图1 轴承结构示意图
Fig.1 Bearing structure diagram
摘要 随着电力电子技术在现代变频驱动系统中的广泛应用，由变频器引起的电机轴电压和轴电流导致的轴承电蚀损伤已成为轴承失效的主要原因之一。轴承电蚀破坏度评估广泛依赖振动数据，但其与电蚀损伤程度关联性较差，通常需要轴承出现凹槽等严重损伤时才能有效识别，难以实现早期预警。轴承电阻抗、击穿电压阈值及击穿电阻能够直接反映轴电压作用下轴承的运行状态，针对脂润滑轴承本体，该文搭建了可模拟不同运行参数条件下的轴承电特性测量平台，测量不同运行参数下轴承的稳态和动态电特性，揭示了脂润滑轴承在不同转速、温度、电压、电源频率下的变电特性变化规律，并分析了其可能的原因。通过研究轴承电特性，可为定量评估轴承电蚀破坏度提供理论依据。
关键词：脂润滑滚动轴承 电蚀损伤 轴承电阻抗 击穿电阻 电特性测量
在高端电工装备可靠性提升的需求牵引下，轴承作为旋转电机的重要部件，其可靠运行是保障电机系统运行寿命的关键[1]。作为电机系统中的易损坏部件，约40%～70%的电机故障是由轴承引起的[2-3]。随着变频技术的广泛应用及电动汽车产业的兴起，由变频驱动引起的轴承电蚀问题已成为轴承失效的主要原因之一[4-5]。现代PWM逆变器的开关频率为几kHz到几十kHz，高开关频率产生高频共模电压和共模电流，与电机内部杂散电容耦合作用，会在轴承两端产生轴电压[6-7]。当轴电压超过油膜的击穿电压阈值时，油膜被击穿并产生放电火花，进而形成轴电流或其他类型轴电流（如高频循环轴电流、转子接地轴电流）[8-]10]。轴承电蚀会损坏轴承的金属结构和润滑油脂，加剧电机振动和噪声，显著缩短轴承和电机的运行寿命，影响系统运行的安全性和可靠性[11-12]。此外，随着碳化硅和氮化镓等新型半导体器件的应用，dv/dt的增加将进一步加剧轴承电蚀风险，缩短轴承工作寿命[13]。
为了减少停机时间及提高安全性和可靠性，需精确计算已服役轴承的剩余电寿命及全新轴承的额定电寿命。在计算过程中，轴承电蚀破坏度的评估方法尤为关键，直接影响寿命预测的准确性。目前轴承电蚀破坏度多采用振动加速度进行评估，文献[14]提取轴承振动信号时频特征跟踪轴承故障演变，通过扩展卡尔曼滤波预测轴承剩余寿命；文献[15]使用扩展卡尔曼滤波方法，基于振动信号方均根值和轴电流放电事件，预测轴承剩余寿命；文献[16]对振动信号进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）及带通滤波以提取特征，并应用域适应技术，预测轴承在多种操作条件下的剩余寿命；文献[17]基于故障轴承振动信号，改进重要性密度函数的选择和重采样平滑方法，使用增强粒子滤波预测轴承剩余使用寿命。然而，轴承电蚀故障在演化初期时振动信号的信噪比低，难以提取与电蚀直接相关的特征，导致基于振动的分析方法对早期电蚀不敏感、关联性差。这将造成预警延迟，严重降低了轴承运行的可靠性，因此，亟需一种能够对轴承早期电蚀故障进行有效诊断的新方法。
与振动信号不同，轴承的阻抗特性是其内部绝缘状态和电气特性的直接反映，对润滑脂劣化、油膜变薄及初期电蚀损伤等微观变化极为敏感。然而，当前针对轴承电特性的研究尚处于初步阶段[18-19]，并未详细分析轴承电特性的变化规律。本文的核心工作是通过系统分析运行参数（电压、频率、转速、温度）下轴承电特性的变化规律，为开发可靠的轴承早期电蚀故障在线监测与定量评估技术提供关键的理论依据和数据支撑。本文首先回顾了滚动轴承电气模型，包括电阻抗模型与击穿放电模型；其次，介绍了滚动轴承电特性实验平台及测量方法，基于实验平台测量了一种脂润滑滚动轴承在不同运行参数（转速、电压幅值、电源频率、温度等）作用下的电阻抗及击穿电阻；最后详细讨论了不同运行参数下轴承电特性变化规律，以揭示其内在机理。这些研究为后续轴承电蚀破坏度评估方法的提出奠定了基础。
滚动轴承旋转过程中，滚动体和滚道之间形成润滑油膜。轴承运行参数会改变润滑油膜状态，进而决定轴承电气状态，影响轴电压与轴电流的大小。当轴承静止或转速较低时，滚动体与内外滚道间的润滑油膜较薄，未将滚动体与内外滚道完全分开，存在金属接触，此时轴承的电气状态可描述为电阻状态；当轴承转速升高，润滑油膜将滚动体与内外滚道完全隔开，如果电场强度低于润滑油膜的击穿场强，轴承不会发生击穿放电，此时轴承的电气状态可描述为电容状态。在润滑油膜足够厚的情况下，轴承电容可近似为平板电容器[20-21]，如图1所示，极板距离等效为润滑油膜厚度h0，极板面积等效为赫兹接触面积AH，轴承电容值CB计算公式见式（1）。轴承电路模型如图2所示，图2中RB,EHL为绝缘状态下轴承内圈和外圈的等效电阻，RB为击穿状态下击穿电阻，Idis为流过击穿电阻的电流，Ib为测量轴电流。润滑油膜良好的轴承等效电路可由绝缘状态下轴承电阻RB,EHL和CB并联表示，此时开关断开，轴承阻抗Z计算公式见式（2）。
