Izolace ložisek zabraňuje jejich poškození průchodem elektrického proudu

Zabránění poškození elektrickým proudem

Izolovaná ložiska jsou odolnější proti předčasnému selhání způsobenému bludnými proudy. Izolační vlastnosti musí zůstat stabilní bez ohledu na okolní podmínky – především při skladování, manipulaci a provozu ložisek ve vlhkém prostředí.

Autor:
Karl Preis, specialista na technologie povlakování, SKF Österreich AG, Steyr, Rakousko

Ložiska INSOCOAT

Proč izolovaná ložiska? K poškození ložisek může dojít při průchodu elektrického proudu místem valivého styku, které tvoří vodivou cestu.

V současné době je k dispozici nespočet publikací, které se zabývají touto otázkou a diskuzí prvotní příčiny a vhodných opatření, např. [1, 2, 3, 4].

Režim mazání ložiska určuje elektrické chování v místě valivého styku a možné následky.

Ve vodivém stavu se ložisko nachází v klidu a má nízký odpor. Vzhledem k poměrně dobrému vodivému spojení kov na kov mohou povrch oběžných drah poškodit pouze proudy s vysokou intenzitou, jako např. svařovací proudy.

Odporový stav nastává v případě, že se ložisko nachází v režimu smíšeného mazání se zvýšeným ohmickým odporem. V tomto režimu mohou být nebezpečné nízké proudy v řádu několika ampér.

V kapacitantním stavu je vytvořen souvislý mazivový film, který se chová jako dielektrikum v kondenzátoru se specifickým průrazným napětím. Jestliže intenzita působícího elektrického pole v mazivovém filmu v místě styku je dostatečně vysoká (vyšší než prahová hodnota), dochází ke vzniku elektrických výbojů, tzv. proudům EDM (electric discharge machining = elektrojiskrové obrábění).

Oběžná dráha vnějšího kroužku kuličkového ložiska s matnou stoupou chodu

Obr. 1: Oběžná dráha vnějšího kroužku kuličkového ložiska s matnou stoupou chodu (mikrokrátery) z důvodu průchodu škodlivého elektrického proudu.

Všem případům poškození je společné, že ve stykové ploše dojde k místnímu roztavení a vlastnosti oceli v tomto místě se změní. Navíc se mohou změnit vlastnosti maziva. To má negativní vliv na výkonnost ložiska, protože dojde k poškození oběžné dráhy a maziva, a v důsledku toho ke zvýšenému opotřebení a vibracím ložiska. Účinek proudů EDM, který se projevuje vznikem kráterů, zachycují obr. 1 a 2. Mikrokrátery vznikají působením vysokofrekvenčních proudů v ložisku. V současné době se poškození tohoto druhu projevuje nejčastěji v zařízeních, která jsou vybavena frekvenčními měniči. Jednou z možností, jak zamezit destruktivním vlivům škodlivých elektrických proudů, je použití izolace, která tvoří součást ložiska.

SEM obrázek povrchu oběžné dráhy ložiska ve velkém zvětšení ukazuje mikrokrátery způsobené průchodem škodlivého proudu

Obr. 2: SEM obrázek povrchu oběžné dráhy ložiska ve velkém zvětšení ukazuje mikrokrátery způsobené průchodem škodlivého proudu: (1) stopy broušení na povrchu, (2) mikrokrátery.

INSOCOAT – ložisko se žárově stříkaným povlakem, který je jeho součástí

ložiska SKF INSOCOAT jsou ložiska opatřená elektroizolačním povlakem na vnějším povrchu vnějšího nebo vnitřního ložiskového kroužku, který zajišťuje elektroizolační vlastnosti ložiska. Povlak je vyroben z oxidů keramické povahy (obr. 3) a je nanesen na ložisko žárovým stříkáním. Nejčastěji se používá čistý Al2O3. V některých případech, kdy jsou požadovány jiné elektrické a mechanické vlastnosti výsledných povlaků [5, 6], se rovněž používá směs oxidů. V průběhu stříkání jsou částice oxidů unášeny proudem horkého plazmatu, v němž dochází k jejich roztavení. Horký plyn neboli plazma dopraví roztavené částice na předem upravený podklad, na němž vychladnou a vytvoří požadovaný povlak.

