Izolowane elektrycznie łożyska toczne posiadają zintegrowaną izolację elektryczną i zapewniają niezawodną ochronę przed przepływem prądu i korozją elektryczną. Stosuje się je zwykle w silnikach elektrycznych, generatorach i innych urządzeniach elektrycznych. Austriacki producent, firma NKE Austria GmbH, oferująca różne rodzaje elektrycznie izolowanych łożysk, przedstawia poniżej przyczyny przepływu prądu przez łożyska, opisy spowodowanych uszkodzeń i sposoby zapobiegania korozji elektrycznej oraz właściwości i proces produkcji izolowanych elektrycznie łożysk tocznych.
Jeżeli w łożysku tocznym między pierścieniem zewnętrznym a wewnętrznym pojawi się napięcie elektryczne, może spowodować ono niepożądany przepływ prądu, w wyniku którego nastąpi trwałe uszkodzenie powierzchni tocznych łożyska, a co za tym idzie – pogorszenie ich parametrów tocznych. W sytuacji przepływu prądu dochodzi do wyładowań elektrycznych w strefie styku między elementami tocznymi, a powierzchnią toczną pierścienia wewnętrznego lub zewnętrznego. Wyładowania te skutkują miejscowym nadtopieniem powierzchni, a przeciążenie termiczne materiału prowadzi do powstania drobnych kraterów, przenoszenia materiału i lokalnych zmian struktury stali. Co najmniej jedna, bardzo cienka warstwa erodowanej płaszczyzny zostaje zahartowana na nowo i staje się niezwykle twarda oraz krucha. Proces ten, określany mianem korozji elektrycznej, bardzo często dotyczy łożysk stosowanych w zespołach elektromechanicznych, takich jak generatory i silniki elektryczne, jak również urządzeń roboczych napędzanych silnikami elektrycznymi, np. pomp i przekładni. Przepływający prąd niszczy także smar. Olej bazowy i zawarte w smarze dodatki utleniają się, nabierając charakterystycznego, czarnego zabarwienia. Przedwczesne zestarzenie się smaru trwale upośledza jego zdolność do rozdzielania powierzchni metalowych. Wskutek uszkodzenia płaszczyzn funkcyjnych i braku właściwego efektu smarowania, łożysko w gwałtowny sposób traci zdolność prawidłowego działania.
Możliwe przyczyny niepożądanych przepływów prądu przez łożyska toczne
Główne przyczyny przepływu prądu są znane. Asymetrie magnetyczne, do których dochodzi w urządzeniu elektrycznym, powodują powstanie napięcia o niskiej częstotliwości między wałem a obudową, co skutkuje przepływem prądu przez łożysko. Także stosowanie nieekranowanych, niesymetrycznych kabli może – przy niedostatecznym uziemieniu urządzenia elektrycznego – doprowadzić do przepływu prądu przez łożyska toczne. Inną przyczyną jest używanie przetworników częstotliwości: wiele przetworników działa w oparciu o modulację szerokości impulsu (PWM), co wiąże się z różnicą potencjału elektrycznego o wysokiej częstotliwości, również powodującą przepływ prądu przez łożyska toczne. Na koniec należy wymienić także naładowanie elektrostatyczne wału i obudowy, prowadzące do wyładowań w łożyskach.
Opisy uszkodzeń i możliwe sposoby zapobiegania
Typową oznaką korozji elektrycznej są szare, matowe ślady na płaszczyznach tocznych i na powierzchni elementów tocznych. Ponadto na powierzchniach tocznych dostrzec można ślady nadtopienia (zdjęcia 1a i 1b) lub żłobkowanie. O uszkodzeniach łożysk spowodowanych przez przepływ prądu najczęściej świadczy nadmierny hałas towarzyszący pracy urządzenia.
Uszkodzeniom tym można zapobiec poprzez zaizolowanie łożyskowania w obudowie lub na wale. Wiąże się to jednak z dodatkowymi pracami konstrukcyjnymi w odniesieniu do gniazda łożyska. Proste i ekonomiczne rozwiązanie stanowią tu natomiast izolowane elektrycznie łożyska toczne firmy NKE. Nie wymagają one żadnej ingerencji w konstrukcję, ponieważ mają identyczne wymiary zewnętrzne i parametry techniczne, jak łożyska standardowe.
