Изоляция подшипника предотвращает повреждения, вызванные электротоком

Защита от воздействия электротока

Электроизоляция позволяет избежать преждевременных отказов подшипников, вызванных прохождением паразитных электрических токов. Изоляционные свойства должны оставаться стабильными независимо от условий окружающей среды, особенно при транспортировке, хранении и эксплуатации во влажном климате.

Автор:
Карл Прайс, специалист по технологии покрытий, SKF Österreich AG, г. Штайр, Австрия

Подшипники с покрытием INSOCOAT

Назначение подшипников с электроизоляцией
Прохождение электрических токов через контакт качения может привести к повреждению подшипника.

Это явление, его основные причины и меры по его устранению описаны в многочисленных публикациях (см. список литературы [1, 2, 3, 4]).

Трибологические условия в подшипнике определяют электрические свойства контакта качения и возможный результат такого воздействия.

В токопроводящем состоянии подшипник неподвижен и имеет низкое сопротивление. Вследствие относительно хорошего электрического контакта между металлическими компонентами разрушить поверхность дорожки качения способны только очень большие токи, например, при сварке.

Резистивное состояние возникает, когда подшипник находится в режиме смешанного трения с повышенным сопротивлением. При этом опасность могут представлять и слабые электрические токи.

При ёмкостном состоянии в подшипнике образуется полноценная смазочная плёнка и он действует, как электрический конденсатор с определённым напряжением пробоя. Если образующееся электрическое поле смазочной плёнки в зоне контакта достаточно сильное (выше порогового значения), возникают электрические разряды, называемые токами электроискровой обработки (EDM).

Дорожка качения наружного кольца радиального шарикоподшипника со следами повреждений

Рис. 1: Дорожка качения наружного кольца радиального шарикоподшипника со следами повреждений (микрократерами), вызванными прохождением электротока.

В случае повреждения зона контакта дорожки качения оплавляется, что приводит к изменению свойств стали Это может привести к изменению свойств смазочного материала. Результат воздействия токов электроискровой обработки в виде микрократеров представлен на рис. 1 и 2. Микрократеры появляются при прохождении через подшипник высокочастотных токов. Такие повреждения чаще всего наблюдаются в оборудовании, где используются преобразователи частоты. Одним из способов борьбы с разрушающим воздействием электротоков является использование подшипников с электроизоляционными свойствами.

Поверхность дорожки качения подшипника с микрократерами

Рис. 2: Поверхность дорожки качения подшипника с микрократерами, вызванными прохождением токов, под растровым микроскопом: (1) следы финишной обработки поверхности, (2) микрократеры.

INSOCOAT – подшипник с термически напыляемым покрытием

Покрытие SKF INSOCOAT на наружных поверхностях наружного или внутреннего кольца придаёт подшипнику электроизоляционные свойства. Материалом покрытия является оксидная керамика (рис. 3), которая наносится на подшипник методом термического напыления. Наиболее широко используется чистый Al2O3. Иногда применяются оксидные смеси из-за необходимости придания покрытию различных электрических и механических свойств [5, 6]. В процессе напыления частицы оксида переносятся в потоке плазмы, в котором они расплавляются. Такой нагретый газовый или плазменный поток переносит расплавленные частицы на предварительно обработанную основу, где они застывают, формируя необходимое покрытие.

Подшипники INSOCOAT

Рис. 3: Подшипники INSOCOAT. Слева (светло-серый) – покрытие предыдущего поколения; справа (тёмно-серый) – покрытие нового поколения.

После напыления в покрытии образуется определённое количество открытых и соединённых друг с другом пор. Степень и характер пористости в значительной степени зависят от параметров процесса напыления. Очевидно, что закрытие, «герметизация» пор при термическом напылении является крайне важным фактором, который позволяет снизить риск коррозии и улучшить механические свойства. Кроме того, он способствует поддержанию стабильности изолирующих свойств, что очень важно для условий влажного климата.

Покрытие INSOCOAT на наружном кольце подшипника в разрезе

Рис. 4: Покрытие INSOCOAT на наружном кольце подшипника в разрезе: (1) подшипниковая сталь, (2) термически напыляемое покрытие, (3) граница покрытия.

На Рис. 5 приведён пример закрытой пористости – типичная пора в термически напылённом покрытии, соединяющаяся с более мелкими порами. В литературе [5, 6, 7] уже обсуждалось множество различных способов герметизации пор. Для электроизолирующих покрытий с термическим напылением наиболее практичной является герметизация с помощью органических герметиков. Возможные герметизирующие составы имеют различные свойства – вязкость, температуру отвердевания, усадку, показатели испарения и т. д. Чтобы получить покрытие с нужными свойствами, следует детально изучить весь процесс термического напыления и герметизации.

