Защита подшипников от повреждений, вызванных прохождением электрического тока

ШТАЙЕР, Австрия, март 2015 г. Электрически изолированные подшипники качения кроме основных функций, присущих всем подшипникам, обладают также функцией электрической изоляции, которая встроена в подшипник и обеспечивает надежную защиту от прохождения через него электрического тока и предотвращает возникновение электрической эрозии материала подшипника. Типичные области применения таких подшипников включают электродвигатели, генераторы и другие электрические машины. Известный австрийский производитель подшипников качения, компания NKE Austria GmbH в своем ассортименте предлагает электрически изолированные подшипники качения в нескольких вариантах. В этом кратком экскурсе, Клаус Грисзенбергер, инженер-технолог компании NKE, объясняет причины прохождения электрического тока через подшипники качения, и рассказывает о симптомах повреждений подшипников и мерах противодействия этому, а также о свойствах и процессах производства электроизолированных подшипников.

Основной причиной прохождения электрического тока в подшипнике качения является разность электрических потенциалов между наружным и внутренним кольцом подшипника, которая приводит к повреждению дорожек и тел качения, а также существенно ухудшает эксплуатационные характеристики подшипника. Обычно протекание электрического тока или возникновение электрического разряда в подшипнике происходит в зоне контакта тел качения с дорожками качения на внутреннем или наружном кольце. Это, в свою очередь, вызывает точечное расплавление поверхности материала в месте прохождения электрического тока или возникновения электрической дуги в смазочной пленке, так называемые кратеры. В результате возникает питтинговая коррозия, перенос частиц материала и местные микроструктурные повреждения в результате теплового стресса. По крайней мере, возникает очень тонкий слой эродированной (изъеденной кратерами) поверхности, что делает её чрезвычайно жесткой и склонной к растрескиванию. Этот процесс называется электрической эрозией и часто негативно влияет на подшипник в электромеханических областях применениях, таких как генераторы и электродвигатели, а также машины, которые приводятся в действие электродвигателем, насосы и редукторы. Кроме того, электрический разряд в смазочной пленке оказывает негативное воздействие на смазку. Базовое масло и присадки, содержащиеся в смазке, окисляются, о чем свидетельствует характерный черный цвет смазки. Преждевременное старение смазочного материала необратимо уничтожает его способность по формированию разделительной смазочной пленки между металлическими поверхностями. Повреждённые рабочие поверхности подшипника и потеря своих свойств смазкой приводят к быстрой потере работоспособности подшипника и к полному выходу его из строя.

Возможные причины нежелательного прохождения электрического тока через подшипники качения

Основные причины электрических разрядов нам уже известны. Результатом протекания электрического тока через подшипник также может служить асимметрия магнитного потока электрической машины, которая порождает низкочастотные напряжения между валом и корпусом машины. Такое прохождение электрического тока также может возникнуть в результате использования неэкранированных несимметричных электрических кабелей при неэффективном заземлении машины. Другой причиной является использование преобразователей частоты для управления электроприводом, основанных на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые генерируют высокочастотные синфазные напряжения в электрической машине, что также приводит к прохождению тока через подшипники качения. Наконец, еще одной возможной причиной является электризация вала и корпуса машины во время её работы с последующим электрическим разрядом через подшипники качения.

Симптомы повреждений и возможные меры противодействия

Характерные признаки электрической эрозии представляют собой серые, потускневшие участки на поверхности дорожек качения и тел качения подшипника. Расплавление материала с образованием кратеров и следы, наподобие гофрированной бумаги, также являются признаками электрической эрозии и возникают, главным образом, на поверхности дорожек качения подшипника. Повреждения из-за тока электрического разряда обычно сопровождаются появлением повышенного уровня шума при работе подшипников.

Для предотвращения такого рода повреждений, необходимо электрически изолировать посадочное место подшипника в корпусе или на валу. Однако, это влечет за собой дополнительные изменения в конструкции окружающих деталей. Простым и экономичным решением в этом случае является использование электрически изолированных подшипников качения NKE. Поскольку основные размерные параметры и характеристики электрически изолированных подшипников идентичны соответствующим неизолированным моделям подшипников, то их замена не потребует никаких изменений в общей конструкции машины.

Свойства и применение электрически изолированных подшипников

Электрическая изоляция подшипников NKE, с суффиксом SQ77 в условном обозначении подшипника, обеспечивается нанесением на детали подшипника электрической изоляции на основе керамической оксидной пленки. Обзор различных вариантов нанесения изолирующей пленки приведены ниже. Предлагаемые NKE электрически изолированные подшипники обладают точно такими же габаритами и техническими характеристиками, как и соответствующие типы неизолированных подшипников.

