Patrząc na mnogość i różnorodność aplikacji, można powiedzieć, że to silniki elektryczne napędzają przemysł. W większości pracują w trudnych warunkach, a od nich zależy funkcjonowanie kluczowych urządzeń i linii produkcyjnych.
Dążenie do zwiększenia wydajności spowodowało, że od współczesnych silników elektrycznych oczekuje się wyższych prędkości obrotowych i mocy przy niższym zużyciu energii. Zastosowanie nowoczesnych technologii i materiałów pozwala uzyskiwać takie parametry, ale odbywa się to kosztem trudniejszych warunków pracy łożysk (wysokie prędkości, temperatury, ciśnienia). Dlatego wzrosły też wymagania w stosunku do zastosowanych w nich środków smarnych. Nie zawsze się o tym pamięta.
Wydłużenie czasu bezawaryjnej pracy, redukcja kosztów i zwiększenie wydajności są możliwe dzięki odpowiedniemu smarowaniu silników elektrycznych. Ważny jest przy tym dobór środka smarnego, jego ilości i odpowiedniej metody smarowania.
Łożyska w silnikach elektrycznych
Jakie zadania spełnia smar w łożyskach silników elektrycznych? Podstawowym jest oczywiście ograniczenie tarcia, ale od wykorzystywanych współcześnie środków smarnych oczekuje się ochrony pracujących powierzchni przed zużyciem, korozją i zanieczyszczeniami (działa jak uszczelnienie).
Jeśli mowa o łożyskach pracujących w silnikach elektrycznych, to warto również zwrócić uwagę na zapobieganie zjawisku tzw. erozji elektrycznej. Jest to sytuacja, w której prąd elektryczny przepływa przez łożyska silnika do ziemi (uziemienia). W silnikach elektrycznych i generatorach występują też prądy o wysokiej częstotliwości, spowodowane zjawiskiem reaktancji pojemnościowej. Uszkodzenia, jakie powodują powstające w silnikach łuki elektryczne, to najczęściej mikrospawy i wżery na powierzchni bieżni oraz elementów tocznych. Jednym ze skutków jest też degradacja smaru. W efekcie następuje przedwczesne uszkodzenie łożyska.
Występowanie opisanych zjawisk eliminuje się m.in. dzięki zastosowaniu w łożyskach powłok ceramicznych lub wykonanych z materiałów ceramicznych elementów tocznych. Przykładem są łożyska Insocoat firmy SKF – zaprojektowane tak, by zabezpieczyć je przed przepływem prądu elektrycznego. Są to standardowe łożyska, w których zewnętrzne powierzchnie pierścienia wewnętrznego lub zewnętrznego pokryto warstwą tlenku glinu metodą plazmowego powlekania natryskowego. Powłokę uszczelnia się żywicą w celu zabezpieczenia przed skutkami przewodności wody i wilgoci. Jak podaje firma, powłoka podstawowa wytrzymuje napięcia dochodzące do 1000 V prądu stałego, a na szczególne życzenie mogą być dostarczane łożyska z powłokami wytrzymującymi napięcia do 2000 lub nawet 3000 V prądu stałego. Natomiast w łożyskach hybrydowych firmy SKF pierścienie wykonane są ze stali łożyskowej, a elementy toczne z azotku krzemu klasy łożyskowej (Si3N4). Gęstość azotku krzemu to 40% gęstości stali łożyskowej, co pozwala na produkowanie elementów lżejszych, o mniejszej bezwładności. Łożyska mają dobre właściwości izolacyjne i mogą pracować z wyższymi prędkościami obrotowymi oraz, jak podaje SKF, często charakteryzują się większą trwałością eksploatacyjną niż ich tradycyjne odpowiedniki wykonane w całości ze stali.
Z kolei firma NSK w celu zapobiegania korozji elektrycznej opracowała procesy produkcji łożysk z wykorzystaniem ceramiki i żywic PPS (polisiarczku fenylenu). Obydwa materiały są stosowane do powlekania zewnętrznych i czołowych powierzchni pierścienia zewnętrznego łożyska. Dodatkowo w łożyskach walcowych zastosowano jednoczęściowy koszyk i zoptymalizowano kształt jego gniazda, co dało większą wytrzymałość oraz lepszy przepływ środka smarnego.
