湖北潤德西科技有限公司自成立以來，始終堅持科研創(chuàng)新，不斷學習，改進更新產(chǎn)品。經(jīng)過多方論證、反復打磨，2023年10月12日，由華北電力大學夏延秋博導與潤德西總經(jīng)理楊洪濤同志共同撰寫的論文《電動汽車電機軸承電腐蝕及用脂分析》被中國石油煉制分會評為“全國第二十二屆潤滑脂技術(shù)交流會優(yōu)秀論文”，并被中國石化出版社《全國第二十二屆潤滑脂交流會論文集》收錄。

　　論文主要論述的是：

　　根據(jù)電動汽車軸承電流的產(chǎn)生和發(fā)展，介紹軸承潤滑脂應(yīng)具有的性能和潤滑脂的潤滑機理。對制備的潤滑脂物理化學性能及潤滑性能進行了分析評價。重點論述了電機軸承的結(jié)構(gòu)組成及失效形式、電機軸承的失效原因、軸電流作用下軸承的防護、軸電流作用下軸承用潤滑脂及導電潤滑脂的導電能力和摩擦學性能。

　　此次論文獲得榮譽正是對潤德西始終堅持科研創(chuàng)新精神的肯定，反映了潤德西一貫支持創(chuàng)新、重視科研投入的經(jīng)營理念。相信在總經(jīng)理楊洪濤同志的帶領(lǐng)下，潤德西一定會取得更加輝煌的成就。

　　附：論文原文

　　電動汽車電機軸承電腐蝕及用脂分析

　　夏延秋1，楊洪濤2

　　(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206;.2. 湖北潤德西科技有限公司潤德西，襄陽 441100 )

　　摘要：伴隨著雙碳計劃的開展，新能源汽車，尤其是純電動汽車已開始大規(guī)模商用，純電動汽車因其工作環(huán)境發(fā)生變化，對潤滑脂性能提出了更高的要求。本文根據(jù)電動汽車軸承電流的產(chǎn)生和發(fā)展，介紹軸承潤滑脂應(yīng)具有的性能和潤滑脂的潤滑機理。對制備的潤滑脂物理化學性能及潤滑性能進行了分析評價。

　　關(guān)鍵詞：電力設(shè)備;導電潤滑脂;添加劑;導電能力;潤滑性能

　　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

　　純電動汽車甩掉了燃油發(fā)動機，以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛。由于零排放，對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，逐漸成為當今世界汽車行業(yè)發(fā)展的主流。截至2022年底，我國純電動汽車保有量1045萬輛，而且每年以80%的速度增長。純電動汽車本身不排放有害氣體，同時電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟效益。正是這些優(yōu)點，使電動汽車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)發(fā)展的“熱點”。

　　純電動汽車最重要的部件就是電機。電機是一種電磁裝置，遵循電磁感應(yīng)定律，完成電能的轉(zhuǎn)換或傳遞，是發(fā)電機與電動機的總稱(下文中電動機和發(fā)電機統(tǒng)稱為電機)。電機軸承是電機設(shè)備組成中發(fā)生故障機率最高的部分，故障在整個電機軸承中約占60%以上，其中的30%又是因潤滑不良所導致?？梢娸S承潤滑狀態(tài)的優(yōu)劣，直接關(guān)系到整個旋轉(zhuǎn)設(shè)備能否正常工作。如果不能準確有效地判斷出電機軸承早期故障類型和及時預知軸承的性能退化狀態(tài)和損傷情況，則會影響整個電機系統(tǒng)的安全維護,易造成災(zāi)難性的事故。

　　軸承潤滑脂具有降低滾動體間摩擦、減少動力消耗、排出熱量、防止軸承溫升和抗疲勞的作用，同時，軸承潤滑脂還應(yīng)具有好的潤滑性、抗氧化、防腐、防銹、減振和降噪等作用。因此正確選擇電機軸承脂是提高電機工作穩(wěn)定性和長壽命的關(guān)鍵。

