热烈祝贺湖北润德西携手华北电力大学再创科研佳绩
湖北润德西科技有限公司自成立以来,始终坚持科研创新,不断学习,改进更新产品。经过多方论证、反复打磨,2023年10月12日,由华北电力大学夏延秋博导与润德西总经理杨洪涛同志共同撰写的论文《电动汽车电机轴承电腐蚀及用脂分析》被中国石油炼制分会评为“全国第二十二届润滑脂技术交流会优秀论文”,并被中国石化出版社《全国第二十二届润滑脂交流会论文集》收录。
论文主要论述的是:
根据电动汽车轴承电流的产生和发展,介绍轴承润滑脂应具有的性能和润滑脂的润滑机理。对制备的润滑脂物理化学性能及润滑性能进行了分析评价。重点论述了电机轴承的结构组成及失效形式、电机轴承的失效原因、轴电流作用下轴承的防护、轴电流作用下轴承用润滑脂及导电润滑脂的导电能力和摩擦学性能。
此次论文获得荣誉正是对润德西始终坚持科研创新精神的肯定,反映了润德西一贯支持创新、重视科研投入的经营理念。相信在总经理杨洪涛同志的带领下,润德西一定会取得更加辉煌的成就。
附:论文原文
电动汽车电机轴承电腐蚀及用脂分析
夏延秋1,杨洪涛2
(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院,北京 102206;.2. 湖北润德西科技有限公司润德西,襄阳 441100 )
摘要:伴随着双碳计划的开展,新能源汽车,尤其是纯电动汽车已开始大规模商用,纯电动汽车因其工作环境发生变化,对润滑脂性能提出了更高的要求。本文根据电动汽车轴承电流的产生和发展,介绍轴承润滑脂应具有的性能和润滑脂的润滑机理。对制备的润滑脂物理化学性能及润滑性能进行了分析评价。
关键词:电力设备;导电润滑脂;添加剂;导电能力;润滑性能
Electrical Corrosion and Grease Analysis of Electric Vehicle Motor Bearings
Xia Yanqiu 1, Yang Hongtao 2
(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206; 2. Hubei Rundexi Technology Co., Ltd. Rundexi, Xiangyang 441100)
Abstract: With the implementation of the dual carbon plan, new energy vehicles, especially pure electric vehicles, have begun to be commercialized on a large scale. Pure electric vehicles have higher requirements for lubricating grease performance due to changes in their working environment. This article introduces the performance and lubrication mechanism of bearing grease based on the generation and development of electric vehicle bearing current. The physicochemical and lubricating properties of the prepared lubricating grease were analyzed and evaluated.
Keywords: power equipment; Conductive lubricating grease; additive; Conductivity
0引言
纯电动汽车甩掉了燃油发动机,以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶。由于零排放,对环境影响相对传统汽车较小,逐渐成为当今世界汽车行业发展的主流。截至2022年底,我国纯电动汽车保有量1045万辆,而且每年以80%的速度增长。纯电动汽车本身不排放有害气体,同时电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电,使发电设备日夜都能充分利用,大大提高其经济效益。正是这些优点,使电动汽车的研究和应用成为汽车工业发展的“热点”。
