CN113217545A - 基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承。本发明的滚动轴承包括轴承内圈、轴承外圈和轴承滚动体，轴承滚动体可旋转地安装在轴承内圈和轴承外圈之间，轴承内圈和轴承外圈之间的空隙中填充有含离子液体的润滑脂。本发明针对滚动轴承在正常运转中会产生的电蚀失效问题，根据离子液体高电导率的特点，将常规制备润滑脂所需的合成油换成导电性高的离子液体，可以降低轴电压从而避免产生轴电流，防止轴承零件表面产生电蚀，提高了牵引电机轴承的可靠性与机车的安全性。本发明能够在滚动轴承连续工作的情况下使轴电压稳定在一个较低的水平，从而避免滚动轴承电蚀现象的发生，可以显著降低滚动轴承被电蚀的概率。

Description

基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承
技术领域
本发明涉及滚动轴承领域的一种滚动轴承，尤其是涉及了一种基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承。
背景技术
在工业应用中，大功率机械的电动机、风力发电机组、高铁牵引电动机和地铁牵引电机等采用的都是三相感应交流电机或变频电动机。其轴承在旋转过程中，内圈切割磁力线，产生涡流；运动的滚动体，钢球或圆柱滚子切割磁力线，也会产生涡流。交流电机中，磁场是变化的，与轴承外圈、内圈以及滚动体相互作用，在滚动轴承零件中也会产生涡流。即交流电机由于磁路不平衡会在转轴与轴承座之间产生轴电压，若转轴两端通过电机机座等构成回路，则会形成轴电流。轴电流是轴承电压通过电机轴、轴承、定子机座或辅助装置构成闭合回路产生的。在正常情况下，轴承内外圈与轴承滚动体之间的电压差较小，轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用，不会产生轴电流。但当轴电压较高，或电机起动瞬间油膜未稳定形成时，轴电压会放电击穿润滑油膜形成回路产生轴电流。轴电流通过轴承中的界面时会产生微小电火花击穿滚动轴承接触部分的润滑油膜，并且轴电流局部放电能量产生的高温，可以融化轴承内圈、外圈或滚动体表面，产生电蚀现象。在零件表面产生电蚀，并形成凹槽，从而噪声和振动增大。电蚀会使得润滑脂的性能劣化，若不能及时发现处理将导致轴承旋转不良、失效甚至咬死，对设备带来极大的安全隐患。电蚀还会使轴承零件表面脱落微小颗粒，产生磨粒磨损，从而直接影响电动机乃至主机的性能、寿命与安全性。
发明内容
本发明的目的是为了解决轴承的电蚀问题，提出一种基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承，通过在润滑脂中加入导电性良好的离子液体，避免电流的产生，从而使得电蚀问题得到有效解决。
本发明采用的技术方案是：
本发明所述滚动轴承包括轴承内圈、轴承外圈和轴承滚动体，轴承滚动体可旋转地安装在轴承内圈和轴承外圈之间，其特征在于：轴承内圈和轴承外圈之间的空隙中填充有含离子液体的润滑脂。
所述含离子液体的润滑脂主要由皂基和离子液体组成。
所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或几种混合。
所述皂基为锂基、钙基、钠基、脲基中的一种或几种混合。
与已有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：
本发明在润滑脂满足轴承润滑的条件下，在润滑脂中加入离子液体，离子液体的高导电性可以降低轴电压从而避免产生轴电流，防止轴承零件表面产生电蚀，提高了牵引电机轴承的可靠性与机车的安全性。
本发明能够在滚动轴承连续工作的情况下使轴电压稳定在一个较低的水平，从而避免滚动轴承电蚀现象的发生，可以显著降低滚动轴承被电蚀的概率。
附图说明
图1为本发明所涉及的滚动轴承电蚀产生的微观原理图。
图2为含离子液体的润滑脂组成示意图。
图3为离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐的结构式。
图4为离子液体1-丁基-3-甲基咪唑二氰胺盐的结构式。
图5为离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的结构式。
图6为以轴承滚动体与滚道的接触区域采用普通润滑脂为对照组做轴承电蚀实验的实验结果。
图7为以轴承滚动体与滚道的接触区域采用本发明所述的含离子液体的润滑脂为实验组的实验结果。
图中：1-轴承外圈，2-轴承滚动体，3-皂基，4-离子液体。
具体实施方式
下面结合电机组滚动轴承这个实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明的滚动轴承包括轴承内圈、轴承外圈1和轴承滚动体2，轴承滚动体2可旋转地安装在轴承内圈和轴承外圈1之间，轴承内圈和轴承外圈1之间的空隙中填充有含离子液体的润滑脂，如图2所示。
当电机正常工作时，图1中的轴承外圈1和轴承滚动体2接触区域不会产生过大的电压差，当电压差达到一个阈值时便会被击穿从而产生轴电流，发生电蚀。非接触的区域充满了含离子液体的润滑脂，由于此时的润滑脂已经具备了导电性，即使交流电机由于磁路不平衡会使得轴承在旋转过程中切割磁力线进而导致转轴与轴承座之间产生轴电压，轴承外圈1和轴承滚动体2之间以及轴承内圈和轴承滚动体2之间都会通过含离子液体的润滑脂，此时具有导电性的润滑脂会中和产生的正负电荷。综合上述两种情况可以得出含离子液体的润滑脂可以使转轴与轴承座不会产生较大的电压差，因此能够避免轴承电蚀现象的产生。