1 電機軸承的結(jié)構(gòu)組成及失效形式

　　如圖1所示，電機軸承通常選用滾動軸承，一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架構(gòu)成，有人將潤滑脂稱為電機軸承的“第5個零件”，可見電機軸承潤滑脂的重要性。

　　Fig.1 Composition diagram of motor bearing

　　圖1 電機軸承組成圖

　　電機軸承是將運轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機械元件。外圈起支撐作用，內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)，滾動體與保持架配合并容納潤滑油脂，引導滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。電機軸承的主要失效形式包括疲勞、磨損、塑性變形、電腐蝕和點蝕等。其中疲勞磨損、腐蝕、燒傷主要與潤滑脂的質(zhì)量有關(guān)，而塑性變形和保持架損壞主要與軸承材料有關(guān)，電腐蝕主要與軸電流有關(guān)。大量的實例分析報告涉及到火電廠高壓變頻調(diào)速電動機、水電站水輪發(fā)電機、核電廠汽輪發(fā)電機、石化大中型三相異步電動機、有軌機車牽引電機、純電動汽車電機等等諸多行業(yè)的各種規(guī)模型號種類的電機軸承，顯然電腐蝕是電機故障中一類越來越不容忽視的問題。

　　1、電壓過高電蝕是指軸承內(nèi)圈和滾動體之間、軸承外圈和滾動體之間各自構(gòu)成一個電容，當軸承內(nèi)外套圈和滾動體之間的電壓超過絕緣擊穿閾值時，就會擊穿電容產(chǎn)生瞬時大電流，電流通過滾動體和潤滑油膜從軸承的一個套圈傳遞到另一個套圈，在套圈和滾動體之間的接觸區(qū)發(fā)生集中火花放電，局部火花溫度很高，造成在非常短的時間間隔內(nèi)局部受熱，使得接觸區(qū)發(fā)生熔化并膠合在一起。2、電流泄漏電蝕是指即使電流強度很小，在連續(xù)形成時也會發(fā)生電腐蝕現(xiàn)象。電流通過整個接觸橢圓(球軸承)和接觸線(滾子軸承)，隨著軸承旋轉(zhuǎn)，凹坑將逐步發(fā)展為波紋狀凹槽，也稱為“搓衣板紋”。通常軸承電蝕分為電壓過高電蝕和電流泄露電蝕兩類。圖2示出了軸承電腐蝕損傷的2種類型。針對電流對潤滑脂的影響通常有兩種觀點，一種是放電瞬間釋放的熱量引起潤滑脂變質(zhì)，油膜破裂，使軸承溫度升高，嚴重的將會導致潤滑油碳化并失去潤滑作用，并使軸承表面產(chǎn)生不可恢復的電腐蝕，電腐蝕的軸承表面被局部加熱和熔化，會出現(xiàn)斑點或凹坑呈現(xiàn)出金屬熔融現(xiàn)象或波紋狀損傷。另一種觀點認為，穩(wěn)定的電流不會引起導電潤滑脂的降解和失效。

2 電機軸承的失效原因

　　傳統(tǒng)三相電源供電的電機，其軸承電流主要由電機磁路不平衡和不對稱引起，環(huán)繞軸的凈磁通量產(chǎn)生軸承電流。而現(xiàn)代PWM變頻供電的電壓源逆變器輸出只有高低電平兩種狀態(tài)，只有兩個輸出狀態(tài)時，不可能產(chǎn)生完全對稱的三相波形，因此會發(fā)生不平衡(三相電壓和不為零)。其結(jié)果是繞組中性點在正負直流母線電平之間跳變，在電機繞組和殼體地之間產(chǎn)生非常大的共模電壓，同時電壓幅值變化率較高。這些因素通過多種路徑耦合導致新增多種形式的軸承電流，其因果效應(yīng)鏈如圖3所示。另外根據(jù)電機結(jié)構(gòu)及工作原理，由于轉(zhuǎn)子偏心、間隙不均勻、定子硅鋼片接縫，以及電機的其他故障，導致主軸的旋轉(zhuǎn)磁場不對稱，軸兩端將會出現(xiàn)交流電壓，當軸承上的分電壓達到一定閾值時，將擊穿軸承中的油膜, 在軸承轉(zhuǎn)軸、內(nèi)圈、外圈和軸承室組成的回路中產(chǎn)生電流，導致軸承失效。

