一种轴承击穿电压的测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种轴承击穿电压的测试方法及装置，属于轴承测试技术领域。

背景技术

对于电气设备中的轴承，正常服役条件下滚动体与滚道间有润滑膜，起到绝缘的作用。当电机设计、安装存在问题或电气系统出现故障时，轴承两端会出现轴电压。当轴电压超过润滑膜绝缘阈值后，将击穿润滑膜形成轴电流。轴电流对大型机电设备危害严重，主要表现在以下几方面：(1)在轴承外表面形成电烧蚀；(2)润滑油电离，破坏油膜形成及稳定性，加快润滑油劣化，降低润滑性能及介电强度；(3)电机轴承的使用寿命将会大大缩短，严重的甚至只能运行几小时，给现场安全生产带来极大的影响。

鉴于轴电流的严重危害，国内外专家对轴电流产生原因及其对轴承的损伤机制进行了研究，涵盖了轴电流产生机制，击穿机制，电接触模型，轴承损伤机制等。为减缓轴电流损伤，通常对轴承采取绝缘防护或采用接地。但是这些防护措施由于安装、油污、损坏或老化等原因，仍然无法避免轴电流的产生。事实上，当轴电压不超过轴承击穿电压(也即润滑膜绝缘阈值)时，轴电流不会产生，进而轴承不会产生电烧蚀破坏。因此，界定轴承的击穿电压，根据设备电气环境选择合理的轴承，是避免轴电流故障的有效手段。

为此，需要提出一种测试轴承击穿电压的技术方案，以避免轴电流的产生。

发明内容

本申请的目的在于提供一种轴承击穿电压的测试方法及装置，为避免轴电流的产生提供一种行之有效的技术方案。

为实现上述目的，本申请提出了一种轴承击穿电压的测试方法的技术方案，测试方法包括以下步骤：

1)将被测轴承固定在旋转主轴上，并给被测轴承施加载荷，控制被测轴承工作；

2)通过电源向被测轴承施加电压，且电压逐渐上升；在电压上升的过程中，检测被测轴承对应的电流；

3)根据被测轴承的电压以及对应的电流得到被测轴承的等效电阻；

4)计算等效电阻随电压变化的变化率；

5)所述变化率为0时对应的电压为被测轴承的击穿电压。

本发明的轴承击穿电压的测试方法的技术方案的有益效果是：本发明通过被测轴承在一定载荷下工作时，向被测轴承施加电压，通过电压和电流计算得出被测轴承的等效电阻，观察等效电阻的变化情况，在等效电阻值不再变化时，说明电源施加的电压达到被测轴承的击穿电压，因此将等效电阻随电压变化的变化率为0时对应的电压定为被测轴承的击穿电压。本发明的测试过程快捷，通过获取升电压过程中的伏安曲线即可计算击穿电压，测试过程一般在数分钟内完成，不仅不会对被测轴承造成损伤，而且还可以指导被测轴承的检测和选型使用。

进一步的，为了研究被测轴承的击穿电压随转速、载荷的变化情况，控制被测轴承在不同的转速、不同的载荷下进行工作，得到被测轴承不同的转速、不同的载荷下的击穿电压。

进一步的，为了保证电压施加的可靠性，所述电源通过电刷将电压施加在旋转主轴和被测轴承外圈之间，以实现电源向被测轴承施加电压。

进一步的，所述电源为交流电源，当变化率在设定时间内持续为0时，停止增加电压。

进一步的，所述电源为直流电源，当变化率在设定时间内持续为0时，停止增加电压。

另外，本发明还提出一种轴承击穿电压的测试装置的技术方案，该测试装置包括旋转主轴、设备主机、加载装置、电源、电流传感器以及控制器：

旋转主轴用于固定被测轴承，加载装置用于模拟载荷，且旋转主轴与设备主机绝缘连接，用于通过设备主机控制旋转主轴旋转，进而控制被测轴承工作；加载装置与设备主机绝缘连接，用于通过设备主机控制加载装置向被测轴承施加的载荷；

