.[13]徐躍進.高速脂潤滑軸承溫升失效分析與試驗研究[J].機械設計,2008(4):49-52.
Experimental Analysis on Insulation and Mechanical Properties of Insulation Coating of Traction Motor Bearings
WEI Kunpeng,LIU Yueming,CHU Mingxing
(School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract: The coating of insulated bearings for traction motor under action of alternating force and thermal shock load for a long time will change color, oxidize and even crack, leading to changes in insulation performance and bonding strength of insulation coating. Taking decommissioned insulated bearings with different types and coating thicknesses as research objects, the performance test, scratch test and thermal-stress coupling simulation of insulation coating of the bearings are carried out under alternating cycle of temperature and humidity. The results show that the greater the thickness of insulation coating, the better the overall insulation performance of the bearings; the critical load values of bonding between coating and substrate at edge of the bearings are smaller than that at center, and the failure is more likely to occur at edge position, with the increase of thickness of insulation coating, the critical load values of coating and substrate decrease, and the bonding strength of coating and substrate of same type of the bearings decreases; the equivalent stress difference between inner and outer surfaces at edge and center of coating increases with the increase of coating thickness, which is not conducive to bonding between coating and substrate.
Key words: rolling bearing; motor bearing; insulation resistance; coating; capacitance; equivalent stress
中圖分類號:TH133.33;TM305.2
