[發明專利]改進交流傳動系統軸承和齒輪疲勞壽命的裝置及方法

在審

• 申請號: 201810024630.0
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108173386A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 王立國;閆怡飛;閆相禎;劉銘剛;李文強;鈕瑞艷;許志倩
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: H02K7/08
• 分類號: H02K7/08;H02K7/116;H02K11/40;H02K7/00;F16H55/06;F16C33/32;F16C33/64
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本發明涉及一種逆變器供電的交流傳動驅動系統，特別涉及一種改進此系統承載能力和疲勞壽命的裝置及方法。該裝置主要由交流驅動電機系統、軸承系統、齒輪系統和接地系統四部分組成。電機系統包含交流異步電機3和薄板聯軸器4；軸承系統主要包含球軸承1、9以及圓柱滾子軸承6、8、12和14；齒輪系統包含齒輪軸7和大齒輪11；接地系統主要包含電機非驅動端接地導電纖維刷2、薄板聯軸器4和齒輪軸7間的導電纖維接地環5、齒輪軸7非電機側接地導電纖維刷10、以及主軸兩端的接地導電纖維刷13和15。該裝置在設計初期考慮了電流電蝕對軸承和齒輪系統壽命的影響，提高了采用逆變器供電的交流傳動系統的疲勞壽命及可靠性。

技術領域

本發明與逆變器供電的交流傳動驅動系統的軸承和齒輪有關，涉及一種改進交流傳動系統承載能力和疲勞壽命的方法。

背景技術

近年來，由絕緣柵雙極性晶體管等(IGBT)變流元件構成的逆變器供電的交流傳動系統，大量應用于高速動車組、交通運輸、石油石化等驅動裝置傳動系統中。此種傳動系統由逆變器供電的交流電機作為動力，驅動由軸承和齒輪構成的滾動系統，來傳遞載荷。

軸承和齒輪是交流傳動驅動系統中最重要的機械部件，其具有較高的載荷承載能力和疲勞壽命對于保證交流傳動驅動系統安全是非常必要的。

上述元件的失效的一種模式是點蝕疲勞或者剝落，其特征是接觸表面由于材料去除而產生深度和面積有限的點蝕小坑，失效的原因是由于接觸表面下剪應力引起的。

采用了IGBT等變流元件構成的逆變器供電的交流傳動驅動系統，其失效不僅僅是由于機械損傷導致的點蝕疲勞或剝落，而是電氣腐蝕下的機械疲勞。電氣腐蝕主要是由于交流電機在逆變器作用下產生的諧波電流和附加感應電流未合理接地去除時，流經軸承和齒輪等滾動系統元件引起電蝕所致。

以往的改進軸承和齒輪滾動系統的方法由于未考慮電氣腐蝕方面的影響，其增強承載能力和疲勞壽命的方法就會大打折扣。為此，發明一種既考慮軸承與齒輪電氣腐蝕又考慮相關元件接觸硬度的方法，以改進IGBT逆變器供電的交流傳動系統齒輪和軸承承載能力和疲勞壽命。

發明內容

電機產生的電流流經驅動系統中的軸承和齒輪時，會在接觸表面產生點蝕坑，造成接觸表面損壞，硬度降低，從而進一步惡化疲勞壽命。

材料的硬度在確定滾動元件的疲勞方面起很重要的作用，滾動元件的疲勞壽命和載荷承載能力隨之材料的硬度增加而增大。此外，材料抵抗塑性變形的能力也隨著硬度的增加而增加。一個結論就是在疲勞壽命和抵抗隨心變形能力之間存在著反向的關系。材料硬度或者說抵抗塑性變形的能力對疲勞壽命和載荷承載能力來說是雙刃劍：一方面，隨著材料的硬度降低，由于降低了材料的強度，疲勞壽命也會降低；但是，抵抗變形的能力降低的同時其接觸應力也會降低，接觸應力降低反而會增加疲勞壽命。

因此，本發明的第一個目的是提出一種能夠最大可能消除電機電流對齒輪和軸承滾動系統接觸表面電蝕破壞影響的方法。

本發明的第二個目的是提出進行軸承壽命計算時的電蝕應力修正系數，將其納入到ISO281相應的軸承壽命計算公式中。

本發明的第三個目的就是提出一種改進驅動部分齒輪疲勞壽命和承載能力的方法。

簡言之，本發明的上述以及其他目的，首先是考慮原來直流電機驅動系統中可以忽略，而在逆變器供電的交流傳動電機軸不可忽視的電機電流。通過采用絕緣軸承或者設計合理的電流接地路徑，去除或降低軸承電蝕風險，防止接觸表面疲勞失效。考慮軸承電蝕對軸承和齒輪疲勞壽命的影響，在軸承壽命計算時引入電蝕應力修正系數a_electric。此外，通過將滾動元件系統中各元素熱處理至大體相同的硬度，然后將那些承受較高數目應力循環的元件熱處理后的洛氏硬度C值比與之嚙合的元件的硬度值低1到2來實現。