电源用于向被测轴承施加电压，且电压逐渐上升；在电压上升的过程中，电流传感器检测被测轴承对应的电流；

控制器与电源、电流传感器连接，用于根据被测轴承的电压以及对应的电流得到被测轴承的等效电阻；进而计算等效电阻随电压变化的变化率；变化率为0时对应的电压为被测轴承的击穿电压。

本发明的轴承击穿电压的测试装置的技术方案的有益效果是：本发明的测试装置包括旋转主轴、设备主机、加载装置、电源、电流传感器以及控制器，设备主机控制加载装置以及旋转主轴，使得被测轴承在一定载荷下工作，同时电源向被测轴承施加电压，控制器通过电压和电流计算得出被测轴承的等效电阻，观察等效电阻的变化情况，在等效电阻值不再变化时，说明电源施加的电压达到被测轴承的击穿电压，因此将等效电阻随电压变化的变化率为0时对应的电压定为被测轴承的击穿电压。该测试装置的测试过程快捷，通过获取升电压过程中的伏安曲线即可计算击穿电压，测试过程一般在数分钟内完成，不仅不会对被测轴承造成损伤，而且还可以指导被测轴承的检测和选型使用。

进一步的，为了研究被测轴承的击穿电压随转速、载荷的变化情况，设备主机控制被测轴承在不同的转速、不同的载荷下进行工作，控制器得到被测轴承不同的转速、不同的载荷下的击穿电压。

进一步的，为了保证电压施加的可靠性，还包括电刷，所述电源通过电刷将电压施加在旋转主轴和被测轴承外圈之间，以实现电源向被测轴承施加电压。

进一步的，所述电源为交流电源，当变化率在设定时间内持续为0时，停止增加电压。

进一步的，所述电源为直流电源，当变化率在设定时间内持续为0时，停止增加电压。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构图；

图2是本发明轴承击穿电压的确定方法的流程图；

图3是本发明得到的变化率-电压的曲线图；

图中：1为旋转主轴、2为被测轴承内圈、3为被测轴承外圈、4为加载装置、5为电刷、6为电流传感器、7为电源。

具体实施方式

轴承击穿电压的测试装置实施例：

本发明的主要构思在于，基于可以控制被测轴承工作、以及可以向被测轴承施加电压、检测电流、并计算击穿电压的测试装置，在电压逐渐上升的过程中，其控制器通过不同的电压和对应的电流得到被测轴承的等效电阻，进而得到等效电阻随电压的变化率，以变化率为0的点对应的电压作为被测轴承的击穿电压，为电气设备轴承电流故障的防护提供技术支撑。

本发明通过研究发现，轴承的击穿电压取决于承载、润滑剂电学性能、转速等工况，不同轴承的击穿电压不同；并且即使是同一个轴承，在不同服役工况下的击穿电压也不同。因此，本发明提出的轴承击穿电压的测试装置，如图1所示，包括：

旋转主轴1、设备主机(图中未画出)、加载装置4、电源7、电刷5、电流传感器6以及控制器(图中未画出)。

被测轴承包括被测轴承内圈2、被测轴承外圈3以及内圈和外圈之间的滚动体。

其中，旋转主轴1用于固定被测轴承，设备主机与旋转主轴1连接，用于控制旋转主轴1的转速；并且设备主机与旋转主轴1绝缘、被测轴承内圈2与旋转主轴1导通。

加载装置4安装在被测轴承外圈3的外侧，用于模拟被测轴承的载荷；设备主机与加载装置4连接，用于通过设备主机控制加载装置4的载荷大小，并且加载装置4与被测轴承外圈3、设备主机绝缘。