Микроструктура напылённого материала под растровым электронным микроскопом

Рис. 5: Микроструктура напылённого материала под растровым электронным микроскопом – закрытая пористость изолирующего покрытия: (1) оксидный материал, (2) закрытые поры.

Подшипники INSOCOAT предыдущего поколения – недостатки и способы их устранения

У подшипников INSOCOAT предыдущего поколения были выявлены низкие значения сопротивления изоляции в ряде областей применения в жарком и влажном климате. Общее сопротивление электроизоляционного материала всегда складывается из поверхностного и объёмного сопротивления [8]. Помимо основных свойств материала, обе составляющие сопротивления зависят от влажности и температуры. Поверхностное сопротивление незамедлительно реагирует на изменение климатических условий, при этом объёмное сопротивление меняется в течение более длительного времени. Если электроизоляционные свойства выходят за рамки допустимого диапазона, необходимо усовершенствование всей системы изоляционного покрытия [5, 6, 7].

Результаты испытаний электроизоляционных свойств при непосредственном контакте с водой

Рис. 6: Результаты испытаний электроизоляционных свойств при непосредственном контакте с водой (усреднённые значения).

Эксперименты, проведённые на подшипниках INSOCOAT предыдущего поколения, подтвердили наличие проблем в этой области благодаря анализу электрического сопротивления INSOCOAT при непосредственном контакте с водой1. Выяснилось, что при длительном контакте покрытие впитывает влагу, при этом такой эффект полностью обратим после сушки. В связи с тем, что падение сопротивления развивается на протяжении длительного времени, поверхностные токи, открытая пористость или трещины не рассматривались в качестве основной причины. Следовательно, причина должна быть в материале покрытия, оксиде и/или герметизирующем составе. Такой вывод послужил основой для проведения ряда обширных исследований и испытаний. Для поиска решения было необходимо проанализировать различные покрытия и технологии герметизации. Например, были проведены испытания в отношении различных напыляемых порошковых материалов, герметизирующих составов, процессов отвердевания и технологий напыления. В первую очередь анализ проводился, как упоминалось выше, при непосредственном контакте с водой. Хотя подобное испытание моделирует условия, которые не встречаются на практике (в реальном оборудовании подшипник или электродвигатель не погружаются в воду), они позволяют очень быстро получить результат, говорящий о возможном успехе или неудаче. Примеры некоторых успешных (V1 и V2) и неудачных результатов (V3) представлены на рис. 6 (в сравнении с подшипником INSOCOAT предыдущего поколения). Вариант V2 оказался наиболее перспективным для нового поколения подшипников.

Результаты электроизоляционных испытаний подшипников в смонтированном состоянии

Рис. 7: Результаты электроизоляционных испытаний подшипников в смонтированном состоянии – сравнение подшипников INSOCOAT нового и предыдущего поколений (при изменяющихся условиях в камере для климатических испытаний).

Подшипники INSOCOAT нового поколения

На Рис. 7 представлены результаты электроизоляционных испытаний подшипников INSOCOAT нового поколения в сравнении с предыдущим вариантом в реальных условиях эксплуатации. Подшипники устанавливались точно так же, как это происходит в реальной ситуации, и подвергались воздействию изменяющихся условий в камере для климатических испытаний. Принцип измерения показан на рис. 8. Было установлено, что новый вариант подшипника INSOCOAT гораздо менее чувствителен к влажности, чем подшипники предыдущего поколения.

Подшипники INSOCOAT нового поколения – выводы

Подшипники INSOCOAT нового поколения обладают более высоким сопротивлением и более стабильными электроизоляционными свойствами даже в условиях очень высокой влажности. Испытания подшипников предусматривали в том числе и моделирование экстремальных климатических условий. Помимо данных, приведённых в настоящей статье, испытания предусматривали проверку других параметров, таких как эксплуатационные характеристики в условиях низких и высоких температур (от –40 до +150 °C), механические свойства (адгезия покрытия, нагрузки при монтаже и демонтаже, ударопрочность), способность выдерживать высокое напряжение (до 6 кВ пост. тока) и совместимость с различными средами.

Условия монтажа и принцип измерения

Рис. 8: Условия монтажа и принцип измерения.

Даже при относительной влажности более 90 % при 30 °C сопротивление подвергнутого испытаниям подшипника 6316/C3VL0241 сохранялось на уровне выше 2000 МОм, тогда как для подшипников предыдущего поколения оно падало почти до 50 МОм.

1 Вода с определённой электропроводностью

INSOCOAT – зарегистрированный товарный знак SKF Group.

ОБРАТИТЬСЯ В ОТДЕЛ СБЫТА

evolution@skf.com

Список литературы
[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

Материалы по теме