纯电动汽车最重要的部件就是电机。电机是一种电磁装置,遵循电磁感应定律,完成电能的转换或传递,是发电机与电动机的总称(下文中电动机和发电机统称为电机)。电机轴承是电机设备组成中发生故障机率最高的部分,故障在整个电机轴承中约占60%以上,其中的30%又是因润滑不良所导致。可见轴承润滑状态的优劣,直接关系到整个旋转设备能否正常工作。如果不能准确有效地判断出电机轴承早期故障类型和及时预知轴承的性能退化状态和损伤情况,则会影响整个电机系统的安全维护,易造成灾难性的事故。
轴承润滑脂具有降低滚动体间摩擦、减少动力消耗、排出热量、防止轴承温升和抗疲劳的作用,同时,轴承润滑脂还应具有好的润滑性、抗氧化、防腐、防锈、减振和降噪等作用。因此正确选择电机轴承脂是提高电机工作稳定性和长寿命的关键。
1 电机轴承的结构组成及失效形式
如图1所示,电机轴承通常选用滚动轴承,一般由内圈、外圈、滚动体和保持架构成,有人将润滑脂称为电机轴承的“第5个零件”,可见电机轴承润滑脂的重要性。
Fig.1 Composition diagram of motor bearing
图1 电机轴承组成图
电机轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。外圈起支撑作用,内圈与轴一起旋转,滚动体与保持架配合并容纳润滑油脂,引导滚动体旋转起润滑作用。电机轴承的主要失效形式包括疲劳、磨损、塑性变形、电腐蚀和点蚀等。其中疲劳磨损、腐蚀、烧伤主要与润滑脂的质量有关,而塑性变形和保持架损坏主要与轴承材料有关,电腐蚀主要与轴电流有关。大量的实例分析报告涉及到火电厂高压变频调速电动机、水电站水轮发电机、核电厂汽轮发电机、石化大中型三相异步电动机、有轨机车牵引电机、纯电动汽车电机等等诸多行业的各种规模型号种类的电机轴承,显然电腐蚀是电机故障中一类越来越不容忽视的问题。
1、电压过高电蚀是指轴承内圈和滚动体之间、轴承外圈和滚动体之间各自构成一个电容,当轴承内外套圈和滚动体之间的电压超过绝缘击穿阈值时,就会击穿电容产生瞬时大电流,电流通过滚动体和润滑油膜从轴承的一个套圈传递到另一个套圈,在套圈和滚动体之间的接触区发生集中火花放电,局部火花温度很高,造成在非常短的时间间隔内局部受热,使得接触区发生熔化并胶合在一起。2、电流泄漏电蚀是指即使电流强度很小,在连续形成时也会发生电腐蚀现象。电流通过整个接触椭圆(球轴承)和接触线(滚子轴承),随着轴承旋转,凹坑将逐步发展为波纹状凹槽,也称为“搓衣板纹”。通常轴承电蚀分为电压过高电蚀和电流泄露电蚀两类。图2示出了轴承电腐蚀损伤的2种类型。针对电流对润滑脂的影响通常有两种观点,一种是放电瞬间释放的热量引起润滑脂变质,油膜破裂,使轴承温度升高,严重的将会导致润滑油碳化并失去润滑作用,并使轴承表面产生不可恢复的电腐蚀,电腐蚀的轴承表面被局部加热和熔化,会出现斑点或凹坑呈现出金属熔融现象或波纹状损伤。另一种观点认为,稳定的电流不会引起导电润滑脂的降解和失效。
2 电机轴承的失效原因
传统三相电源供电的电机,其轴承电流主要由电机磁路不平衡和不对称引起,环绕轴的净磁通量产生轴承电流。而现代PWM变频供电的电压源逆变器输出只有高低电平两种状态,只有两个输出状态时,不可能产生完全对称的三相波形,因此会发生不平衡(三相电压和不为零)。其结果是绕组中性点在正负直流母线电平之间跳变,在电机绕组和壳体地之间产生非常大的共模电压,同时电压幅值变化率较高。这些因素通过多种路径耦合导致新增多种形式的轴承电流,其因果效应链如图3所示。另外根据电机结构及工作原理,由于转子偏心、间隙不均匀、定子硅钢片接缝,以及电机的其他故障,导致主轴的旋转磁场不对称,轴两端将会出现交流电压,当轴承上的分电压达到一定阈值时,将击穿轴承中的油膜, 在轴承转轴、内圈、外圈和轴承室组成的回路中产生电流,导致轴承失效。
Fig. 3 Bearing current induced by variable frequency drive motor
