Lagerisolation förebygger strömskador

Lagerisolation förebygger strömskador

Isolerande lager förhindrar läckströmmar som annars kan orsaka förtida lagerhaverier. Lagrets isolerande egenskaper måste förbli stabila oavsett miljöförhållanden, särskilt om lagren förvaras, hanteras och används i fuktiga klimat.

Författare:
Karl Preis, expert på beläggningsteknik, SKF Österreich AG, Steyr, Österrike

INSOCOAT-lager

Varför isolerande lager?
Lagerskador kan uppstå om elektriska strömmar passerar via rullningskontakten.

Ett antal publikationer diskuterar denna fråga, inklusive fenomenets grundorsaker och möjliga motåtgärder – till exempel [1, 2, 3, 4].

Ett lagers tribologiska förhållanden kan vara avgörande för rullningskontaktens elektriska uppträdande och eventuella konsekvenser av detta.

Ett lager i stillastående tillstånd är fullt konduktivt, dvs. ~0 Ohm mellan inner- och ytterring. Genom den goda elektriska metall-metall-kontakten kan bara mycket höga strömstyrkor, t.ex. svetsströmmar, skada löpbanornas ytor.

Resistivt, 0 < R < ∞, tillstånd har lagret vid blandfilmssmörjning. I detta tillstånd kan även små elektriska strömmar – några få ampere – ge upphov till skador.

I det kapacitiva tillståndet har lagret fullfilmssmörjning och fungerar som en elektrisk kondensator med en specifik genomslagsspänning. Om den applicerade elektriska fältstyrkan över smörjfilmen i kontaktzonen är tillräckligt hög (över tröskelvärdet) kommer elektriska urladdningar att uppstå. Dessa kallas EDM-strömmar (gnisterosion).

Ytterringens löpbana i ett spårkullager

Fig. 1: Ytterringens löpbana i ett spårkullager med ett frostat spår (mikrokratrar) som uppstått på grund av passage av skadlig elektrisk ström.

Gemensamt för alla skademekanismer är att löpbanans kontaktområde smälter lokalt och att materialets egenskaper i det aktuella området förändras. Dessutom kan smörjmedlets egenskaper förändras. Detta har sammantaget negativ inverkan på lagrets prestanda i form av löpbane- och smörjmedelsskador, och resulterar i ökad förslitning och förhöjda vibrationsnivåer. Inverkan av EDM-strömmar, vilken syns som mikrokratrar, visas i figurerna 1 och 2. Mikrokratrar beror på högfrekventa lagerströmmar. Denna typ av skador är vanligast i utrustning som matas av frekvensomriktare. En lösning för att motverka de möjliga skadliga verkningarna av elektriska strömmar är att använda elektrisk isolation integrerad i lagret.

SEM-bild av ytan av en löpbana

Fig. 2: SEM-bild av ytan av en löpbana som uppvisar mikrokratrar från passage av skadlig ström: (1) märken i ytskiktet, (2) mikrokratrar.

INSOCOAT – ett lager med integrerad termiskt sprutad beläggning

INSOCOAT-lager från SKF är försedda med en elektriskt isolerande beläggning på utsidan av lagrets ytter- eller innerring. Beläggningen ger lagret integrerad elektrisk isolation. Beläggningsmaterialet är av oxidkeramisk typ (fig. 3) och appliceras på lagret genom termisk sprutning. Vanligtvis används ren aluminiumoxid, Al2O3. I vissa fall appliceras oxidblandningar på grund av att specifika elektriska och mekaniska egenskaper eftersträvas i de färdiga beläggningarna [5, 6]. Vid sprutningen blåses oxidpartiklar genom ett hett plasmaflöde som får dem att smälta. Den heta gas- eller plasmaströmmen transporterar större delen av de smälta partiklarna till det förbehandlade substratet, där de kyls ner, stelnar och bildar den önskade beläggningen.

INSOCOAT-lager

Fig. 3: INSOCOAT-lager. Vänster (grå färg): den tidigare generationen. Höger (mörkgrå färg): den nya generationen.

Fig. 4 visar mikrostrukturen hos den resulterande beläggningen på en ytterring.

Efter sprutning uppvisar beläggningen en viss mängd öppna och sammankopplade porer. Detta är en gemensam egenskap hos termiskt sprutade beläggningar. Mängden och utseendet hos pornätverket beror i hög grad på parametrarna för beläggningsprocessen. Det är uppenbart att porslutning, ”tätning”, är avgörande vid termisk sprutning. Detta minskar risken för korrosion, förbättrar de mekaniska egenskaperna och håller de isolerande egenskaperna konstanta, vilket är mycket viktigt i fuktiga klimat.

Tvärsnitt genom INSOCOAT-beläggningen på ett lagers ytterring

Fig. 4: Tvärsnitt genom INSOCOAT-beläggningen på ett lagers ytterring: (1) lagerstål, (2) termiskt sprutad beläggning, (3) beläggningsgränssnitt.

