[发明专利]改进交流传动系统轴承和齿轮疲劳寿命的装置及方法

说明书

本发明涉及一种逆变器供电的交流传动驱动系统，特别涉及一种改进此系统承载能力和疲劳寿命的装置及方法。该装置主要由交流驱动电机系统、轴承系统、齿轮系统和接地系统四部分组成。电机系统包含交流异步电机3和薄板联轴器4；轴承系统主要包含球轴承1、9以及圆柱滚子轴承6、8、12和14；齿轮系统包含齿轮轴7和大齿轮11；接地系统主要包含电机非驱动端接地导电纤维刷2、薄板联轴器4和齿轮轴7间的导电纤维接地环5、齿轮轴7非电机侧接地导电纤维刷10、以及主轴两端的接地导电纤维刷13和15。该装置在设计初期考虑了电流电蚀对轴承和齿轮系统寿命的影响，提高了采用逆变器供电的交流传动系统的疲劳寿命及可靠性。

技术领域

本发明与逆变器供电的交流传动驱动系统的轴承和齿轮有关，涉及一种改进交流传动系统承载能力和疲劳寿命的方法。

背景技术

近年来，由绝缘栅双极性晶体管等(IGBT)变流元件构成的逆变器供电的交流传动系统，大量应用于高速动车组、交通运输、石油石化等驱动装置传动系统中。此种传动系统由逆变器供电的交流电机作为动力，驱动由轴承和齿轮构成的滚动系统，来传递载荷。

轴承和齿轮是交流传动驱动系统中最重要的机械部件，其具有较高的载荷承载能力和疲劳寿命对于保证交流传动驱动系统安全是非常必要的。

上述元件的失效的一种模式是点蚀疲劳或者剥落，其特征是接触表面由于材料去除而产生深度和面积有限的点蚀小坑，失效的原因是由于接触表面下剪应力引起的。

采用了IGBT等变流元件构成的逆变器供电的交流传动驱动系统，其失效不仅仅是由于机械损伤导致的点蚀疲劳或剥落，而是电气腐蚀下的机械疲劳。电气腐蚀主要是由于交流电机在逆变器作用下产生的谐波电流和附加感应电流未合理接地去除时，流经轴承和齿轮等滚动系统元件引起电蚀所致。

以往的改进轴承和齿轮滚动系统的方法由于未考虑电气腐蚀方面的影响，其增强承载能力和疲劳寿命的方法就会大打折扣。为此，发明一种既考虑轴承与齿轮电气腐蚀又考虑相关元件接触硬度的方法，以改进IGBT逆变器供电的交流传动系统齿轮和轴承承载能力和疲劳寿命。

发明内容

电机产生的电流流经驱动系统中的轴承和齿轮时，会在接触表面产生点蚀坑，造成接触表面损坏，硬度降低，从而进一步恶化疲劳寿命。

材料的硬度在确定滚动元件的疲劳方面起很重要的作用，滚动元件的疲劳寿命和载荷承载能力随之材料的硬度增加而增大。此外，材料抵抗塑性变形的能力也随着硬度的增加而增加。一个结论就是在疲劳寿命和抵抗随心变形能力之间存在着反向的关系。材料硬度或者说抵抗塑性变形的能力对疲劳寿命和载荷承载能力来说是双刃剑：一方面，随着材料的硬度降低，由于降低了材料的强度，疲劳寿命也会降低；但是，抵抗变形的能力降低的同时其接触应力也会降低，接触应力降低反而会增加疲劳寿命。

因此，本发明的第一个目的是提出一种能够最大可能消除电机电流对齿轮和轴承滚动系统接触表面电蚀破坏影响的方法。

本发明的第二个目的是提出进行轴承寿命计算时的电蚀应力修正系数，将其纳入到ISO281相应的轴承寿命计算公式中。

本发明的第三个目的就是提出一种改进驱动部分齿轮疲劳寿命和承载能力的方法。

简言之，本发明的上述以及其他目的，首先是考虑原来直流电机驱动系统中可以忽略，而在逆变器供电的交流传动电机轴不可忽视的电机电流。通过采用绝缘轴承或者设计合理的电流接地路径，去除或降低轴承电蚀风险，防止接触表面疲劳失效。考虑轴承电蚀对轴承和齿轮疲劳寿命的影响，在轴承寿命计算时引入电蚀应力修正系数a_electric。此外，通过将滚动元件系统中各元素热处理至大体相同的硬度，然后将那些承受较高数目应力循环的元件热处理后的洛氏硬度C值比与之啮合的元件的硬度值低1到2来实现。