图3变频驱动电机诱导的轴承电流
3 轴电流作用下轴承的防护
有学者提出内圈绝缘、外圈绝缘和滚动体绝缘3种绝缘方式,其中永磁电机轴承内径和外径表面形状不规则,不适合采用内、外圈喷涂绝缘层(见图4),应该选用陶瓷滚动体混合轴承实现轴承绝缘的要求。减小或消除轴电流引起的损伤,主要手段是限制轴电压的升高和定向引导轴电流流通路径,方法有多种(见图5)。针对电动汽车电机轴电流问题,特斯拉和华为均推出了相关专利技术,来抑制轴电流。
Fig. 5 Bearing current suppression method picture
图5 轴承电流抑制方法图
4 轴电流作用下轴承用润滑脂
轴承多采用脂润滑,润滑脂在滚动体表面形成一层油膜,把滚动体与滚动轨道隔开,降低接触表面的摩擦和磨损、噪声、轴承温升,延长了轴承的疲劳寿命。此外,润滑脂还可防止外部的灰尘等异物进入轴承内部,起到一定的密封防尘作用。对于电机轴承,由于轴电流的存在,润滑脂的选择上就要考虑润滑脂的防电腐蚀性能,同时润滑脂也是保证轴承不损伤的最后一道屏障。
Miliani[1]指出电动汽车、铁路机车电动轴承存在的轴电流问题严重影响轴承寿命;Prashad等[2]观察到当轴电流通过轴承时,破坏了油膜稳定和润滑脂的物理化学性能, 不仅在轴颈和轴瓦上出现电弧放电的麻点损伤,还发现了波纹状损伤,并通过测试润滑脂阻抗变化来确定轴承轨道产生的热量和瞬时温升,并以此估算波纹损伤程度;Biswas等[3]的研究表明轴电压即使水平较低,也可以积累足够的电荷,使润滑脂分解,在轴承表面形成电蚀损伤;Prashad[4-5]发现当轴电压低于轴承阈值电压时,会形成局部电流引起润滑油脂分解,甚至碳化;而当轴电压高于阈值电压时,轴电流会突然增加,引起电弧侵蚀、加速润滑油脂失效,形成电蚀损伤;Tischmacher等[6]在轴承测试平台上的试验表明,润滑脂的导电性、外加电压的高低、轴承温度的变化、振动情况和轴承转速均影响油膜厚度及能否击穿; Romanenko等[7-8]考察了几种典型润滑脂在电流作用下引起降解时,润滑脂的介电强度和化学成分的变化,发现润滑脂中稠化剂分解成酸和醇并形成水合物,因添加剂分解而失去润滑作用,因而导致轴承表面失去防护,此时若能够及时补充新的润滑脂,则轴电流暂时消失。但目前的结论是: 研究发现,选用电阻和高电阻润滑脂时,都会引起电腐蚀。Suzumura[9]的研究发现,选用聚α烯烃、酯类油做电机轴承润滑脂基础油,分别以纳米炭黑做稠化剂制备的低电阻润滑脂(1.7×103Ω•cm、6.7×101Ω•cm),在轴电流作用下,轴承表面没有出现波纹状电蚀损伤,但用矿物油制备的复合锂基脂、复合锂基脂再加入碳纳米管的高电阻润滑脂( >1×107Ω•cm、5.6×104Ω•cm),则出现了波纹状损伤。作者认为导电润滑脂可以预防波纹状损伤的原因,是由于导电通道的形成降低了接触区的电流密度,所以低电阻润滑脂不易产生波纹状电蚀损伤。
5 导电润滑脂的导电能力和摩擦学性能
已有的研究发现,导电金属粉包括银粉、钨粉、镍粉和铜粉以及硼酸盐、二硫化钨,导电炭黑等导电添加剂已广泛应用在导电润滑脂中。随着科技进步,离子液体、聚合物和低维碳纳米材料等非金属导电材料的研究也悄然兴起,不断有研究成果面世。微纳米级银粉、铜粉、铝粉等金属导电介质易导致导电润滑脂氧化和接触副磨损,用非金属导电材料取代金属发电材料成为必然。
本课题组率先开展了润滑脂导电添加剂的研究。2012年,王泽云[10]发表了离子液体合成导电润滑脂的研究论文(表2列出了润滑脂的导电性能)。随后樊小强[11]发表了用原位方法合成的离子液体做导电添加剂的论文(见表3、图6),探索了不同离子液体的在聚四氟润滑脂中的导电能力及摩擦学性能。
表2 新型润滑脂的物理性能
Table 2 Physical properties of the new lubricating greases
(a) Friction coefficients ;(b) wear volume
Fig.6 Friction coefficients and wear volume of the greases under various loads.