图1 轴承结构示意图
Fig.1 Bearing structure diagram
图2 轴承电路模型
Fig.2 Electrical circuit model of bearing
（1）
（2）
式中，
为真空介电常数；
为润滑脂的相对介电常数；ω=2πf，f为电源频率。
当轴电压超过润滑油膜的击穿电压阈值时，轴承发生击穿，产生轴电流，当电流密度超过某一阈值时，瞬时产生的热量会融化轴承击穿部位的金属材料，导致出现点蚀、磨砂及凹槽等损伤，缩短轴承的使用寿命。击穿发生时，图2中开关闭合，轴承工作在电阻状态，轴承击穿电阻RB远远小于绝缘状态下轴承电阻RB,EHL，RB主要取决于接触面积、接触时间等；同时开关动作代表轴承工作状态的转换，受润滑油膜厚度、电压、温度和表面粗糙度等因素影响。
对于等效击穿电阻的研究，文献[20]给出了轴承击穿电阻与击穿点数的关系，轴承击穿时随着温度升高，击穿点数增加，等效电阻减小；文献[22-23]将击穿电阻分为起始阶段电阻、稳定阶段电阻及恢复阶段电阻，并给出了各阶段等效电阻的数值计算方法。
轴承电特性测量平台由驱动电机（3相，2.2 kW，2极）、磁力联轴器、支撑轴承、电刷集电环、示波器及上位机等组成，如图3所示。测试轴承与支撑轴承分别安装在转轴两端，并用定制轴承座固定，电刷集电环安装在转轴末端用于施加和采集电信号，使用磁力联轴器连接测试轴承转轴与牵引电机转轴。磁力联轴器可实现牵引电机与测试轴承间的电隔离与振动隔离，降低牵引电机侧对测试轴承的影响。同时，使用塑胶底板实现测量轴承和地的电隔离。本平台模拟电机系统中轴承的工作状态，能够考虑轴电压幅值、转速、开关频率、温度等因素对轴承的影响。测试轴承为单列深沟球轴承，型号为SKF 6007-2Z，内径为35 mm，外径为62 mm，宽度为14 mm，润滑类型为脂润滑。
图3 轴承电特性测量平台
Fig.3 Bearing electrical characteristics measurement platform
采用信号发生器对测试轴承两端施加高频正弦电压，测试轴承两端轴电压使用电压探头测量，轴电流通过电流探头测量。将Pt100温度传感器固定在测试轴承密封圈上，监测轴承温度变化情况。测试回路使用同轴电缆，同时尽可能地缩短导线长度，以降低寄生效应对测试结果的影响。
全新测试轴承需空载运行20 h后测量轴承电特性以保证润滑脂均匀分布，并消除轴承表面可能存在的粗糙点。轴电压和轴电流测量结果如图4a所示，对轴电压及轴电流波形数据采用离散傅里叶变换，提取轴电压基波分量
和轴电流基波分量
使用欧姆定律计算轴承阻抗，轴承阻抗幅值及相角如图4b所示。
轴承阻抗Z、轴承电容CB和击穿电阻RB计算公式分别为
（3）
（4）
（5）
图4 轴电压、轴电流及轴承阻抗测量结果
Fig.4 Measurement results of bearing voltage, bearing current and bearing impedance
式中，
与
分别为击穿时轴电压与轴电流的基波分量。需要说明的是，由于击穿放电发生在轴承内部，由图2可知，实际击穿电阻中流过的电流Idis并不能通过测量得到，本文在击穿时所测轴电流为表观轴电流Ib，其大小与Idis略有不同，但能反映Idis峰值变化情况[24]。
从图4可以看出，当轴承工作在电容状态时，电流超前电压约90°；当轴承发生击穿时，轴承由电容状态转换为电阻状态，电流与电压同相位；当轴承工作状态由电阻状态向电容状态转换时，轴电压波形幅值逐渐增大，轴电流幅值逐渐减小，轴承两端再次建立电压，直到下一次击穿放电发生。
轴承在不同转速和温度作用下，工作状态的变化规律如图5～图8所示。由图5和图6可知，当轴承工作温度为22℃时，轴承绝大部分时间工作在电容状态，轴电压波形相对稳定，击穿放电次数较少。由图7、图8可知，当轴承工作温度为37℃时，低转速1 000 r/min运行情况下，轴电压接近于零，轴承更多工作在电阻状态；当转速升高至3 000 r/min时，轴承工作状态不断在电容状态和电阻状态之间切换，轴承发生多次击穿放电。导致以上现象的主要原因是：随着温度升高，润滑脂黏度下降，油膜变薄。在低转速运行（1 000 r/min）时，轴承并未建立良好的润滑油膜，轴承工作在电阻状态；随着转速升高（3 000 r/min），润滑油膜厚度增加，滚动体和滚道之间形成良好的油膜，轴承工作在电容状态。但油膜厚度小于低温下相同转速时所形成的油膜厚度，导致油膜击穿电压阈值降低，在相同电压幅值下，轴承发生击穿放电，工作状态在电容与电阻状态之间不断切换。