Dobór właściwego środka smarnego
Na prawidłową pracę i trwałość łożyska wpływa kilka czynników. Załóżmy, że łożysko w silniku elektrycznym zostało poprawnie dobrane przez projektanta, a jego budowa została zoptymalizowana pod względem dotarcia środka smarnego do elementów tocznych. Jednak i tu można szukać lepszych rozwiązań, np. wymieniając łożyska na inne, o lepszych parametrach. Wspomniane już łożyska hybrydowe SKF mają mniejsze opory tarcia, co przekłada się na niższą temperaturę roboczą i wydłużenie trwałości smaru.
Smary do silników elektrycznych są produkowane na bazie oleju mineralnego lub syntetycznego. Oleje z wykorzystaniem bazy mineralnej w większości zastosowań zapewniają dostateczną ochronę łożysk. Jako środek zagęszczający stosuje się mydła metaliczne zawierające: wapń, lit, sód, glin i bar. Stosuje się też różne kompleksy złożone z mydeł tych pierwiastków, np. litowy.
Wykorzystanie syntetycznych olejów bazowych może zapewnić większą kontrolę nad parametrami użytkowymi smaru. Ma to znaczenie, jeśli oczekuje się, że będą one pracowały w bardzo wysokich lub niskich temperaturach, zwłaszcza jeśli przewiduje się długie okresy pomiędzy przeglądami.
Ostatnio coraz częściej do ochrony łożysk w silnikach elektrycznych stosuje się środki smarne, w których zagęszczaczem są związki polimocznikowe. Przykładem jest seria smarów Mobil Polyrex EM, zalecana do łożysk silników elektrycznych i do pracy w wysokich temperaturach (od –20 do 160°C) oraz przy wysokich prędkościach obrotowych. Smary Mobil Polyrex EM są kompatybilne z wieloma smarami litowymi ExxonMobil, a także z innymi mineralnymi produktami na bazie polimocznika do zastosowania w silnikach elektrycznych (zgodnie ze standardem ASTM D 6185).
Firma MCPOLSKA.PL poleca smar MC-0954. SMARMAX® 9770-K – di-mocznikowy (bez mydła metalicznego) jako: długoterminowy, cichobieżny, wysokoobrotowy, wysokotemperaturowy, wielozadaniowy. Dzięki niemu uzyskuje się kilkakrotne wydłużenia okresu smarowania lub smarowanie dożywotnie, wyciszenie pracy łożysk (test SKF BeQuiet+) oraz zdolność przenoszenia wysokich obrotów, DNmax = 700 000.
Zawsze najlepiej stosować się do zaleceń producentów, które podawane są w instrukcjach montażu, obsługi i konserwacji silnika. Warto je dokładnie czytać. Na przykład firma VEM motors informuje, jakie środki są zalecane przy różnych zakresach temperatur i jakie powinny być terminy uzupełniającego smarowania (dotyczy to silników indukcyjnych na prąd trójfazowy dla niskich napięć z wirnikiem klatkowym i wirnikiem pierścieniowym). Firma podaje też w instrukcji wiele dodatkowych praktycznych informacji, np. że w przypadku pracy przy przetwornicy należy zredukować terminy smarowania o ok. 25% ze względu na związane z tym podgrzewanie silnika. Z kolei firma ABB w instrukcji użytkowania trójfazowych silników elektrycznych podaje, że w przypadku smarowania maszyn pracujących pionowo czasy smarowania są o połowę krótsze niż podane dla silników pracujących w położeniu poziomym. Ilość smaru należy podwoić, jeżeli stosuje się automatyczny system smarowania itp.
Oczywiście zawsze tam, gdzie występują wysokie obroty, należy też stosować smar wysokoobrotowy. Do specjalnych zastosowań wykorzystuje się smary nowej generacji. Na przykład do łożysk w silnikach prądu przemiennego firma NSK opracowała smar oparty na mydle litowym kompleksowym – Unimax R No 2. Jest on używany w łożyskach silników trakcyjnych pociągów wysokich prędkości (Shinkansen) i znacznie wydłuża okresy międzyprzeglądowe (pomiędzy smarowaniem).
O czym trzeba pamiętać?
Wszystkie smary, choć w różnym tempie, tracą z czasem swoje właściwości, nawet gdy łożysko nie pracuje. Producenci silników elektrycznych podają, przez jaki czas można przechowywać silnik przed jego pierwszym uruchomieniem bez sprawdzenia stanu środka smarnego. Bez względu na to, jaki jest powód np. stwardnienia smaru, nie będzie on właściwie smarował łożysk i zabezpieczał przed zanieczyszczeniami.
W przypadku łożysk w nowoczesnych silnikach elektrycznych można zetknąć się z sytuacjami, w których nie opłaca się naprawa łożyska. Dotyczy to zwłaszcza małych silników elektrycznych. Tu warto zwrócić szczególną uwagę na jakość i trwałość łożyska.