Fig. 5 visar ett exempel på sluten porstruktur – en typisk por som är sammankopplad med mindre porer i en termiskt sprutad beläggning. Många olika portätningsstrategier har redan diskuterats i litteraturen [5, 6, 7]. När det gäller elektriskt isolerande termiskt sprutade beläggningar har det visat sig mest praktiskt att täta med organiska tätningsmedel. Möjliga tätningsmedel har olika egenskaper sett till viskositet, härdningstemperatur, förångningsegenskaper, krympning etc. Hela processen kring termisk sprutning och tätning måste utvärderas noggrant för att de önskade beläggningsegenskaperna ska uppnås.

Mikrostruktur för termisk sprutning i SEM

Fig. 5: Mikrostruktur för termisk sprutning i SEM – tätade porer i isolerande beläggning: (1) oxidmaterial, (2) tätade porer.

Den tidigare generationen av INSOCOAT – brister och lösning

I ett antal applikationer i mycket heta och fuktiga klimat, har låga isolationsresistansvärden noterats på den tidigare generationen INSOCOAT-lager. Resistansen hos elektriska isolatorer är alltid en kombination av deras yt- och volymresistans [8]. Båda dessa värden styrs av fuktighet och temperatur, förutom av grundläggande egenskaper hos det aktuella materialet. Ytresistansen förändras omedelbart vid ändring av temperatur/fuktighet, medan volymresistansen förändras långsammare. Om de isolerande egenskaperna då förskjuts ut ur det önskade området måste hela det isolerande beläggningssystemet förbättras [5, 6, 7].

Resultat från test av elektrisk isolation i direkt vattenkontakt

Fig. 6: Resultat från test av elektrisk isolation i direkt vattenkontakt – medelvärden.

Experiment på den förra generationens INSOCOAT-lager verifierade de problem som framkommit i fält, genom analys av INSOCOAT-materialets elektriska resistans i direkt kontakt med vatten1. Experimenten visade att beläggningen absorberar vatten över lång tid och att processen är fullständigt reversibel genom torkning. Eftersom resistansen sjunker över lång tid har ytströmmar, öppna porer och sprickor uteslutits som grundorsak. I stället måste beläggningsmaterialet – dvs. oxiden och/eller tätningsmedlet – i sig vara grundorsaken. Till följd av detta har omfattande forsknings- och testaktiviteter inletts. Det har varit nödvändigt att utvärdera olika beläggnings- och tätningsstrategier för att hitta en lösning. Olika sprutpulvermaterial, tätningsmedel, härdningsprocesser och metoder för termisk sprutning har testats. En första utvärdering gjordes som nämnts ovan, i direkt kontakt med vatten. Även om detta test representerar orealistiska förhållanden (i riktiga applikationer är inte lagret eller motorn nedsänkta i vatten) ger det en mycket snabb och känslig indikation på positivt eller negativt resultat. Några testresultat på positiva (V1 och V2) och negativa exempel (V3) visas i fig. 6, alltid i jämförelse med den tidigare generationen INSOCOAT-lager. V2 visade sig vara den bästa kandidaten för den nya INSOCOAT-generationen.

Resultat från isolationstest i monterat tillstånd

Fig. 7: Resultat från isolationstest i monterat tillstånd – jämförelse mellan tidigare generation och den nya INSOCOAT-lagervarianten – uppmätta under kontrollerade förhållanden i en klimatkammare.

Ny generation INSOCOAT-lager

Fig. 7 visar elektriska prestanda hos den nya generationen INSOCOAT-lager i jämförelse med den tidigare varianten, uppmätta under verkliga förhållanden. Det innebär att lagren monteras på samma sätt som i fält och att de utsätts för varierande klimatförhållanden i en klimatkammare. Mätuppställningen visas i fig. 8. Här ser vi att den nya INSOCOAT-varianten är mycket mindre känslig för fukt än den tidigare lagergenerationen.

Slutsats – ny INSOCOAT-lagergeneration

Den nya generationen INSOCOAT-lager har optimerats för hög och stabil elektrisk isolation, även i mycket fuktiga miljöer. Valideringsvillkoren valdes också för att simulera extrema klimat. Förutom de data som visas här kontrollerades och validerades andra parametrar, som låg och hög temperatur (– 40 °C upp till + 150 °C), mekaniska prestanda (beläggningens vidhäftning, monterings- och demonteringsbelastningar, slaghållfasthet), högspänningsprestanda upp till 6 kV DC och mediekompatibilitet.

Monteringsförhållanden och mätprincip

Fig. 8: Monteringsförhållanden och mätprincip.

Även vid nivåer av relativ fuktighet över 90 procent vid en temperatur på 30 °C förblir den ohmska resistansen hos det testade 6316/C3VL0241-lagret över 2 000 MΩ, medan motsvarande värde hos den tidigare varianten sjunker till strax över 50 MΩ.

1 Vatten med viss ledningsförmåga

INSOCOAT är ett registrerat varumärke som tillhör SKF-koncernen.

Försäljning och råd

evolution@skf.com

Referenser
[1] Preisinger G.: Förebyggande av strömskador i lager, SKF Evolution, nr 2-2001 (http://evolution.skf.com/sv/forebyggande-av-stromskador-i-lager/)
[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

Relaterat innehåll