Захист від пошкоджень підшипника, спричинених проходженням електричного струму
Штайр, Австрія, березень 2015 року.Електрично підшипники кочення підшипники мають електричну ізоляцію, яка вбудована в підшипник, що забезпечує надійний захист від проходження струму та електричної корозії. Типовими сферами застосування є електродвигуни, генератори та інші електричні машини. Австрійський виробник NKE Austria GmbH пропонує електричні підшипники кочення в декількох версіях. У цій статті Клаус Гріссенбергер, інженер-прикладник із NKE, пояснює причини проходження електричного струму через підшипники кочення, симптоми пошкодження та контрзаходи, властивості та виробничі процеси електрично ізольованих підшипників.
Шаровий підшипник з глибоким канавком NKE SQ77E з ізоляцією на внутрішньому кільці.
Різниця електричного потенціалу між зовнішнім і внутрішнім кільцем підшипника кочення може призвести до пошкоджуючого електричного струму, який назавжди пошкодить доріжки підшипника і погіршить його ходові характеристики. Поточний струм призводить до електричного розряду в зоні контакту між елементами кочення та внутрішнім чи зовнішнім кільцем. Це, у свою чергу, спричиняє локальне танення поверхонь. Результат: викид, перенесення матеріалів та локальні мікроструктурні пошкодження через термічне напруження. Принаймні дуже тонкий шар еродованої поверхні повторно твердне, що робить його надзвичайно твердим і схильним до розтріскування. Цей процес називається електричною корозією і часто впливає на підшипники в електромеханічних областях, таких як генератори та електродвигуни, а також машини, що працюють від електродвигунів, таких як насоси та редуктори. Крім того, електричний розряд робить мастило марним. Базова олія та добавки, що містяться в мастильному матеріалі, окислюються, в результаті чого утворюється характерний чорний колір мастила. Передчасне старіння назавжди погіршує здатність мастила утворювати розділовий шар між металевими поверхнями. Пошкоджені функціональні поверхні підшипника і втрата мастила призводять до швидкої втрати функціональності підшипника.
Можливі причини небажаного проходження електричного струму через підшипники кочення
Рис. 1а
Рис. 1б
Поточний прохід призвів до утворення кратерів / флейт на внутрішній кільцевій доріжці (рис. 1, а) і бічній поверхні кочення елементів (рис. 1, б) циліндричного роликового підшипника.
Основні причини поточного розряду відомі. Асиметрії в магнітному потоці електричної машини спричиняють низькочастотну напругу між валом і корпусом, що призводить до потоку струму через підшипники кочення. Таке проходження струму також може бути результатом використання незахищених несиметричних електричних кабелів, якщо заземлення машини неефективне. Інша причина - використання перетворювачів частоти: Принцип роботи багатьох перетворювачів частоти заснований на модуляції ширини імпульсів (ШІМ) і генерує високочастотну загальну напругу, що також призводить до проходження струму через підшипники кочення. Нарешті, також можлива причина електростатичного зарядження валу та корпусу з подачею розряду через підшипники кочення.
Симптоми пошкодження та можливі заходи протидії
Типовими ознаками електричної корозії є сірі, затьмарені доріжки на дорожніх доріжках та на поверхнях котячого елемента. Кратери розплаву (рис. 1а та 1б) або маховик також помітні, головним чином на поверхнях доріжок. Пошкодження внаслідок струму розряду зазвичай проявляються у підвищеному шумі ходу.
Щоб запобігти пошкодженню такого типу, доцільно ізолювати крісло підшипника в корпусі або на валу. Однак це тягне за собою додаткові проектні заходи навколишніх частин. Просте, економічне рішення в цьому випадку - використовувати підшипники кочення з електричною ізоляцією від NKE. Оскільки основні розміри та дані про експлуатацію ізольованих підшипників ідентичні характеристикам відповідних неізольованих моделей, зміни в загальній конструкції не потрібні.
Електроізольовані підшипники - властивості та застосування
Підшипники з електроізоляцією від NKE, позначені суфіксом SQ77, забезпечені оксидним керамічним шаром ізоляції. Огляд різних варіантів конструкції шару утеплювача наведено в таблиці. Підшипники кочення під електричну ізоляцію від NKE мають такі самі зовнішні розміри та технічні характеристики, що й відповідні неізольовані типи.
Найважливішими перевагами цих підшипників є більш висока експлуатаційна надійність, що забезпечується оптимальним захистом від електричної корозії. Підшипники з електроізоляцією коштують дешевше, ніж, наприклад, нанесення ізоляції на кожухи або вали. Вони взаємозамінні зі звичайними підшипниками, оскільки мають однакові ключові розміри та технічні характеристики. Вони також пропонують знижений ризик пошкодження, а отже, і довший термін експлуатації, ніж звичайні підшипники при використанні в електричних машинах. При правильному поводженні з підшипниками з електричною ізоляцією немає ризику пошкодження покриття.
Основний асортимент підшипників з електроізоляцією складається з циліндричних роликових підшипників і кулькових підшипників з глибоким канавкою, але всі інші типи підшипників також можуть бути електрично ізольовані. Області застосування включають тягові двигуни залізничних транспортних засобів, електродвигуни та генератори, особливо в поєднанні з перетворювачами частоти перемикання швидкості.
