不同導(dǎo)電材料對潤滑脂導(dǎo)電特性的影響

采用GEST-121型體積表面電阻率測試儀測得的各個(gè)潤滑脂樣品的體積電阻率結(jié)果見表2?？梢钥闯?種導(dǎo)電材料的加入均使基礎(chǔ)脂的體積電阻率有所下降，但是導(dǎo)電材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加至1.5%體積電阻率從數(shù)量級(jí)上并沒有明顯的變化，潤滑脂仍然處于絕緣的狀態(tài)。并且從導(dǎo)電材料加入后潤滑脂體積電阻率的數(shù)據(jù)變化上看，2種導(dǎo)電材料沒有表現(xiàn)出明顯的區(qū)別。

采用脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)測得的各個(gè)樣品的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電特性曲線如圖2所示，擊穿電壓數(shù)據(jù)見表2。圖2中縱坐標(biāo)為軸承的電阻，采用對數(shù)坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為軸承的電壓。介質(zhì)在外加電場的作用下隨著電壓的升高電流-電壓關(guān)系不再服從歐姆定律，電流比電壓增大得更快，當(dāng)電壓升至某臨界值大量的電能迅速釋放使電極之間的材料局部被燒毀，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。從潤滑脂樣品的滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電特性圖及對應(yīng)的擊穿電壓數(shù)據(jù)可以看出，基礎(chǔ)潤滑脂BG的動(dòng)態(tài)擊穿電壓高達(dá)29 V；當(dāng)電壓從0開始逐漸升高時(shí)，初始階段軸承處于絕緣狀態(tài)，當(dāng)電壓升高至擊穿電壓時(shí)軸承的電阻值急速下降，此時(shí)潤滑膜被擊穿而呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)。

表2 潤滑脂樣品的體積電阻率及脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測試數(shù)據(jù)
Table 2 Volume resistivity of greases and dynamic breakdown voltage of grease-lubricated bearings

圖2 滾動(dòng)軸承中各潤滑脂樣品的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電特性
Fig 2 Dynamic conductivity characteristics of greases in bearing

在試驗(yàn)中，導(dǎo)電材料A與導(dǎo)電材料B均呈現(xiàn)出隨添加量的增大而使基礎(chǔ)脂的擊穿電壓下降的趨勢，且在同等添加量的情況下導(dǎo)電材料B對基礎(chǔ)脂軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓的影響明顯大于導(dǎo)電材料A。導(dǎo)電材料A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加至1%時(shí)動(dòng)態(tài)擊穿電壓的下降十分明顯，而增加至1.5%時(shí)動(dòng)態(tài)擊穿電壓的下降幅度變得不再明顯,而導(dǎo)電材料B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1.5%時(shí)動(dòng)態(tài)擊穿電壓仍舊有明顯的降幅，從圖2中可以看出，潤滑脂樣品BGB15在動(dòng)態(tài)脂潤滑軸承擊穿電壓測試中隨電壓的增大軸承的動(dòng)態(tài)電阻迅速下降，其擊穿電壓僅為2.5 V。這說明導(dǎo)電材料B相對于導(dǎo)電材料A在降低動(dòng)態(tài)擊穿電壓方面具有更好的效果。

對比GEST-121型體積表面電阻率測試儀的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)潤滑脂的體積電阻率測試并不能區(qū)分2種導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能。這說明體積電阻率測試和動(dòng)態(tài)脂潤滑軸承擊穿電壓測試存在本質(zhì)的區(qū)別。

導(dǎo)電環(huán)現(xiàn)象

按照前述的測試步驟，調(diào)整直流電源電壓從0開始以0.1 V為步進(jìn)值逐漸增大電壓直至1 V，超過1 V后步進(jìn)值以0.5 V增加，至潤滑膜被擊穿(此階段為電壓上行曲線)，然后再以0.5 V的步進(jìn)值逐漸減小電壓，低于1 V時(shí)調(diào)整步進(jìn)值為0.1 V，直至電源輸出電壓為0(此階段為電壓下行曲線)，期間記錄對應(yīng)的電壓值和電流值，經(jīng)計(jì)算后對軸承的電壓和電阻作圖得到圖3。為方便觀測圖中僅給出樣品BG、BGA15、BGB15的數(shù)據(jù)，其他樣品具有相同趨勢的規(guī)律。由圖3可以看出，每一個(gè)樣品的電壓上行曲線、電壓下行曲線、y軸三條線構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)，稱之為“導(dǎo)電環(huán)”。