Ložiska INSOCOAT

Obr. 3: Ložiska INSOCOAT – předcházející generace vlevo (šedá barva); nová generace vpravo (tmavošedá barva).

Po nastříkání se na povlaku nachází určitý počet otevřených a vzájemně propojených pórů, což je běžné v případě žárově stříkaných povlaků. Množství a vzhled pórů závisí převážně na procesních parametrech stříkání povlaku. Je jasné, že uzavření pórů – „utěsnění“ – má zásadní vliv na proces žárového stříkání. Snižuje riziko vzniku koroze, zlepšuje mechanické vlastnosti a zajišťuje konstantní izolační vlastnosti, což je velmi důležité ve vlhkém prostředí.

Průřez povlakem INSOCOAT na vnějším ložiskovém kroužku

Obr. 4: Průřez povlakem INSOCOAT na vnějším ložiskovém kroužku: (1) ložisková ocel, (2) žárově stříkaný povlak, (3) rozhraní povlaku

Obr. 5 ukazuje příklad uzavřených pórů: typický pór je propojen s menšími póry v žárově stříkaném povlaku. Příslušná literatura se zabývá mnoha různými postupy uzavření pórů [5, 6, 7]. V případě elektroizolačních žárově stříkaných povlaků je nejvhodnější použít k uzavření pórů tmel. Možné materiály pro utěsnění pórů mají různé vlastnosti z hlediska viskozity, teploty vytvrzení, průběhu odpařování, smrštění atd. Celý proces – žárové stříkání a utěsnění pórů – je nutno důkladně posoudit, aby bylo možné dosáhnout požadovaných vlastností povlaku.

Mikrostruktura žárově stříkaného povlaku na snímku z rastrovacího elektronového mikroskopu

Obr. 5: Mikrostruktura žárově stříkaného povlaku na snímku z rastrovacího elektronového mikroskopu – uzavřené póry v izolačním povlaku (1) oxidy, (2) uzavřené póry.

Předcházející generace INSOCOAT – nedostatky a řešení

Ve velkém počtu aplikací, které pracují ve velmi horkých a vlhkých klimatických podmínkách, byly zjištěny u předcházející generace ložisek INSOCOAT nízké hodnoty izolačního odporu. Odpor elektrických izolantů je vždy výsledkem kombinace povrchové a objemové rezistivity [8]. Obě hodnoty závisejí kromě základních materiálových vlastností také na vlhkosti a teplotě. Zatímco povrchová rezistivita reaguje okamžitě na změnu klimatických podmínek, objemová rezistivita se mění v průběhu delší doby. Pokud se izolační vlastnosti nacházejí mimo požadovaný rozsah, je nutno zlepšit celý systém izolačního povlaku [5, 6, 7].

Výsledky zkoušek elektrických izolačních vlastností při přímém působení vody

Obr. 6: Výsledky zkoušek elektrických izolačních vlastností při přímém působení vody; střední hodnoty.

