Łożyska izolowane elektrycznie – eksploatacja w warunkach przemysłowych

 

Przepływ prądu przez łożysko może być przyczyną nie tylko przyspieszonej degradacji smaru, ale również uszkodzenia powierzchni styku w bieżni łożyska i elementów tocznych. Zjawisko to jest nazywane erozją elektryczną.

Erozja elektryczna występuje m.in. w urządzeniach, generatorach i silnikach elektrycznych. W generatorach i silnikach przyczyną jej powstania może być przepływ prądu o wysokiej częstotliwości, co wynika z naturalnej reaktancji pojemnościowej. W efekcie może dojść do powstania prądów błądzących, których indukowaniu dodatkowo sprzyja zasilanie wykorzystujące falowniki, tym bardziej że wiele urządzeń tego typu bazuje na modulacji szerokości impulsu (PWM). Tym sposobem pomiędzy obudową a wałem jest obecne napięcie o niskiej częstotliwości, przy czym wiele instalacji elektrycznych zasilających napędy ma kable bez ekranu i niewłaściwie uziemione urządzenia elektryczne. Przepływ prądu przez łożyska może być również efektem naładowania elektrostatycznego wału i obudowy powodującego wyładowania w łożyskach.

Prądy łożyskowe

W momencie przekroczenia napięcia przebicia filmu olejowego rośnie wartość prądu łożyskowego, przez co skraca się trwałość łożyska. Maksymalny czas jego pracy w dużej mierze zależy od gęstości prądu w miejscu, gdzie film olejowy został przebity. Trwałość łożyska zmniejsza się w efekcie wytapiania materiału bieżni ze względu na wydzielanie energii cieplnej w dużej ilości. Prądy łożyskowe są szczególnie istotne podczas rozruchów silników indukcyjnych o większych mocach.

Jako źródło przepływu prądów łożyskowych wymienia się również napięcie wałowe indukowane wzdłuż wału silnika. Z kolei sposób, w jaki realizowane jest zesprzęglenie silnika z obciążeniem oraz rodzaj pracujących łożysk wpływają na rozpływ prądów łożyskowych. Kierunki przepływu prądów łożyskowych w dużej mierze zależą od rodzaju zastosowanych połączeń mechanicznych i uziemień. Wżery, kratery oraz regularne wgniecenia na bieżniach prążków to typowe uszkodzenia powstałe w efekcie działania prądów łożyskowych. Takie uszkodzenia zależą od wartości przepływającego prądu oraz czasu jego działania.

W silnikach elektrycznych to właśnie łożyska izolowane uznaje się na najbardziej skuteczny sposób na zapobieganie powstawaniu prądów łożyskowych, przy czym o skuteczności ochrony w dużej mierze decyduje rodzaj łożyska izolowanego. Jeżeli izolowane łożysko będzie znajdowało się od strony napędowej, to prąd łożyskowy popłynie przez wał silnika oraz przez sprzęgło przewodzące do obciążenia i łożysko obciążenia w kierunku kadłuba z uziemieniem i z powrotem. Przepływający w ten sposób prąd łożyskowy może być przyczyną uszkodzeń łożysk po stronie przeciwnapędowej i obciążenia. Łożysko izolowane zastosowane od strony przeciwnapędowej spowoduje, że prąd w drodze powrotnej ma barierę w postaci dużej wartości rezystancji, eliminując występowanie prądów łożyskowych.

Należy podkreślić, że wskutek przepływu prądów błądzących niejednokrotnie uszkodzeniu ulega sprzęgło silnika. W efekcie wiele aplikacji z układami napędowymi ma również dodatkowo izolowane sprzęgła.

Dla ograniczenia występowania prądów łożyskowych stosuje się takie konstrukcje silników, które zapewniają niewielkie wartości natężenia prądu wałowego. W przypadku sterowania napędem za pomocą falowników warto zastosować algorytmy sterujące powodujące zerową wartość napięcia w punkcie neutralnym uzwojenia stojana. Zwarcie wału do kadłuba przy użyciu szczotek metalografitowych lub specjalnych pierścieni również zapobiega występowaniu napięcia łożyskowego.

Właściwości elektryczne łożysk izolowanych

W łożyskach izolowanych elektrycznie powierzchnie zewnętrzne lub wewnętrzne pokrywa się specjalną warstwą materiału, np. tlenkiem glinu, zapewniając w ten sposób odpowiednią izolację od napięcia. Niektóre technologie produkcji łożysk wykorzystują plazmowe powlekanie natryskowe, dzięki czemu uzyskuje się odpowiednią przyczepność i równomierną grubość warstwy izolacyjnej. Po nałożeniu powłoki powierzchnia jest poddawana obróbce zapewniającej odporność na działanie wilgoci.