圖3 動(dòng)態(tài)脂潤滑軸承擊穿電壓測試中的導(dǎo)電環(huán)
Fig 3 Conductive ring in test of breakdown voltage
of dynamic grease lubricated bearing

以基礎(chǔ)脂樣品BG為例，從電壓為0開始隨著電壓的升高軸承一直處于絕緣狀態(tài)，當(dāng)電壓達(dá)到29 V時(shí)軸承電阻突然下降至低點(diǎn)，此時(shí)軸承處于導(dǎo)電狀態(tài)。按步進(jìn)值逐漸下調(diào)電壓，在電壓低于29 V后軸承并沒有退回絕緣狀態(tài)而是一直處于導(dǎo)電狀態(tài)。隨著電壓的下降軸承的電阻值緩慢增大，直至電壓低于5 V之后軸承電阻才開始快速增大。樣品BGA15與基礎(chǔ)脂BG十分類似，只是導(dǎo)電環(huán)的面積遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)脂BG。樣品BGB15的導(dǎo)電環(huán)面積最小，電壓上行曲線和電壓下行曲線的距離最為接近。導(dǎo)電環(huán)面積的大小可直接反映出潤滑脂在轉(zhuǎn)動(dòng)軸承內(nèi)的導(dǎo)電特性差異。

討論

如表2所示，不同樣品的體積電阻率的測試結(jié)果均在同一數(shù)量級(jí)，且這一數(shù)量級(jí)顯示潤滑脂樣品均處于絕緣體狀態(tài)。這與實(shí)際情況并不相符。因此，體積電阻率測試并不能很好地區(qū)分潤滑脂樣品的導(dǎo)電特性。表2中不同潤滑脂樣品的動(dòng)態(tài)擊穿電壓數(shù)據(jù)區(qū)別非常明顯，產(chǎn)生這一問題的根本原因在于兩個(gè)方面：一是潤滑脂導(dǎo)電特性測試時(shí)電極之間的距離；二是導(dǎo)電材料在潤滑脂中導(dǎo)電存在狀態(tài)。

在體積電阻率測試中，電極之間距離相對較大，在厘米尺度(如圖4所示)，基礎(chǔ)潤滑脂本身是絕緣體，加入的導(dǎo)電材料最多僅1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，占比很小且粒徑在微米量級(jí)。因此導(dǎo)電材料全部被絕緣性的基礎(chǔ)脂包圍并隔離成一個(gè)個(gè)孤島。在厘米尺度上，這些具有導(dǎo)電性的“孤島”相互之間無法形成有效連接而在正負(fù)極之間形成通路，因此在體積電阻率測試中呈現(xiàn)絕緣體狀態(tài)。根據(jù)“滲流理論”，當(dāng)導(dǎo)電添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于滲流閾值時(shí)，導(dǎo)電潤滑脂的導(dǎo)電能力變化不大[12-15]。當(dāng)導(dǎo)電添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于滲流閾值質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，導(dǎo)電添加劑之間直接或緊密接觸，在電場作用下形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通路。顯然最高1.5%的導(dǎo)電添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有達(dá)到滲流閾值。在滾動(dòng)軸承用潤滑脂中加入大量的固體導(dǎo)電添加劑是不現(xiàn)實(shí)的，會(huì)引起溝道或滾動(dòng)體表面壓痕而產(chǎn)生源自表面上的早期剝落[16]。

圖4 體積電阻率測試潤滑脂與導(dǎo)電材料存在狀態(tài)示意
Fig 4 The presence of grease and conductive
materials in the volume resistivity test

在脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測試中潤滑脂被注入6202軸承內(nèi)，軸承靜止時(shí)鋼球與內(nèi)圈、外圈直接接觸，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)。軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，基于流體動(dòng)壓潤滑的原理在鋼球與內(nèi)、外圈接觸的接觸區(qū)形成一定厚度的流體動(dòng)壓潤滑膜，潤滑膜的厚度與速度參數(shù)的0.7次方成正比，計(jì)算公式可參考Hamrock和Dowson點(diǎn)、線接觸彈流潤滑膜厚公式[10]。此時(shí)鋼球和內(nèi)、外圈之間被微米尺度厚度的潤滑膜隔離，回路處于斷路狀態(tài)，如圖5(a)所示。導(dǎo)電材料的粒度也在微米級(jí)別。此時(shí)提升軸承內(nèi)、外圈之間的電壓，在潤滑膜的兩側(cè)形成電場，導(dǎo)電材料在電場的作用下定向排列，直至潤滑膜被擊穿，回路導(dǎo)通。油膜被擊穿后導(dǎo)電材料粒子的存在方式有3種可能：①導(dǎo)電材料定向排列，直接連接滾動(dòng)體和溝道形成導(dǎo)電通路；②導(dǎo)電材料在電場下聚集但是并未直接形成滾動(dòng)體與套圈溝道之間的通路，而是相對減小了滾動(dòng)體溝道表面之間絕緣材料的厚度，彼此之間通過隧道效應(yīng)形成通路；③仍有一部分導(dǎo)電材料處于孤島狀態(tài)[17]。與大尺寸的體積電阻率測試相比，在微米量級(jí)潤滑膜厚度上更容易形成通路，如圖5(b)所示。

