在中国中部的一家水泥研磨厂， 12台由690 V变频驱动器（ VFD ）驱动的450 kW感应通风机电机用于以预算无法吸收的速度丢失驱动端轴承。 在两年的时间里，维护团队对该车队进行了26次轴承更换，每次拆卸都讲述了同样的故事：滚道上的洗板式凹槽图案、磨砂球和带有金属碎屑的润滑剂灰色。 本案例研究描述了氮化硅混合轴承与轴接地环相结合，如何在22个月内将车队从每个电机每年大约一次电气故障降至零。
问题：轴承无明显原因失效
常规数据中没有任何内容指向机械问题。绝缘电阻是健康的，故障之间的振动谱是干净的，润滑遵循OEM时间表。然而，轴承仍在早期死亡，平均每台电机每年发生1.1次电气故障。 每个计划外停车都是昂贵的：更换安装在风扇廊14米高的450千瓦电机上的轴承需要16小时的时间，包括起重机预定、电机拆卸、轴承更换、校准和重新启动。财务团队将损失的熟料生产、劳动力和两个最差单元的一个全电机倒带相结合，平均故障定价为68,000美元。 按历史故障率计算，电气轴承损坏每年使工厂损失近750,000美元。
根本原因：共模电压，轴承不坏
现代基于IGBT的变频器开关频率为2至8 kHz ，并在电机中性点上施加共模电压。该电压以电容方式耦合到转子，积聚在轴上，并在润滑油膜分解时以微火花的形式通过滚动触点放电。 其结果是放电加工（ EDM ）损坏：每小时数千个微观凹坑，数周的凹槽，以及在计算的L10寿命之前引发剥落的硬地下白色蚀刻裂纹。 轴电压测量证实了这一机制：高速时峰值轴对框架电压达到15至18 V ，远高于通常被认为对滚动轴承安全的大约1 V电平。该工厂已经添加了绝缘联轴器和屏蔽电机电缆，但没有可测量的效果，因为主要的放电路径穿过轴承本身。
修复：混合陶瓷轴承加轴接地环
该工厂与轴承经销商合作，使用两部分对策在四台电机上进行了为期六周的试运行：
- 驱动端（ DE ） ：将6318 C3钢深沟球轴承更换为混合型，在钢环中使用氮化硅（ Si3N4 ）陶瓷球。 氮化硅是一种体积电阻率高于10 ^ 12 ohm-cm的电绝缘体，硬度比轴承钢高约50% ，密度较低，滚动疲劳性能优异，因此混合轴承在阻挡电流路径的同时保持相同的ISO 281负载额定值。
- 非驱动端（ NDE ） ：保持钢轴承，连续添加AEGIS型轴接地环到引气轴充电，并安装绝缘外壳套管作为后挡。
使用适合测量的60°C轴承温度的聚脲基EP2润滑脂将这两个位置设置为C3间隙，并保留了现有的4,000小时重新润滑间隔。校准和平衡程序没有改变，因此试点中唯一的变量是轴承材料和接地环。
结果： 22个月，零电气故障
四个先导电机现在已经运行了22个月，没有一次电气腐蚀故障，首先是一个车队。鼓舞人心的是，该工厂在计划的三次停机期间对所有十二台电机进行了转换。转化后的车队级别结果：
- 电气沟槽故障：从历史上的每年13起到22个月内的零起。在此期间，唯一的轴承故障是机械故障，发生在尚未转换的电机上。
- 驱动端轴承处的轴电压：低于0.8 V峰值，接地环在使用中，从15伏降至18伏。
- 振动速度：稳定在1.4至1.9 mm/s RMS ，而早期故障前三个月的记录为2.8至3.6 mm/s。
- 对策成本：混合动力6318 C3轴承每个成本约为420美元，钢材为85美元，接地环每个电机增加210美元。整个车队的总支出低于9,000美元。
该工厂每年避免了大约11次电力故障，每次68,000美元，在前两年估计避免了690,000美元的损失。对于电机，混合动力轴承和接地环的投资回报期远低于一个月。
采购和可靠性团队的经验教训
- 指定故障模式，而不仅仅是轴承编号。在轴承询价单中写入“电侵蚀/变频器责任” ，促使供应商引用具有正确间隙和笼子的Si3N4混合或全陶瓷选项，而不是默认为钢。
- 当轴电压高时，混合轴承仅击败绝缘外壳。绝缘阻挡电流，但使轴充电；一端的混合轴承加上另一端的接地环可以解决两个放电路径。
- 根据IEC TS 60034-25和NEMA MG1第31部分对电机进行变频器占空比认证，并在现场测量轴电压。高于约1至2 V峰值的读数证明了基于陶瓷的对策是合理的。
- 验证陶瓷质量。对于Si3N4球，要求提供密度至少为3.20 g/cm3和硬度至少为1,500 HV1的材料证书，并确认球是热等静压的。廉价、烧结不良的球体会像钢一样因滚动接触疲劳而失效。
对于运行中压或690 V VFD车队的工厂，氮化硅混合轴承不再是利基选择。针对标准轴承选择表从未显示的故障模式，它们是市场上最便宜的保险。
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