Testy s ložisky opatřenými předcházející generací odporu povlaku INSOCOAT a analýza elektrického odporu INSOCOAT při přímém kontaktu s vodou (jednička v horním indexu) potvrdily problémy zjištěné v běžném provozu1. Ukázalo se, že povlak absorbuje vodu při dlouhodobém působení, avšak je to vratný proces a voda se při sušení uvolní. Vzhledem k tomu, že k poklesu odporu dochází v průběhu delší doby, byly vyloučeny jako prvotní příčina povrchové proudy, otevřené póry a trhliny. Prvotní příčinou musí být tedy materiál povlaku, oxid a/nebo vlastní těsnicí hmota. Z toho důvodu byly zahájeny rozsáhlé výzkumy a zkoušky. Bylo nutné vyhodnotit různé kombinace povlaků a těsnicích materiálů, aby bylo možné najít vhodné řešení. Např. byly testovány různé práškové materiály pro žárové stříkání, těsnicí materiály, vytvrzovací procesy a postupy žárového stříkání. První vyhodnocení bylo provedeno výše uvedeným postupem na základě přímého kontaktu s vodou. Ačkoli tento test představuje nerealistické podmínky (ve skutečných podmínkách není ve vodě ponořeno ložisko ani motor), přesto poskytuje rychlou a přesnou informaci o vhodnosti či nevhodnosti materiálu. Některé výsledky zkoušek vhodných (V1 a V2) a nevhodných příkladů (V3) ukazuje obr. 6. Zjištěné výsledky jsou vždy porovnány s ložisky INSOCOAT předcházející generace. V2 se stal nejlepším kandidátem pro novou generaci povlaků INSOCOAT.

Výsledky testů izolace v namontovaném stavu

Obr. 7: Výsledky testů izolace v namontovaném stavu – porovnání předcházející generace a nové generace ložisek INSOCOAT; při kontrolovaných podmínkách v klimatické komoře.

Nová generace ložisek INSOCOAT

Obr. 7 ukazuje elektrické vlastnosti ložisek INSOCOAT nové generace ve srovnání s předcházející generací ve skutečných podmínkách. To znamená, že ložiska jsou namontována stejně jako v běžném provozu a jsou vystavena působení různých podmínek v klimatické komoře. Měřicí sestavu zachycuje obr. 8. Obrázek ukazuje, že nový povlak INSOCOAT je mnohem méně citlivý na vlhkost než ložiska předcházející generace.

Závěr – nová generace ložisek INSOCOAT

Ložiska INSOCOAT nové generace byla optimalizována pro zajištění vysokého a stabilního elektrického odporu i ve velmi vlhkém prostředí. Pro ověření byly zvoleny také simulované extrémní klimatické podmínky. Kromě zde uvedených údajů byly kontrolovány a ověřovány také další parametry, jako např. chování při nízkých a vysokých teplotách (–40 °C až do +150 °C), mechanické chování (přilnavost povlaku, namáhání při montáži/demontáži, odolnost proti rázům), chování při vysokém napětí až do 6 kV DC a kompatibilita s médii.

Montážní podmínky a princip měření

Obr. 8: Montážní podmínky a princip měření

Dokonce při relativní vlhkosti větší než 90 % a teplotě 30 °C zůstává ohmický odpor testovaného ložiska 6316/C3VL0241 vyšší než 2000 MΩ, zatímco odpor předcházejícího provedení klesl na cca 50 MΩ.

1 Voda o určité vodivosti

INSOCOAT je registrovaná ochranná známka skupiny SKF Group.

Obchodní kontakty

evolution@skf.com

Odkazy
[1] Preisinger G.: Prevention of electric erosion in bearings, SKF Evolution, #2-2001 (http://evolution.skf.com/prevention-of-electric-erosion-in-bearings/)
[2] Mütze A.: Bearing currents in inverter-fed AC-motors, TU Darmstadt, 2004
[3] SKF, Bearing damage and failure analysis, PUB BU/13 14219 EN, 2014
[4] ISO 15243, Rolling bearings – damage and failures – terms, characteristics and causes, second edition, 2017
[5] Fauchais P.L.: Thermal Spray Fundamentals, Springer, 2014
[6] Pawlowski L.: The science and engineering of thermal spray coatings, Wiley, 2008
[7] Knuuttila J.: Sealing of thermal spray coatings by impregnation, ASM, 1999
[8] IEC 62631-3-3: Dielectric and resistive properties of solid insulating materials – Part 3-3: Determination of resistive properties (DC methods) – Insulation resistance, 2015

Související obsah