Istotną rolę w zakresie parametrów elektrycznych odgrywa oporność powłoki izolacyjnej (np. 50 MΩ przy napięciu 1000 V prądu stałego). W przypadku napięcia przemiennego ważna jest pojemność izolowanego łożyska. Wynika to stąd, że łożysko zachowuje się jak układ równoległy kondensatora i rezystora, a wartość rezystancji zależy od częstotliwości. Jest to tzw. impedancja, która decyduje o wartości natężenia prądu przemiennego przepływającego przez łożysko z uwzględnieniem napięcia i częstotliwości. Impedancja powinna więc mieć możliwie najwyższą wartość, aby ograniczyć prąd do wartości niewpływającej na elementy łożyska. Jeśli chce się uzyskać wysoką impedancję, opór warstwy izolacyjnej powinien być duży przy niewielkiej pojemności, co uzyskuje się poprzez możliwie najgrubszą warstwę izolacyjną, ale znajdującą się na małej powierzchni łożyska. W procesie produkcji łożysk warstwa izolacyjna jest nakładana na otwór pierścienia wewnętrznego. Jednak biorąc pod uwagę koszty wykonania i proces produkcyjny łożysk, z reguły pokrywa się standardowo średnicę zewnętrzną. W większości łożysk jest to już wystarczająca ochrona przez działaniem korozji elektrycznej. Parametrem elektrycznym łożysk izolowanych jest również wytrzymałość na przebicie wynosząca do 2000 V.

Właściwości mechaniczne łożysk izolowanych

Łożyska izolowane elektrycznie mają wymiary tradycyjnych łożysk kulkowych oraz łożysk walcowych zgodnie z normą z ISO 15:1998, natomiast w tolerancjach wymiarowych uwzględnia się normalne klasy dokładności. W razie potrzeby można wybrać łożyska kulkowe w wersjach o podwyższonej klasie dokładności P5. Warstwy izolacyjne nakładane na powierzchnię pierścienia zewnętrznego lub wewnętrznego nie wpływają na dokładność wymiarów. Wytyczne względem obliczeń równoważnego obciążenia dynamicznego lub statycznego oraz obciążalności osiowej są takie same jak w produktach standardowych. Ważne jest, aby łożyska poddać działaniu obciążenia o charakterze minimalnym. Parametry w tym zakresie są z reguły takie same jak w łożyskach w tradycyjnym wykonaniu.

Koszyki łożysk izolowanych elektrycznie wykorzystują konstrukcje klatkowe, formowane wtryskowo. Materiałem ich wykonania może być poliamid 6,6 wzmocniony włóknem szklanym, prowadzony na kulkach. Niejednokrotnie stosuje się również nitowany koszyk stalowy. Konstrukcje łożysk tocznych mogą mieć również postać dwuczęściowego masywnego koszyka mosiężnego prowadzonego na elementach tocznych. Łożyska kulkowe zwykłe i walcowe standardowo produkuje się z luzem wewnętrznym promieniowym zgodnym z określoną klasą.

Łożyska hybrydowe

Łożyska hybrydowe mają konstrukcję z pierścieniami wykonanymi ze stali łożyskowej, natomiast elementy toczne wytwarza się z azotku krzemu klasy łożyskowej. Materiał ten jest bardzo dobrym izolatorem, zatem jeśli stosuje się łożyska tego typu w urządzeniach i maszynach elektrycznych, oprawa jest odizolowana od wału. Zastosowanie łożysk izolowanych obejmuje również aplikacje wymagające wyższych prędkości obrotów. Ważna jest przy tym stabilna praca również w przypadku ruchów oscylacyjnych i drgań. Oprócz tego nie ma potrzeby stosowania specjalnego smaru. Łożyska hybrydowe można nabyć jako kulkowe zwykłe jednorzędowe, o konstrukcji podstawowej, uszczelnione, hybrydowe o konstrukcji XL oraz jako walcowe jednorzędowe.

Montaż i eksploatacja

Łożyska izolowane montuje się identycznie jak tradycyjne łożyska. Podczas prac w tym zakresie szczególną uwagę należy zwrócić na to, aby nie uszkodzić warstwy izolacyjnej. Łożyska w czasie składowania nie powinny być narażone na działanie wstrząsów. Oprócz tego miejsce przechowywania łożysk musi być również suche z temperaturą i poziomem wilgotności powietrza na stałym poziomie (5–25°C, wilgotność 70%). Łożysk nie należy przechowywać blisko środków chemicznych o działaniu agresywnym – nawozy sztuczne, wapno chlorowane, kwasy, amoniak itp. Przy przechowywaniu najlepiej użyć oryginalnego opakowania zawierającego odpowiednią warstwę środka przeciwkorozyjnego. Najlepiej, aby łożysko było wyciągnięte z opakowania dopiero przed jego zamontowaniem. W przypadku zabrudzenia łożyska należy przeprowadzić ponowną jego konserwację. Do czyszczenia można użyć nafty, po czym trzeba wykonać zabezpieczenie smarem lub olejem. Oprócz tego zastosowanie znajdują preparaty myjąco-zabezpieczające, które najczęściej produkuje się z lekkich olejów mineralnych. Substancje tego typu są ekologiczne, a co najważniejsze – bezpieczne dla ludzi. Istotne jest przy tym wysokie bezpieczeństwo pożarowe.