图5 轴电压轴电流测量波形（n=1 000 r/min，Vp-p=20 V，T=22℃，f=200 kHz）
Fig.5 The measurement waveform of bearing voltage and bearing current (n=1 000 r/min, Vp-p=20 V, T=22℃, f=200 kHz)
图6 轴电压轴电流测量波形（n=3 000 r/min，Vp-p=20 V，T=22℃，f=200 kHz）
Fig.6 The measurement waveform of bearing voltage and bearing current (n=3 000 r/min, Vp-p=20 V, T=22℃,f=200 kHz)
图7 轴电压轴电流测量波形（n=1 000 r/min，Vp-p=20 V，T=37℃, f=200 kHz）
Fig.7 The measurement waveform of bearing voltage and bearing current (n=1 000 r/min, Vp-p=20 V, T=37℃, f=200 kHz)
图8 轴电压轴电流测量波形（n=3 000 r/min，Vp-p=20 V，T=37℃，f=200 kHz）
Fig.8 The measurement waveform of bearing voltage and bearing current (n=3 000 r/min, Vp-p=20 V, T=37℃,f=200 kHz)
下文将对轴承电特性进行分析，从轴承是否发生击穿放电的角度，本文把轴承电特性分为稳态电特性与动态电特性。轴承未发生击穿放电时，认为是稳态电特性，对应于轴承电阻抗变化；轴承发生击穿放电时，认为是轴承动态电特性，主要考虑击穿电阻的变化。
轴承阻抗特性是评估轴承健康状态和性能的重要指标，运行参数变化会引起阻抗特性的改变，进而影响轴承击穿放电。为深入了解运行参数对轴承阻抗特性的影响，测量2个6007-2Z轴承在不同运行参数下阻抗特性变化规律，并将阻抗数据进行归一化处理。运行参数包括：电压峰峰值Vp-p（2 V、3 V、4 V）、电源频率f（200 kHz～1 MHz）、转速n（500～8 000 r/min）、温度T（22℃，29℃）。尽管两个轴承在归一化阻抗值上存在差异（这可能源于制造公差），但它们在所有运行参数下所表现出的阻抗变化规律基本一致。因此，为保持论述的一致性，后续的机理分析将主要基于轴承1的数据。
电压幅值大小直接影响轴电流，从而使轴承阻抗特性发生变化。图9和图10分别为轴承温度T=22℃和T=29℃时，轴承阻抗幅值随电压的变化规律。由图9可知，同一转速下，不同电压幅值作用时阻抗幅值基本保持一致。由图10可看出，当轴承转速为500 r/min，轴承电压峰峰值Vp-p=3 V、Vp-p=4 V时，轴承发生击穿放电，轴承工作状态由电容转换为电阻状态，其阻抗幅值远低于Vp-p=2 V时的阻抗幅值。在其他转速不同电压幅值下轴承阻抗幅值变化规律与图9保持一致。
图9 阻抗幅值随转速/电压变化特性（T=22℃，f=200 kHz）
Fig.9 The variation characteristics of impedance magnitude with speed/voltage (T=22℃, f=200 kHz)
图10 阻抗幅值随转速/电压变化特性（T=29℃，f=200 kHz）
Fig.10 The variation characteristics of impedance magnitude with speed/voltage (T=29℃,f=200 kHz)
由图9和图10可见，当轴承两侧电压低于润滑油膜击穿电压时，电压幅值的变化对轴承阻抗影响较小。当T=29℃时，润滑油脂黏度降低，油膜厚度更薄，导致在低速区较高电压时发生击穿放电；同时整个转速区间内，较高温度下的阻抗幅值略低于较低温度下的阻抗幅值，尤其在低转速区间更加显著，这表明温度升高会进一步降低阻抗幅值。
电机在运行过程中，转速变化会影响轴承油膜厚度及轴承电容，进而改变轴承阻抗。由图9可知，在低速时，轴承润滑油膜较薄，阻抗幅值较小；随着转速升高，润滑油膜厚度变厚且趋于稳定，阻抗增加并逐渐稳定；高速时，轴承阻抗略有降低，原因可能是高转速下润滑油膜受到剪切力的影响，导致油膜厚度略有降低。而图10在高速时轴承阻抗幅值并没有下降趋势，造成这一现象的原因为较高温度降低了轴承润滑油膜厚度，高速时产生的剪切力对油膜厚度的影响并不大。
低速时，轴承润滑油膜厚度较薄，击穿放电概率较高；高转速增加了润滑油膜厚度，降低了轴承击穿的风险，但由于高转速润滑油膜所需击穿电压阈值较高，一旦轴承两端轴电压高于击穿电压发生击穿，比低转速击穿时所释放的能量更多，可能造成更严重的电蚀损伤。