　　Fig. 3 Bearing current induced by variable frequency drive motor

　　圖3變頻驅(qū)動電機誘導的軸承電流

3 軸電流作用下軸承的防護

　　有學者提出內(nèi)圈絕緣、外圈絕緣和滾動體絕緣3種絕緣方式，其中永磁電機軸承內(nèi)徑和外徑表面形狀不規(guī)則，不適合采用內(nèi)、外圈噴涂絕緣層(見圖4)，應(yīng)該選用陶瓷滾動體混合軸承實現(xiàn)軸承絕緣的要求。減小或消除軸電流引起的損傷，主要手段是限制軸電壓的升高和定向引導軸電流流通路徑，方法有多種(見圖5)。針對電動汽車電機軸電流問題，特斯拉和華為均推出了相關(guān)專利技術(shù)，來抑制軸電流。

　　Fig. 5 Bearing current suppression method picture

　　圖5 軸承電流抑制方法圖

4 軸電流作用下軸承用潤滑脂

　　軸承多采用脂潤滑，潤滑脂在滾動體表面形成一層油膜，把滾動體與滾動軌道隔開，降低接觸表面的摩擦和磨損、噪聲、軸承溫升，延長了軸承的疲勞壽命。此外，潤滑脂還可防止外部的灰塵等異物進入軸承內(nèi)部，起到一定的密封防塵作用。對于電機軸承，由于軸電流的存在，潤滑脂的選擇上就要考慮潤滑脂的防電腐蝕性能，同時潤滑脂也是保證軸承不損傷的最后一道屏障。

　　Miliani[1]指出電動汽車、鐵路機車電動軸承存在的軸電流問題嚴重影響軸承壽命;Prashad等[2]觀察到當軸電流通過軸承時，破壞了油膜穩(wěn)定和潤滑脂的物理化學性能, 不僅在軸頸和軸瓦上出現(xiàn)電弧放電的麻點損傷，還發(fā)現(xiàn)了波紋狀損傷，并通過測試潤滑脂阻抗變化來確定軸承軌道產(chǎn)生的熱量和瞬時溫升，并以此估算波紋損傷程度;Biswas等[3]的研究表明軸電壓即使水平較低，也可以積累足夠的電荷，使?jié)櫥纸猓谳S承表面形成電蝕損傷;Prashad[4-5]發(fā)現(xiàn)當軸電壓低于軸承閾值電壓時，會形成局部電流引起潤滑油脂分解，甚至碳化;而當軸電壓高于閾值電壓時，軸電流會突然增加，引起電弧侵蝕、加速潤滑油脂失效，形成電蝕損傷;Tischmacher等[6]在軸承測試平臺上的試驗表明，潤滑脂的導電性、外加電壓的高低、軸承溫度的變化、振動情況和軸承轉(zhuǎn)速均影響油膜厚度及能否擊穿; Romanenko等[7-8]考察了幾種典型潤滑脂在電流作用下引起降解時，潤滑脂的介電強度和化學成分的變化，發(fā)現(xiàn)潤滑脂中稠化劑分解成酸和醇并形成水合物，因添加劑分解而失去潤滑作用，因而導致軸承表面失去防護，此時若能夠及時補充新的潤滑脂，則軸電流暫時消失。但目前的結(jié)論是： 研究發(fā)現(xiàn)，選用電阻和高電阻潤滑脂時，都會引起電腐蝕。Suzumura[9]的研究發(fā)現(xiàn)，選用聚α烯烴、酯類油做電機軸承潤滑脂基礎(chǔ)油，分別以納米炭黑做稠化劑制備的低電阻潤滑脂(1.7×103Ω?cm、6.7×101Ω?cm)，在軸電流作用下，軸承表面沒有出現(xiàn)波紋狀電蝕損傷，但用礦物油制備的復合鋰基脂、復合鋰基脂再加入碳納米管的高電阻潤滑脂( >1×107Ω?cm、5.6×104Ω?cm)，則出現(xiàn)了波紋狀損傷。作者認為導電潤滑脂可以預防波紋狀損傷的原因，是由于導電通道的形成降低了接觸區(qū)的電流密度，所以低電阻潤滑脂不易產(chǎn)生波紋狀電蝕損傷。