含离子液体的润滑脂主要由皂基和离子液体组成。如图3-5所示，离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或几种混合。这三种离子液体的电导率分别为2.8S/m、1.1S/m、1.4S/m。皂基为锂基、钙基、钠基、脲基中的一种或几种混合。
普通润滑脂的电导率大多远低于10-7S/m，而本发明所选用的三种离子液体的电导率远高于10-7S/m。因此，本发明所述的含离子液体的润滑脂电导率也远远高于10-7S/m。
如果以轴承滚动体与滚道的接触区域采用本发明所述的含离子液体的润滑脂为实验组，以轴承滚动体与滚道的接触区域采用普通润滑脂为对照组做轴承电蚀实验。对于实验组来说加入含离子液体的润滑脂则轴承滚动体和滚道的接触区域可以等效为一个电阻。对于对照组来说，未击穿前轴承滚动体和滚道的接触区域可以等效为一个电容，当轴电压达到一定阈值时便发生击穿，此时对照组的接触区域同样也可以等效成一个电阻。
实验时实验组和对照组的接触区域两端加相同电压，其值大于对照组的击穿电压。因此对于实验组和对照组来说，轴承滚动体与轴承内外圈的接触区域都可以等效成一个电阻。接触区域的等效击穿电阻可以用下式表示：
Figure BDA0003089331560000031
其中，ρ为接触区域的电导率，S为接触面积，m是击穿点数，β为轴承接触系数，与接触类型有关，这里若以滚动球轴承为例，则对于点接触来说，β取0.5。
实验组与对照组除润滑脂不同外其余条件均相同，即S和β相同。由于实验组的润滑脂含有高电导率的离子液体，因此实验组接触区域的电导率ρ大于对照组的电导率ρ，则说明实验组接触区域的等效击穿电阻R大于对照组接触区域的等效击穿电阻R。而对于相同的电压来说，电阻越大则电流越小，因此实验组接触区域的电流远小于对照组接触区域的电流，即实验组发生电蚀概率远小于对照组。而对于击穿点数m，在实验初始阶段时实验组和对照组的击穿点数m都相同，即为0，此时m不影响等效击穿电阻R的大小。但此时由于对照组的电导率ρ低于实验组，因此在初始阶段对照组的等效击穿电阻R小于实验组的等效击穿电阻R，对照组的电蚀情况多于实验组。随着时间变化，对照组电蚀增多引起击穿点数m增大，等效击穿电阻R进一步减小，导致电流进一步加大。而对于实验组来说在初始阶段时电蚀就小于对照组，则实验组的击穿点数m小于对照组，虽然击穿点数在一直增多，但是相对于对照组来说击穿点数m变化不明显。因此对于整个实验过程来说实验组的电蚀一直远小于对照组。
电流的大小直接影响轴承的使用寿命，当轴承被击穿时，有的轴承还可以工作几千甚至上万个小时，而有的轴承只能工作几个小时，这取决于电流的密度。根据现有的实验数据显示，电流密度为0.7A/mm2时轴承寿命为50000小时，电流密度为1.4A/mm2时轴承寿命显著降低到500小时，对于电流密度大于2A/mm2的情况下轴承寿命只有5个小时左右，而对于电流密度只有0.1A/mm2时此时电流几乎不会影响轴承寿命，轴承依然可以正常工作。
目前轴承被击穿时其寿命长短可由下式计算：
L＝7867204×10(-2.17×d)
其中，L代表轴承寿命，d代表电流密度，单位为A/mm2。
因此可以得出结论，对于实验组和对照组来说，接触区域是相同的，那么在相同的条件下，实验组的电流小，则电流密度也小，相应的轴承寿命也远高于对照组。
本实验对照组所采用的润滑脂是由聚乙二醇醚(合成油)和锂基皂合成，聚乙二醇醚的电导率为620×10-10S/m。实验组采用的润滑脂是由离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐和锂基皂合成。实验结果如图6、图7所示，图中纵坐标代表电压(电流)大小，横坐标代表时间，每个图中高的波形代表电压随时间变化情况，低的波形代表电流随时间变化情况。可以看出实验组的电压和电流远小于对照组，证明了本发明所述的含离子液体润滑脂能够很大程度上避免轴承电蚀现象的产生。

Claims (4)

1.一种基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承，所述滚动轴承包括轴承内圈、轴承外圈(1)和轴承滚动体(2)，轴承滚动体(2)可旋转地安装在轴承内圈和轴承外圈(1)之间，其特征在于：轴承内圈和轴承外圈(1)之间的空隙中填充有含离子液体的润滑脂。
2.根据权利要求1所述的一种基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承，其特征在于：所述含离子液体的润滑脂主要由皂基和离子液体组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承，其特征在于：所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的一种或几种混合。
4.根据权利要求2所述的一种基于含离子液体的润滑脂的滚动轴承，其特征在于：所述皂基为锂基、钙基、钠基、脲基中的一种或几种混合。
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