图6 润滑脂在不同载荷下的摩擦系数和磨损量
表3 合成润滑脂的物理性能
Table 3 Physical properties of the synthesized lubricating greases
图7 润滑脂润滑的钢盘的摩擦系数和磨损量
Fig.7 The friction coefficient and wear volume of a steel disk lubricated by the greases
随后我们又陆续发表了多篇用离子液体做导电添加剂的研究论文[12-17]。其中葛翔宇[18-19]发了用原位合成离子液的方法制备复合锂基导电润滑脂(见表4、图7、8)。
表4 润滑脂的导电性
Table 4 Electrical conductive of grease
图7 不同载荷下润滑脂的摩擦因数
Fig.7 Friction coefficient of grease under different loads
图8 不同载荷下润滑脂的磨损体积
Fig.7 Wear volume of grease under different loads
研究表明,离子液体的加入能够大幅降低润滑脂的体积电阻率,提高润滑脂的电导能力,减小接触电阻,同时大幅度降低摩擦因数和磨损体积,体现了优良的摩擦学性能。葛翔宇[20]发现不同的离子液体导电能力不同(见下表5)。并且发现具有优异的减摩和抗磨性能(见下图9)。
表5 润滑脂的导电性能
Table 5 Conductive Properties of the Greases
图9 润滑脂在不同载荷下的摩擦系数和磨损量
Fig.9 Friction coefficients and wear volume of the greases under various loads
(a) Friction coefficients ;(b) wear volume
刘椿[21]等将碳纳米管( CNTs) 作为添加剂,制备了以油溶性聚醚为基础油,聚四氟乙烯( PTFE) 作稠化剂的导电润滑脂。实验结果表明含碳纳米管的润滑脂与含导电炭黑的润滑脂相比较,不但具有优异的润滑性能,还具有低的体积电阻率。吴礼宁[22]分别以不同含量的纳米碳管和石墨烯为添加剂,二甲基硅油为基础油,聚四氟乙烯作稠化剂,制备了导电润滑硅脂。研究发现两种添加剂的加入能够降低硅脂体积电阻率和摩擦系数,且纳米碳管硅脂体积电阻率小于石墨烯硅脂,且纳米碳管的抗磨减摩性能更优。这些研究经验与结果鼓舞着我们对纳米碳管做深入的研究与探讨。
为此,本课题组进行了初步的尝试[23-24],将石墨烯或碳纳米管加入到咪唑类离子液体中研磨,得到了石墨烯、碳纳米管离子液体凝胶复合材料。并且完成了一些修饰复合物作为导电介质的电力复合脂制备和测试工作(见图10、表6)。
图10 自制润滑脂样品
Fig.10 Self-made grease sample
表6 自制润滑脂理化性能
Table 6 Physical and chemical properties of self-made grease
同时制备了以聚苯胺有机高分子做导电添加剂的润滑脂,曹正锋[25]等以聚苯胺为导电微粒制备了导电复合锂基润滑脂和聚四氟导电润滑脂,发现其具有较好的理化性能、抗腐蚀性能、摩擦学性能和导电能力(见图11,表7)。并认为导电聚苯胺润滑脂优异的抗腐蚀性归因于“隔离效应”和导电聚苯胺与金属反应生成的致密钝化膜;导电润滑脂具有好的减摩抗磨性能和导电能力是由于聚苯胺可以减小摩擦界面之间的直接接触,并且可以在摩擦表面形成复杂的物理化学保护膜;而导电聚苯胺润滑脂具有优异的导电能力主要是因为聚苯胺具有相对较大的比表面积,可以在润滑脂中形成更加充分的导电网络,从而提高摩擦过程中的导电能力[26](见表8、9、图12)。
图11 MFT-R4000摩擦机,在室温(负载:20 N,行程:5 mm,频率:5 Hz,电流:0-20 A)下,PANI润滑脂在0-20 A电流梯度测试中摩擦系数随时间的变化
Fig.11 MFT-R4000 tribometer and evolution of friction coefficient with time during a current ramp test from 0 to 20 A for PANI grease at room temperature (load: 20 N, stroke: 5 mm, frequency: 5 Hz, current: 0-20 A)
表7 导电离子液体润滑脂的理化性能(添加剂含量0.1%)
Table 7 Physicochemical characteristics of the conductive lubricating greases containing 0.1% additives
表8 聚脲脂及添加聚苯胺后的导电性能
Table 8 The electrical conductivity of polyurea and polyaniline
表9 复合锂基脂及添加聚苯胺后的性能
Table 9 Properties of lithium compound lipids and polyaniline
图12 在润滑脂中导电过程示意图
Fig.12 Diagram of conductive process in grease
五 结论和展望
目前, 对电机轴承用润滑脂的研究引起广泛关注,但很少有研究论文和相关专利。未来纯电动汽车导电润滑脂研究的重点内容可能包括: (1) 高性能多功能导电添加剂的合成及应用;(2) 纯电动汽车润滑脂中添加剂的感受性及配伍性研究; (3) 纯电动汽车润滑脂在不同的应用背景和不同的工作条件的安全使用性; (4) 纯电动汽车润滑脂的导电和润滑机理还需深入研究; (5) 如何解决载流条件下摩擦副的电蚀问题;(6)绿色环保导电润滑脂是未来发展的方向。总之,随着技术的发展和进步,纯电动汽车润滑脂具有深入研究的价值和广阔的应用前景。
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