5 導電潤滑脂的導電能力和摩擦學性能

　　已有的研究發(fā)現(xiàn)，導電金屬粉包括銀粉、鎢粉、鎳粉和銅粉以及硼酸鹽、二硫化鎢，導電炭黑等導電添加劑已廣泛應(yīng)用在導電潤滑脂中。隨著科技進步，離子液體、聚合物和低維碳納米材料等非金屬導電材料的研究也悄然興起，不斷有研究成果面世。微納米級銀粉、銅粉、鋁粉等金屬導電介質(zhì)易導致導電潤滑脂氧化和接觸副磨損，用非金屬導電材料取代金屬發(fā)電材料成為必然。

　　本課題組率先開展了潤滑脂導電添加劑的研究。2012年，王澤云[10]發(fā)表了離子液體合成導電潤滑脂的研究論文(表2列出了潤滑脂的導電性能)。隨后樊小強[11]發(fā)表了用原位方法合成的離子液體做導電添加劑的論文(見表3、圖6)，探索了不同離子液體的在聚四氟潤滑脂中的導電能力及摩擦學性能。

　　表2 新型潤滑脂的物理性能

　　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.

　　圖6 潤滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)和磨損量

　　表3 合成潤滑脂的物理性能

　　Table 3 Physical properties of the synthesized lubricating greases

　　圖7 潤滑脂潤滑的鋼盤的摩擦系數(shù)和磨損量

　　Fig.7 The friction coefficient and wear volume of a steel disk lubricated by the greases

　　隨后我們又陸續(xù)發(fā)表了多篇用離子液體做導電添加劑的研究論文[12-17]。其中葛翔宇[18-19]發(fā)了用原位合成離子液的方法制備復合鋰基導電潤滑脂(見表4、圖7、8)。

　　表4 潤滑脂的導電性

　　Table 4 Electrical conductive of grease

　　圖7 不同載荷下潤滑脂的摩擦因數(shù)

　　Fig.7 Friction coefficient of grease under different loads

　　圖8 不同載荷下潤滑脂的磨損體積

　　Fig.7 Wear volume of grease under different loads

　　研究表明，離子液體的加入能夠大幅降低潤滑脂的體積電阻率，提高潤滑脂的電導能力，減小接觸電阻，同時大幅度降低摩擦因數(shù)和磨損體積，體現(xiàn)了優(yōu)良的摩擦學性能。葛翔宇[20]發(fā)現(xiàn)不同的離子液體導電能力不同(見下表5)。并且發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的減摩和抗磨性能(見下圖9)。