Elektrycznie izolowane łożyska – właściwości i zastosowanie
Izolowane elektrycznie łożyska firmy NKE posiadają warstwę izolacyjną z ceramiki tlenkowej i oznaczone są dodatkowym oznaczeniem SQ77. Wykaz wariantów wykonania warstwy izolacyjnej przedstawiono w umieszczonej na końcu tabeli. Izolowane elektrycznie łożyska firmy NKE mają identyczne wymiary zewnętrzne i parametry techniczne jak ich konwencjonalne odpowiedniki.
Największą ich zaletą jest zwiększone bezpieczeństwo eksploatacji, zapewnione przez optymalną ochronę przed korozją elektryczną. Izolowane elektrycznie łożyska są bardziej ekonomiczne niż np. izolacja obudów lub wałów. Można je stosować zamiast łożysk tradycyjnych, ponieważ posiadają takie same wymiary i właściwości. Obniżają ryzyko powstania uszkodzeń, a tym samym zapewniają dłuższą żywotność w porównaniu z konwencjonalnymi łożyskami w urządzeniach elektrycznych. Przy prawidłowym postępowaniu z izolowanymi elektrycznie łożyskami nie zachodzi ryzyko uszkodzenia ich powłok.
Główny asortyment łożysk izolowanych elektrycznie to łożyska kulkowe zwykłe i łożyska walcowe. Zaizolować elektrycznie można jednak także wszelkie inne rodzaje łożysk. Obszary zastosowania to między innymi silniki pojazdów szynowych, silniki elektryczne i generatory, zwłaszcza w połączeniu z szybko przełączającymi się przetwornikami częstotliwości.
Proces produkcyjny i działanie izolowanych elektrycznie łożysk tocznych
W przypadku łożysk z izolacją elektryczną firmy NKE, warstwa izolacyjna nakładana jest metodą natryskiwania plazmowego, technologią cienkowarstwową, na pierścień zewnętrzny (SQ77 lub SQ77C, zdjęcie 2a) lub na pierścień wewnętrzny (SQ77E lub SQ77H, zdjęcie 2b). Podczas procesu natryskiwania plazmowego pomiędzy elektrodami powstaje łuk elektryczny, do którego doprowadza się odpowiedni gaz. Strumień plazmy służy jako nośnik, dzięki któremu sproszkowany tlenek glinu (Al2O3) jest z dużą prędkością nakładany na pierścień zewnętrzny lub wewnętrzny. Powstała w ten sposób warstwa tlenku glinu pokrywa powierzchnie przylegania i powierzchnie czołowe pierścieni łożysk tocznych. W ostatnim kroku warstwa ta jest uszczelniana, aby zapobiec przenikaniu wilgoci.
Działanie warstwy izolacyjnej zależy od częstotliwości napięcia, które wywołuje niepożądane przepływy prądu. W wypadku napięcia stałego, zaizolowane łożysko wytwarza rezystancję. Im wyższy jest opór, tym mniejszy przepływ prądu. Wartość oporu łożyska izolowanego wynosi ponad 50 MΩ i ogranicza przepływ prądu elektrycznego do wartości nieistotnej dla łożyska.
Przy napięciu zmiennym rolę odgrywa pojemnościowy charakter izolowanego łożyska. W tym wypadku łożysko, w przybliżeniu, zachowuje się jak układ równoległy oporu i kondensatora, gdzie opór jest zależny od częstotliwości, tzw. impedancja. Impedancja decyduje o wielkości prądu zmiennego, który przy danym napięciu i częstotliwości przepływa przez łożysko. Także tutaj chodzi o to, by impedancja była możliwie jak największa, co pozwala zredukować prąd do wartości nieistotnej dla łożyska.
Do osiągnięcia wysokiej impedancji konieczny jest duży opór warstwy izolacyjnej i jej mała pojemność. Można to uzyskać poprzez jak najgrubszą warstwę izolacyjną o małej powierzchni. W odniesieniu do łożysk oznacza to, że warstwę izolacyjną należy nałożyć na otwór pierścienia wewnętrznego. Ze względu na koszty i uwarunkowania produkcyjne pokrywa się nią jednak standardowo średnicę zewnętrzną. W większości przypadków stanowi to więcej niż wystarczające zabezpieczenie przed uszkodzeniami w wyniku korozji elektrycznej. Inną cechą warstwy izolacyjnej jest jej wytrzymałość na przebicie. Napięcie przebicia dla łożysk firmy NKE wynosi w zależności od wersji co najmniej 1000 V lub 2000 V.
Autor: Klaus Grissenberger, doradca techniczny w firmie NKE Austria GmbH in Steyr.