圖5 導(dǎo)電材料在軸承滾動(dòng)接觸區(qū)的存在狀態(tài)
Fig 5 The presence of conductive materials in the rolling contact
area of bearing(a)the oil film is not broken down；
(b) after the oil film is broken down

綜上所述，2種不同導(dǎo)電特性測試方法的本質(zhì)區(qū)別在于電極之間潤滑脂的厚度。體積電阻率測試潤滑脂的厚度在厘米尺度,因而潤滑脂樣品的體積電阻率測試和脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測試表現(xiàn)出了完全不同的結(jié)果，脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測試能夠直觀地表述滾動(dòng)軸承用導(dǎo)電潤滑脂的導(dǎo)電特性。

轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承在滾動(dòng)接觸區(qū)形成流體動(dòng)壓潤滑膜，普通潤滑膜為絕緣狀態(tài)，厚度處于微米量級(jí)。這樣在軸承的內(nèi)圈與外圈之間施加一個(gè)電壓時(shí)在軸承外圈-滾動(dòng)體、滾動(dòng)體-軸承內(nèi)圈形成2個(gè)電容，而潤滑脂充當(dāng)了電容器的介電材料?；A(chǔ)脂樣品BG沒有添加任何導(dǎo)電材料，其中被束縛的電荷在電場的作用下脫離了原子或分子的束縛而參與導(dǎo)電，潤滑膜被擊穿。潤滑膜的擊穿電壓大小與潤滑脂形成的潤滑膜厚度、潤滑脂是否含有極性或?qū)щ娢镔|(zhì)等因素相關(guān)。從圖2可以看出，同樣條件下加有導(dǎo)電材料A、B的潤滑脂樣品的擊穿電壓明顯低于基礎(chǔ)潤滑脂BG；隨著導(dǎo)電材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大潤滑脂的擊穿電壓逐漸下降；導(dǎo)電材料B對潤滑脂擊穿電壓的減小作用明顯優(yōu)于導(dǎo)電材料A。導(dǎo)電材料A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%以后潤滑脂擊穿電壓的下降幅度趨緩，而導(dǎo)電材料B在質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%以后潤滑脂擊穿電壓的下降幅度仍然明顯。導(dǎo)電材料A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加至1.5%其擊穿電壓下降10.5%，而導(dǎo)電材料B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增加至1.5%其擊穿電壓下降37.5%。由此可見導(dǎo)電材料B的導(dǎo)電效率顯著高于導(dǎo)電材料A。

導(dǎo)電材料的導(dǎo)電效率受到粒徑、結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等因素的影響[18]，同時(shí)固體導(dǎo)電材料的粒徑、機(jī)械強(qiáng)度、比表面積、熱穩(wěn)定性對潤滑脂的特性有著重要的影響，例如軸承噪聲、抗剪切性能、抗漏脂性能、滴點(diǎn)等。粒徑、機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)對滾動(dòng)軸承的疲勞壽命產(chǎn)生重要影響，過大的粒徑和硬度會(huì)使得滾動(dòng)體碾過后在滾道表面產(chǎn)生壓痕，進(jìn)而引起源自表面上的疲勞剝落[15]。因此選擇合適的導(dǎo)電材料至關(guān)重要。

滾動(dòng)軸承接觸區(qū)油膜被擊穿時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似電火花加工的放電，導(dǎo)致滾動(dòng)體和溝道表面產(chǎn)生燒蝕坑，即電蝕，主要是由電能轉(zhuǎn)化為熱能所致。通電的滾動(dòng)軸承可以等效為純電阻電路，電蝕的程度主要受潤滑膜擊穿瞬間及擊穿后放電功率的影響，放電功率越大電蝕越嚴(yán)重。為了方便觀察,圖6給出了潤滑脂樣品BG、BGA10、BGB15在電壓上行過程中軸承電阻及對應(yīng)電流變化曲線。可以看出，當(dāng)電壓低于擊穿電壓時(shí)通過軸承的電流極小，軸承處于絕緣狀態(tài)，電壓升高電流基本不變；當(dāng)電壓達(dá)到或超過擊穿電壓時(shí)電流隨電壓的升高線性增加，軸承處于導(dǎo)體狀態(tài)。