　　表5 潤滑脂的導電性能

　　Table 5 Conductive Properties of the Greases

　　圖9 潤滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)和磨損量

　　Fig.9 Friction coefficients and wear volume of the greases under various loads

　　(a) Friction coefficients ;(b) wear volume

　　劉椿[21]等將碳納米管( CNTs) 作為添加劑，制備了以油溶性聚醚為基礎(chǔ)油，聚四氟乙烯( PTFE) 作稠化劑的導電潤滑脂。實驗結(jié)果表明含碳納米管的潤滑脂與含導電炭黑的潤滑脂相比較，不但具有優(yōu)異的潤滑性能，還具有低的體積電阻率。吳禮寧[22]分別以不同含量的納米碳管和石墨烯為添加劑，二甲基硅油為基礎(chǔ)油，聚四氟乙烯作稠化劑，制備了導電潤滑硅脂。研究發(fā)現(xiàn)兩種添加劑的加入能夠降低硅脂體積電阻率和摩擦系數(shù)，且納米碳管硅脂體積電阻率小于石墨烯硅脂，且納米碳管的抗磨減摩性能更優(yōu)。這些研究經(jīng)驗與結(jié)果鼓舞著我們對納米碳管做深入的研究與探討。

　　為此，本課題組進行了初步的嘗試[23-24]，將石墨烯或碳納米管加入到咪唑類離子液體中研磨，得到了石墨烯、碳納米管離子液體凝膠復合材料。并且完成了一些修飾復合物作為導電介質(zhì)的電力復合脂制備和測試工作(見圖10、表6)。

　　圖10 自制潤滑脂樣品

　　Fig.10 Self-made grease sample

　　表6 自制潤滑脂理化性能

　　Table 6 Physical and chemical properties of self-made grease

　　同時制備了以聚苯胺有機高分子做導電添加劑的潤滑脂，曹正鋒[25]等以聚苯胺為導電微粒制備了導電復合鋰基潤滑脂和聚四氟導電潤滑脂，發(fā)現(xiàn)其具有較好的理化性能、抗腐蝕性能、摩擦學性能和導電能力(見圖11，表7)。并認為導電聚苯胺潤滑脂優(yōu)異的抗腐蝕性歸因于“隔離效應(yīng)”和導電聚苯胺與金屬反應(yīng)生成的致密鈍化膜;導電潤滑脂具有好的減摩抗磨性能和導電能力是由于聚苯胺可以減小摩擦界面之間的直接接觸，并且可以在摩擦表面形成復雜的物理化學保護膜;而導電聚苯胺潤滑脂具有優(yōu)異的導電能力主要是因為聚苯胺具有相對較大的比表面積，可以在潤滑脂中形成更加充分的導電網(wǎng)絡(luò)，從而提高摩擦過程中的導電能力[26](見表8、9、圖12)。

　　圖11 MFT-R4000摩擦機，在室溫(負載:20 N，行程:5 mm，頻率:5 Hz，電流:0-20 A)下，PANI潤滑脂在0-20 A電流梯度測試中摩擦系數(shù)隨時間的變化

　　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 導電離子液體潤滑脂的理化性能(添加劑含量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導電性能

　　Table 8 The electrical conductivity of polyurea and polyaniline

　　表9 復合鋰基脂及添加聚苯胺后的性能

　　Table 9 Properties of lithium compound lipids and polyaniline

　　圖12 在潤滑脂中導電過程示意圖

　　Fig.12 Diagram of conductive process in grease

五 結(jié)論和展望

　　目前, 對電機軸承用潤滑脂的研究引起廣泛關(guān)注，但很少有研究論文和相關(guān)專利。未來純電動汽車導電潤滑脂研究的重點內(nèi)容可能包括: (1) 高性能多功能導電添加劑的合成及應(yīng)用;(2) 純電動汽車潤滑脂中添加劑的感受性及配伍性研究; (3) 純電動汽車潤滑脂在不同的應(yīng)用背景和不同的工作條件的安全使用性; (4) 純電動汽車潤滑脂的導電和潤滑機理還需深入研究; (5) 如何解決載流條件下摩擦副的電蝕問題;(6)綠色環(huán)保導電潤滑脂是未來發(fā)展的方向。總之，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，純電動汽車潤滑脂具有深入研究的價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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