Процес виробництва та принцип роботи електрично підшипників кочення
Для підшипників з електричною ізоляцією від NKE ізоляційний шар наносять на зовнішнє кільце (SQ77 або SQ77C - рис. 2а) або на внутрішнє кільце (SQ77E або SQ77H - рис. 2, б) плазмовим напиленням, технологією тонкої плівки. Під час розпилення плазмою між двома електродами з відповідним подачею газу створюється електрична дуга. Плазмовий струмінь служить носієм середовища для нанесення порошку оксиду алюмінію (Al2O3) або на зовнішнє, або на внутрішнє кільце з великою швидкістю. Для отримання оптимального захисту оксидний шар також покриває бічні грані розпилених кілець. На наступному етапі процесу шар ущільнюють, щоб запобігти будь-якому проникненню вологи.
2а Рис. 2б
Рис. 2a та 2b: для підшипників з електричною ізоляцією від NKE ізоляційний шар наносять на зовнішнє кільце (SQ77 або SQ77C - рис. 2а) або на внутрішнє кільце (SQ77E або SQ77H - рис. 2, б) плазмовим напиленням, тонко- технологія фільму.
Фізичний вплив ізоляційного шару залежить від частоти напруги, яка викликає шкідливі струми в підшипниках. У разі напруги постійного струму, підшипник з ізоляцією має омічний опір. Чим більший цей опір, тим менший електричний струм. Значення опору ізольованих підшипників перевищує 50 МОм, що обмежує електричний струм до рівня, який не може пошкодити підшипник.
У разі змінного струму ємнісний характер ізольованого підшипника є вигідним. Потім підшипник поводиться приблизно так само, як паралельний ланцюг, що складається з резистора і конденсатора з частотно-залежним опором, що називається імпедансом. Імпеданс визначає величину змінного струму, який протікає через підшипник для заданих значень напруги та частоти. І тут імпеданс повинен бути максимально високим, щоб зменшити струм до рівня, який не може пошкодити підшипник.
Для досягнення високих значень опору опір ізоляційного шару повинен бути високим, а його ємність повинна бути низькою. Цього можна досягти, зробивши ізоляційний шар максимально товстим і зменшивши загальну площу поверхні ізоляції. При перенесенні на підшипники це означає, що цей шар бажано нанести на отвір внутрішнього кільця. Однак покриття зазвичай наносять на зовнішній діаметр з міркувань витрат і через обмеження технологічного процесу. У більшості випадків це все ж призводить до більш ніж достатнього захисту від пошкоджень від електричної корозії. Ще одна важлива властивість покриття - його діелектрична міцність. Залежно від їх версії, підшипники NKE мають діелектричну міцність не менше 1000 В або 2000 В.
Автор:
Клаус Гріссенбергер, інженер-приклад, NKE Austria GmbH.
Таблиця:
Огляд варіантів конструкції підшипників кочення NKE з електроізоляцією:
| Суфікси NKE | SQ77 (стандарт) | SQ77C | SQ77E | SQ77H |
| Ізоляція на | зовнішнє кільце | внутрішнє кільце | ||
| Напруга пробою | GG gt; 1000 В | GG gt; 2000 V | GG gt; 1000 В | GG gt; 2000 V |
| Типи підшипників | Кулькові підшипники з глибоким канавкою, циліндричні роликові підшипники (подальші типи, будь ласка, запитайте) | |||
| Розміри підшипників | Зовнішній діаметр D 90 ≤ D ≤ 500 (для D=1000 мм, будь ласка, запитайте) | Вузькі або однорядні підшипники діаметром отвору d 75 ≤ d ≤ 150 Прикордонне відношення діаметра отвору d до ширини Bd> 3 ∙ B | ||
| Широкі або дворядні підшипники діаметром отворів d 150< d="" ≤=""> Діапазон ширини20<><> | ||||
Інформація про компанію:
NKE Austria GmbH - виробник підшипників зі штаб-квартирою в м. Штайр, Австрія. Компанія з приблизно 140 працівниками була заснована в 1996 році групою старших працівників колишньої компанії Steyr Wälzlager. NKE виробляє стандартні та спеціальні підшипники для всіх промислових застосувань. Інжиніринг, розробка продукції, виробництво та остаточна обробка компонентів, модульна збірка, забезпечення якості, логістика, продаж та маркетинг - централізовані в штаб-квартирі NKE в Штайрі, Австрія. Фабрика в Штейрі сертифікована за стандартами ISO 9001: 2008, ISO 14001: 2004 та OHSAS 18001. Широкий асортимент стандартних підшипників випускається на складі або в короткі терміни виготовлення. NKE також пропонує спеціалізовані продукти та рішення. На додаток до розробки продуктів та інженерії прикладних програм NKE надає повний спектр технічних, консультаційних, документаційних та навчальних послуг. Продукція NKE розповсюджується через 15 міжнародних представництв та понад 240 торгових точок у 60 країнах.