電功率等于電壓與對應(yīng)電流的乘積，從圖6中可以明顯看出基礎(chǔ)潤滑脂樣品BG的潤滑膜被擊穿時(shí)不但擊穿電壓處于高位而且擊穿電流很大，樣品BGB15不但擊穿電壓最低而且擊穿電流非常小。樣品BG、BGA10、BGB15的潤滑膜擊穿放電功率數(shù)據(jù)見表2，對比可知,添加導(dǎo)電材料B 1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的樣品BGB15的擊穿放電功率僅0.005 W，是基礎(chǔ)脂樣品BG的0.015%。表2中脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓測試數(shù)據(jù)表明，潤滑脂的擊穿電壓越低其擊穿電流越小，對應(yīng)的擊穿放電功率也越小。因此，可以預(yù)見顯著降低脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)擊穿電壓可以避免或大幅減小軸承出現(xiàn)電蝕的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，為了防止?jié)櫥け粨舸┖箅娐穼?dǎo)通而導(dǎo)致電源短路，文中試驗(yàn)裝置串聯(lián)了限流保護(hù)電阻R0。在電機(jī)軸承的實(shí)際工況中很可能這一阻值很低，這樣將產(chǎn)生更大的擊穿電流，可預(yù)期會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的電蝕。

圖6 潤滑膜擊穿過程中電流與電壓的關(guān)系
Fig 6 The relationship between current and voltage in the
process of lubricant film breakdown

圖3所示的“導(dǎo)電環(huán)”現(xiàn)象表明，潤滑膜被擊穿后在持續(xù)電場的作用下一直處于導(dǎo)電狀態(tài)，即使電壓降至遠(yuǎn)低于擊穿電壓。樣品BG、BGA10、BGB15在電源電壓下行過程中軸承電阻和電流的變化曲線如圖7所示。3個(gè)樣品的潤滑膜被擊穿后隨著電壓的下降電流與電源電壓的關(guān)系一直保持線性，直至電源電壓接近2.5 V或以下。該電壓被稱為下行線性電流臨界電壓。潤滑脂導(dǎo)電性越高，該電壓與對應(yīng)的擊穿電壓的差距越小(對比圖6與圖7)，而對于非導(dǎo)電的潤滑脂BG其差值相對比較大。從這一點(diǎn)得到的啟示為，對于非導(dǎo)電性潤滑脂，間歇性電壓對軸承產(chǎn)生的電腐蝕會(huì)更大，例如設(shè)備的啟停。

圖7 電壓下行過程對應(yīng)電流的變化趨勢
Fig 7 The change trend of the current corresponding
to the voltage downward process

01

由于測試形式的不同以及導(dǎo)電材料在潤滑脂內(nèi)的聚集態(tài)影響，體積電阻率測試方法并不適合用于滾動(dòng)軸承導(dǎo)電潤滑脂導(dǎo)電性能評(píng)價(jià)，文中開發(fā)的脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能試驗(yàn)機(jī)能夠有效地評(píng)價(jià)普通潤滑脂、導(dǎo)電潤滑脂的導(dǎo)電特性差異。

02

導(dǎo)電材料A、B對潤滑脂在軸承內(nèi)的動(dòng)態(tài)擊穿電壓減小作用不同，同樣的添加量導(dǎo)電材料B的導(dǎo)電效率更高，潤滑脂的擊穿電壓均隨導(dǎo)電材料A、B添加量的增大而下降，低擊穿電壓伴隨著低擊穿電流，與高擊穿電壓相比具有更低的擊穿放電功率。

03

在脂潤滑滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)導(dǎo)電性能測試中存在“導(dǎo)電環(huán)”現(xiàn)象，潤滑膜被擊穿后即使降低電壓潤滑膜依然處于導(dǎo)體狀態(tài)，導(dǎo)電環(huán)的面積大小可用于評(píng)價(jià)潤滑脂的導(dǎo)電性能，導(dǎo)電環(huán)面積越小導(dǎo)電性能越好。

摘自：潤滑脂在球軸承中的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電特性研究

參 考 文 獻(xiàn)

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