电源频率变化会影响轴承容抗，低频时，容抗较大，阻碍电流流动；高频时，容抗降低，轴承阻抗下降。由于共模电压变化率dv/dt高达kV/μs，但高电源频率会放大寄生效应对测量结果的影响，增加测量误差，综合考虑本文研究电源频率范围为200 kHz～1 MHz。图11和图12分别为轴承温度T=22℃和T=29℃时，轴承阻抗幅值随电源频率变化特性。随着频率的增加，轴承阻抗呈现明显的下降趋势，原因为容抗与频率成反比，频率增加导致容抗减小，轴承阻抗降低。在同一频率下，轴承阻抗随转速升高而增大，主要原因为转速增加使润滑油膜厚度增加，轴承电容降低，阻抗增加。相比于图11，图12的整体阻抗略低，高温会导致润滑油膜厚度变薄，导致轴承阻抗降低；同时，高温使润滑油脂电导率增加，从而使阻抗进一步下降。
图11 阻抗幅值随频率变化特性（T=22℃，Vp-p=3 V）
Fig.11 The variation characteristics of impedance magnitude with frequency (T=22℃,Vp-p=3 V)
图12 阻抗幅值随频率变化特性（T=29℃，Vp-p=3 V）
Fig.12 The variation characteristics of impedance magnitude with frequency (T=29℃, Vp-p=3 V)
当电源频率为1 MHz时，阻抗较低，从轴承本体角度，这不代表轴承击穿放电的概率增加。轴承击穿放电的前提是其工作在电容状态，且轴电压高于油膜击穿电压阈值。图13和图14为轴承在22℃和29℃不同频率下的电容值，同一转速下频率增加时，轴承电容值相对稳定，故击穿电压阈值近乎相同。虽然轴承工作在1 MHz时击穿放电的概率并未增加，但高频下阻抗降低使dv/dt轴电流（充放电电流）更容易通过轴承，虽不会引起轴承电蚀，但可能会影响润滑脂状态。图14的电容值略高于图13，原因可能是温度升高，润滑油膜黏度降低，从而使油膜厚度减小，导致轴承电容值增加。
图13 电容值随频率变化特性（T=22℃，Vp-p=3 V）
Fig.13 The variation characteristics of capacitance with frequency（T=22℃, Vp-p=3 V）
图14 电容值随频率变化特性（T=29℃，Vp-p=3 V）
Fig.14 The variation characteristics of capacitance with frequency（T=29℃, Vp-p=3 V）
当轴承两端轴电压超过润滑油膜击穿电压阈值时，轴承会发生击穿放电，产生轴电流，对轴承造成电蚀损伤，降低轴承运行寿命。为深入理解运行参数对轴承击穿放电的影响，测量不同运行参数下轴承击穿电压阈值及击穿电阻的变化规律，运行参数包括：电压峰峰值Vp-p（10 V，20 V）、电源频率f（200～1000 kHz）、转速n（1 000～6 000 r/ min）、温度T（22℃，29℃）。
轴承以设定转速运行，使其工作在电容状态，逐步增加轴承两端的激励电压，利用示波器实时观测轴承电压和电流波形，当观测到电流与电压波形变为同相位，同时伴随电流激增时，标志着油膜绝缘已被破坏，形成了导电通道，轴承的电气特性从“容性”转变为“阻性”，此时所施加的电压即为击穿电压阈值。击穿本质是作用在油膜上的电场强度已超过了润滑油膜本身的击穿场强，导致润滑油膜绝缘性能失效。测量不同温度、不同转速下的击穿电压阈值，如图15所示。由于轴承温度会随运行时间变化，从而影响润滑脂状态，测量击穿电压阈值时需严格控制轴承温度。轴承温度在22℃和29℃的条件下，随着转速从1 000 r/min逐渐增加到 6 000 r/min，击穿电压阈值呈现逐步增高的趋势，主要原因是转速升高增加了润滑油膜厚度，导致击穿电压阈值上升。在相同转速下，轴承工作温度为29℃时的击穿电压阈值低于22℃，主要原因是温度升高降低了润滑油脂黏度，使润滑油膜厚度降低，击穿电压阈值下降。对于脂润滑轴承来说，工作温度升高增加了击穿放电的概率。
图15 不同温度下击穿电压阈值随转速变化
Fig.15 The variation of breakdown voltage threshold with speed at different temperatures