Są też przypadki, w których dostęp do łożyska w celu jego nasmarowania jest utrudniony lub nawet niemożliwy, choćby ze względu na ochronę przed wnikaniem zanieczyszczeń. Tu sprawdzają się łożyska bezsmarowe – uważa się, że pozwalają uzyskać duże oszczędności energii w stosunku do łożysk smarowanych smarami plastycznymi i cieczami. Panew w tego typu łożyskach wykonuje się z polimerów lub spieków. Jest to materiał porowaty (pory to ok. 25% jego objętości). Wypełniony olejem pozwala na wystarczające smarowanie łożyska przez cały okres eksploatacji.
Takim rozwiązaniem jest system Solid Oil firmy SKF, w którym matryca polimerowa nasączona jest olejem smarowym. W strukturze materiału polimerowego znajdują się bardzo liczne mikropory, które utrzymują w sobie olej smarowy dzięki napięciu powierzchniowemu. Olej wagowo stanowi 70% wypełnienia. Jak podaje SKF, polimer nasączony olejem jest wtłaczany pod ciśnieniem do wnętrza łożyska. Podczas tego procesu tworzą się wąskie szczeliny wokół elementów tocznych i bieżni, dzięki którym elementy łożyska mogą się swobodnie obracać. Niewielkie ilości oleju przesączają się do szczelin, co zapewnia wystarczające smarowanie.
Jednym z problemów, z jakim spotykają się użytkownicy silników elektrycznych przy smarowaniu łożysk, jest określenie właściwej ilości smaru, jaką należy zaaplikować. Niewystarczająca ilość może doprowadzić do uszkodzenia łożyska. Z drugiej strony nadmierne smarowanie (przesmarowanie) może również prowadzić do awarii i dodatkowo powodować problemy z migracją smaru w uzwojenia.
Stosuje się kilka metod, by oszacować ilość smaru potrzebną do wprowadzenia do łożyska. Obecnie jednak dostępne są narzędzia, które pozwalają określić, kiedy łożysko trzeba nasmarować i kiedy przestać podawać do niego smar. To aktualnie najbardziej optymalne rozwiązanie. Jest ono możliwe dzięki wykorzystaniu detektorów ultradźwięków.
Przykładem jest Ultraprobe 201 Grease Caddy firmy UE Systems, zaprojektowane tak, by umożliwiać równoczesne smarowanie i monitorowanie ilości smaru w łożysku, pozwalające zapobiegać nadmiernemu smarowaniu. Brak środka smarnego w łożysku powoduje w nim wzrost tarcia. Wzrasta poziom sygnału ultradźwiękowego rejestrowanego przez czujnik. Ultraprobe 201 Grease Caddy przekształca ultradźwięki wysokich częstotliwości w dźwięki słyszalne dla ludzkiego ucha. Separuje też je od innych dźwięków występujących w otoczeniu, dzięki temu lepiej słyszy się te pochodzące z łożyska. Urządzenie wyposażono też w wyświetlacz LED pokazujący amplitudę ultradźwięków. W trakcie podawania smaru poziom rejestrowanych ultradźwięków spada i ponownie rośnie, jeśli pojawia się przesmarowanie. Wykorzystanie urządzenia pozwala zapobiegać niepotrzebnemu, zbyt częstemu smarowaniu. Dzięki temu oszczędza się czas pracy i ogranicza koszty środków smarnych. Uzyskuje się też pewność, że łożysko zostało prawidłowo nasmarowane.
Podsumowanie
Przy wyborze i zastosowaniu środków smarnych w silnikach elektrycznych trzeba oczywiście brać pod uwagę czynnik ekonomiczny. Nie zawsze stosowanie zaawansowanych i drogich środków smarnych będzie najlepszym rozwiązaniem. Jednak nowoczesne produkty, jeśli połączy się ich aplikację z diagnostyką stanu łożysk, np. przy wykorzystaniu detekcji ultradźwięków, może dać bardzo pozytywne rezultaty. Dobrym rozwiązaniem mogą być łożyska bezobsługowe, choć pojawiają się też głosy, że jeśli przewiduje się okres ich pracy w warunkach przemysłowych na więcej niż trzy lata, uszczelki mogą zacząć przepuszczać powietrze atmosferyczne z zawartą w nim wilgocią i pogarszać z czasem stan środka smarnego.
Autor: Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do służb utrzymania ruchu w przemyśle.
Tekst pochodzi z nr 2/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