Podczas montażu i demontażu łożysk używa się specjalistycznych narzędzi – mechanicznych, hydraulicznych i termicznych. Narzędzia mechaniczne obejmują specjalne zestawy pierścieni wykonane ze specjalnych tworzyw, dzięki czemu drgania są tłumione. Przydadzą się również specjalne młotki absorbujące nadmierną energię. Warto również zadbać o klucze hakowe przeznaczone do nakrętek łożyskowych, udarowe klucze hakowe do dużych średnic oraz klucze dynamometryczne. W przypadku montażu łożysk o większych średnicach wykorzystuje się narzędzia hydrauliczne pozwalające na wtłaczanie i wtryskiwanie oleju pod wysokim ciśnieniem. Z kolei narzędzia termiczne obejmują płyty grzewcze nagrzewające łożyska małogabarytowe oraz kompletne zestawy urządzeń, które pozwalają na nagrzewanie łożysk w gorącym oleju.

Dużym uznaniem cieszą się specjalne zestawy do montażu łożysk. Wykorzystują one pierścienie udarowe oraz tuleje, co pozwala na efektywne przeniesienie siły montażowej na pierścień łożyskowy osadzany z pasowaniem ciasnym. W efekcie minimalizowane jest ryzyko uszkodzenia bieżni łożyska lub elementów tocznych. Zestawy tego typu używane są również przy montażu elementów, takich jak koła pasowe, uszczelnienia czy tuleje. Pierścienie udarowe mają takie rozmiary, aby dokładnie pasowały do wewnętrznej i zewnętrznej średnicy łożyska. Pierścienie udarowe wykonuje się z materiału odpornego na uderzenia, natomiast pewny uchwyt uzyskano dzięki gładkiej powierzchni korpusu. Pokrycie z nylonu zapobiega uszkodzeniu elementów. Młotek jest pokryty gumą dla zapewnienia dobrego przylegania do dłoni.

O specjalistyczne narzędzia warto zadbać podczas prac związanych z demontażem łożyska. Chodzi m.in. o ściągacze demontujące dobierane pod kątem miejsca osadzenia, rodzaju i różnej wielkości łożyska.

Diagnostyka

Podczas diagnostyki łożysk przydadzą się takie narzędzia, jak sprawdziany stożków trzpieni, pióra wibrometryczne, mierniki temperatury, a także szczelinomierze. Niejednokrotnie zastosowanie znajdują stetoskopy elektroniczne ułatwiające ocenę stanu węzła łożyskowego. Uwzględnia się również analizę trendu zmian wielkości drgań, co pozwala określić prawdopodobny czas do awarii. Z kolei analiza widma drgań zapewni informację na temat przyczyny wystąpienia awarii.

Warto monitorować łożyska podczas pracy, najlepiej w trybie ciągłym. Zastosowanie znajdują przy tym systemy do ciągłej kontroli stanu łożysk poprzez wykrywanie drgań i zmian temperatury. Niejednokrotnie wykorzystywane są technologie bezprzewodowej wymiany danych. Pomiar temperatury oraz drgań jest przeprowadzany w dwóch osiach, a odpowiednie czujniki są przykręcanie lub mocowane za pomocą magnesów. Za analizowanie zebranych danych odpowiada specjalistyczne oprogramowanie komputerowe.

Podsumowanie

Uszkodzenia łożysk w postaci korozji elektrycznej są bez problemu rozpoznawane przez pracowników działów utrzymania ruchu. Wskazują na nie przede wszystkim matowe, szare ślady występujące na powierzchniach elementów tocznych. Oprócz tego zauważalny może być zbyt nadmierny hałas podczas pracy łożyska oraz ślady żłobkowania i nadtopienia.

Dla zapobiegania korozji elektrolitycznej ważne jest więc odpowiednie izolowania węzła łożyskowego na wale lub na obudowie. Montując łożyska tego typu, nie ingeruje się w konstrukcję maszyn ze względu na takie same wymiary i parametry jak w przypadku tradycyjnych rozwiązań.

 

Damian Żabicki

Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

Background Image

Header Color

:

Content Color

:

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług zgodnie z Polityką prywatności. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce lub w konfiguracji usługi. Polityka prywatności.