图16和图17分别为轴承温度T=22℃和T=29℃时，轴承击穿电阻随电压幅值变化特性。当电压峰峰值从10 V增大到20 V时，击穿电阻明显减小。29℃工作温度下，轴承的击穿电阻略低于22℃时的值。相同油膜条件下，高电压幅值导致电场强度增加，使润滑脂局部发生更强的电离，形成电阻更低的导电通道；同时在高电压下，润滑油脂中杂质如灰尘的存在，可能会提供额外的导电路径，进一步降低击穿电阻。温度升高，整个转速区间击穿电阻略有降低，可能是润滑油黏度下降或电导率增加所致。热量会加剧润滑脂的热不稳定性，不仅加速击穿点的金属蒸发和润滑脂的热氧化降解，还会使油膜中的气体膨胀、气隙扩大，直接降低其绝缘强度。在电流作用下，润滑脂中产生的带电粒子在获得更高能量后变得更加活跃，易于形成空间电荷，引发局部电场畸变，从而显著削弱油膜的击穿强度。一旦发生初始击穿，微小的导电面积将导致电流密度激增，产生局部高温并可能形成更多的导电桥，这种热失控效最终会导致润滑脂的绝缘能力彻底失效[25]。
图16 击穿电阻随电压/转速变化特性（T=22℃，f=200 kHz）
Fig.16 The variation characteristics of breakdown resistance with voltage/speed (T=22℃, f=200 kHz)
图17 击穿电阻随电压/转速变化特性（T=29℃，f=200 kHz）
Fig.17 The variation characteristics of breakdown resistance with voltage/speed (T=29℃, f=200 kHz)
不同电压幅值和不同温度下，轴承击穿电阻随转速的变化规律如图16、图17所示。低转速（1 000 r/ min）时，击穿电阻均较小；随着转速的增加，击穿电阻增加，尤其电压峰峰值Vp-p=10 V时，击穿电阻的上升更明显；较高转速（6 000 r/min）时，击穿电阻小幅下降。低转速时，润滑油膜厚度较薄分布不均，绝缘性能较弱，击穿电阻较低；随着转速增加，能够形成良好稳定的润滑油膜，击穿电阻较高；转速进一步增加时，摩擦产生的热量可能导致油膜局部温度升高，油膜黏度下降厚度减小，导致击穿电阻出现小幅下降。
电压峰峰值Vp-p=10 V作用下，击穿电阻随频率的变化特性如图18和图19所示。可以看出，击穿电阻随频率的增加基本保持稳定，电源频率对击穿电阻的影响较小。半导体器件工作在高开关频率时所造成轴承电蚀风险增加的主要原因是，更高的开关速度导致共模电压的高频分量增加，与电机系统内部杂散电容耦合作用，产生高于润滑油膜击穿电压阈值的轴电压概率更高，从而导致轴承击穿放电风险增加。
图18 击穿电阻随频率变化特性（T=22℃，Vp-p=10 V）
Fig.18 The variation characteristics of breakdown resistance with frequency (T=22℃, Vp-p=10 V)
图19 击穿电阻随频率变化特性（T=29℃，Vp-p=10 V）
Fig.19 The variation characteristics of breakdown resistance with frequency (T=29℃, Vp-p=10 V)
本文对不同运行参数下滚动轴承的电特性进行了研究，通过滚动轴承电特性实验平台测量了电压幅值、电源频率、转速、温度对脂润滑轴承电特性的影响，总结如下：
稳态电特性：当轴电压低于击穿电压阈值时，电压的变化对轴承阻抗影响较小；温度升高，阻抗降低，润滑油膜黏度下降，低速时可能会发生击穿放电。
动态电特性：击穿电压阈值随转速的增加而增加，随温度的升高而降低；轴承电压升高，使润滑油脂局部发生更剧烈的电离，击穿电阻减小；击穿电阻随转速的增加而增加；电源频率对击穿电阻的影响较小；当轴电压高于润滑油膜击穿电压阈值时，更高工作温度使轴承更多时间工作在电阻状态，恢复电容的能力下降。当油膜完全建立时，温度升高会增加轴承电蚀风险。
本文系统地揭示了运行参数对阻抗的影响，为构建基于轴承电特性的脂润滑轴承电蚀故障诊断与预测方法奠定了理论基础。本文下一步工作将聚焦于测试更多轴承类型，并将参数范围扩展至更极端工况，以构建完备的阻抗数据库；同时通过电应力加速实验，揭示轴承电特性随电蚀时间的演化规律，深入分析损伤机理。