电刷5固定在旋转主轴1的侧面；电源7的一端连接被测轴承外圈3，另一端连接电刷5，用于向被测轴承施加电压；以保证旋转主轴1旋转时，电刷5固定不动，电源7可以可靠的向被测轴承施加电压；

电流传感器6设置在电源7和电刷5之间，用于检测被测轴承的电流。

控制器与电源7、电流传感器6连接，用于根据电压和电流计算出被测轴承的击穿电压。

将被测轴承安装在旋转主轴1上，通过如图2所示轴承击穿电压的测试方法确定被测轴承的击穿电压：

1)设备主机设定主轴的转速以及载荷大小，启动设备，使得被测轴承达到设定转速和载荷。

2)电源7的电压从0V逐渐上升，并记录不同电压对应的电流值。

3)根据电压和对应的电流计算出被测轴承的等效电阻。

被测轴承的等效电阻的计算公式如下：

其中，R为被测轴承的等效电阻；U为电源施加的电压；I为电流。

4)计算等效电阻随电压的变化率，变化率为0时对应的电压即为被测轴承在该转速、载荷下的击穿电压。

等效电阻随电压的变化率为dR/dU，也即等效电阻对电压的一阶导数。

5)达到击穿电压后，当等效电阻随电压的变化率在设定时间内持续为0时，停止增加电源7的电压。

本步骤中，电源7可以为直流电源，也可以为交流电源。等效电阻随电压的变化率持续稳定，指的是电阻不再随电压的增高而变化。反映在dR/dU曲线上表现为dR/dU数值持续为0。这里的设定时间可以根据经验进行确定，避免击穿轴承。

步骤4)中变化率为0时对应的电压是指变化率为0的初始时刻对应的电压。

6)重新设定主轴的转速以及载荷大小，重复步骤1)到步骤5)可以得到不同主轴的转速、载荷大小的击穿电压。

上述实施例中，为了观察击穿电压附近的等效电阻变化情况，达到击穿电压后，当电流达到稳定后，停止增加电源7的电压，作为其他实施方式，也可以只要变化率为0即可停止电源7增加电压，本发明对此不做限制。

上述实施例中，为了可靠的向被测轴承施加电压，电源7通过电刷5将电压施加在旋转主轴1和被测轴承外圈3之间，作为其他实施方式，在不考虑施加电压稳定性的情况下，电压也可以直接施加在被测轴承内圈2和被测轴承外圈3之间。

上述实施例中，步骤6)的目的在于研究轴承击穿电压随转速、载荷的变化情况，作为其他实施方式，如果轴承在实际应用时的转速以及载荷固定的情况下，也可以只测定轴承在实际转速和载荷下的击穿电压。

以下以轴承61808为例对本发明的方法进行详细说明。

将轴承61808安装在旋转主轴1上，设定载荷为100N，转速为100rpm。

按照上述方法，采集电流传感器6的读数，对应的电源7为直流电源，得到如图3所示的等效电阻变化率-电压的曲线。电源7电压为13V时，停止增加电源7的电压，此时等效电阻的变化率在设定时间内持续为0。从图3中得出击穿电压为8.8V。

基于可以控制被测轴承转速和载荷、以及可以向被测轴承施加电压、检测电流的测试装置的基础上，控制电压逐渐增加，通过不同的电压和对应的电流得到被测轴承的等效电阻，进而得到等效电阻随电压的变化率，以变化率为0的点对应的电压为被测轴承的击穿电压，从而得到不同载荷、不同转速条件下不同规格轴承的击穿电压，不仅测试过程快捷，而且不造成轴承损伤。

被测轴承击穿即所施加的电压达到润滑膜的绝缘阈值，因此本发明的方法还可适用于其他因达到润滑膜的绝缘阈值为导致击穿的设备中，适用范围广泛。

轴承击穿电压的测试方法实施例：

轴承击穿电压的测试方法的具体实施过程和效果在上述轴承击穿电压的测试装置中已经介绍这里不做赘述。