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Abstract With the widespread application of power electronics technology in modern variable-frequency drive systems, bearing electrical erosion damage caused by motor bearing voltage and bearing current induced by frequency converters has become one of the primary causes of bearing failure. Currently, the assessment of bearing electrical erosion severity still heavily relies on vibration data. However, the correlation between vibration data and the extent of electrical erosion damage is weak, often requiring the presence of significant damage such as grooves on the bearing for effective detection, making early warning challenging. In contrast, electrical characteristic parameters such as bearing impedance, breakdown voltage threshold, and breakdown resistance can directly reflect the internal insulation condition and electrical performance of the bearing, exhibiting high sensitivity to micro-level changes such as lubricant degradation, oil film thinning, and initial-stage electrical erosion. Nevertheless, current research on bearing electrical characteristics remains in its preliminary stages, and the variation patterns of these parameters have yet to be systematically analyzed.
This study established an experimental platform for measuring the electrical characteristics of rolling bearings. The variations in electrical characteristics of two SKF 6007-2Z grease-lubricated bearings under different operating parameters, including voltage amplitude, power frequency, rotational speed, and temperature, were measured, and the underlying causes were analyzed. The research findings are as follows: In terms of steady-state electrical characteristics, when the bearing voltage is below the breakdown voltage threshold, voltage variations have a minimal effect on bearing impedance. At low speeds, the lubricating oil film is thin, resulting in lower impedance amplitude. As the rotational speed increases, the oil film thickness increases and stabilizes, leading to a corresponding rise in impedance which gradually plateaus. At high speeds, impedance slightly decreases due to the weakening effect of shear forces on the oil film. An increase in temperature reduces grease viscosity and thins the oil film, resulting in lower impedance and potentially triggering breakdown discharge under low-speed conditions. Regarding dynamic electrical characteristics, the breakdown voltage threshold increases with higher rotational speed and decreases with rising temperature. An increase in bearing voltage intensifies the local ionization of the lubricating grease, leading to a reduction in breakdown resistance. At low rotational speeds, the oil film is thin and unevenly distributed, with weaker insulating properties, resulting in lower breakdown resistance. As rotational speed increases, a stable lubricating oil film forms, leading to higher breakdown resistance. When rotational speed increases further, frictional heating may cause localized temperature rise in the oil film, reducing viscosity and thinning the film, which results in a slight decrease in breakdown resistance. For a single bearing, the influence of power frequency on its breakdown resistance is negligible. When the bearing voltage exceeds the oil film breakdown voltage threshold, higher operating temperatures prolong the time the bearing remains in a resistive state, impairing its ability to recover capacitance. In summary, when the oil film is well-established, an increase in temperature increases the risk of electrical erosion of the bearing.
This study systematically reveals the influence patterns of operating parameters on bearing impedance, laying a theoretical foundation for constructing electrical characteristic-based diagnostic and predictive methods for electrical erosion faults in grease-lubricated bearings.
Keywords：Grease lubricated rolling bearings, electrical erosion damage, bearing impedance, breakdown resistance, electrical characteristics measurement
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250419
中图分类号：TM303
辽宁省科技计划联合计划资助项目（2023JH2/101700266）。
收到日期 2025-03-17
改稿日期 2025-09-13
张殿海 男，1984年生，教授，博士生导师，研究方向为电工理论与新技术，电气可靠性与优化设计等。E-mail：zhangdh@sut.edu.cn（通信作者）
迟连强 男，1995年生，博士研究生，研究方向为电工装备电磁场理论与数值计算、轴承电损伤等。E-mail：1281526262@qq.com
（编辑 郭丽军）