Наиболее важным преимуществом этих электроизолированных подшипников является более высокая эксплуатационная надежность, которая обеспечивается оптимальной защитой от электрической эрозии. Производство электрически изолированных подшипников обходится намного дешевле, чем, например, электрическое изолирование корпуса машины и валов. Эти подшипники взаимозаменяемы с обычными подшипниками качения, благодаря идентичным основным размерам и техническим характеристикам. Подшипники также позволяют снизить риск их повреждений из-за прохождения электрического тока и продлить их срок службы по сравнению с обычными подшипниками, установленными в электрических машинах. Надлежащая установка этих подшипников гарантирует отсутствие риска повреждения изоляционного покрытия.

Основной ассортимент электрически изолированных подшипников состоит из цилиндрических роликовых подшипников и радиальных шариковых подшипников, но и во все другие типы подшипников может быть добавлена функция электрической изоляции. Типичные области применения включают тяговые двигатели железнодорожного подвижного состава, общепромышленные электродвигатели и генераторы, особенно в сочетании с частотными преобразователями для управления приводами.

Процесс производства и принцип работы электроизолированных подшипников качения

В электрически изолированных подшипниках NKE изолирующее покрытие наносится на внешнее кольцо (суффикс SQ77 или SQ77C) или в отверстие внутреннего кольца (суффикс SQ77E или SQ77H) с помощью плазменного распыления на основе технологии тонких пленок. Во время плазменного распыления, создается электрическая дуга между двумя электродами с соответствующей подачей газа. Плазменная струя служит средой для плавления и переноса с высокой скоростью мелкодисперсного порошка оксида алюминия (Аl2О3) на наружное или внутреннее кольцо подшипника. Для получения наиболее эффективного защитного диэлектрического покрытия, этим порошком также покрывают боковые грани кольца. В следующей финальной стадии этого процесса на изолирующий слой наносится защитная пленка, предохраняющая его от ударов и для предотвращения проникновение в него влаги.


Диэлектрический эффект изоляционного покрытия зависит от частоты напряжения, вызывающего прохождение вредных токов в подшипниках. В случае постоянного напряжения, электрически изолированный подшипник имеет определенное омическое сопротивление. Причем чем выше это сопротивление, тем ниже протекающий через подшипник электрический ток. Обычно величина сопротивления электроизолированных подшипников превышает 50 Мегаом, тем самым ограничивая протекающий ток до уровня, который не приводит к повреждению подшипника.

В случае переменного напряжения, на первый план выходит преимущество электроизолированного подшипника емкостного характера. Подшипник ведет себя примерно так, как в параллельной электрической цепи, состоящей из сопротивления и конденсатора с частотно-зависимым сопротивлением, называемом импедансом. Сопротивление определяет величину переменного тока, протекающего через подшипник для заданных значений напряжения и частоты. Здесь также сопротивление должно быть, как можно выше для того, чтобы снизить электрический ток до уровня, который не способен повредить подшипник.

Для достижения более высоких значений импеданса, сопротивление изоляционного слоя должно быть высоким, а его емкость должна быть низкой. Это может быть достигнуто путем увеличения толщины изоляционного покрытия и за счет сокращения общей площади изолируемой поверхности. Отсюда следует, что предпочтительно изолирующее покрытие нужно наносить на отверстие внутреннего кольца. Однако это покрытие обычно наносится на внешнюю поверхность наружного кольца из соображений экономии и из-за ограничений, накладываемых технологическим процессом нанесения покрытия. В большинстве случаев это все приводит к более чем адекватной защите от поражения подшипника электрической эрозией. Еще одним важным свойством покрытия является его электрическая прочность. В зависимости от версии, электрически изолированные подшипники NKE имеют электрическую прочность не менее 1000 В или 2000 В.

Автор: Клаус Грисзенбергер, инженер-технолог компании NKE Austria GmbH.

Прохождение электрического тока привело к образованию кратеров и следов наподобие гофрированной бумаги на внутреннем кольце подшипника качения и боковой поверхности качения цилиндрического роликового подшипника.

О компании NKE Austria GmbH

Компания «NKE Austria GmbH» является производителем высококачественных подшипников с центральным офисом в городе Штайер (Австрия). Компания была основана в 1996 г. группой ведущих сотрудников бывшей компании «Steyr Wälzlager». Сегодня компания NKE производит стандартные и специальные подшипники для всех отраслей промышленности. Основные сферы деятельности компании охватывают проектирование, разработку новой продукции, производство компонентов и сборку изделий, контроль качества продукции, логистику, продажи и маркетинг. Производственные мощности компании сосредоточены в г. Штайер. Завод компании сертифицирован по стандартам ISO 9001:2008 (проектирование, разработка, производство и реализация подшипников), а также по стандартам ISO 14001:2004 и OHSAS 18001.

Компания предлагает:

• Широкий ассортимент стандартных подшипников
• Подшипники, изготовленные по специальному заказу
• Техническую поддержку потребителей (технические консультации, проектирование, послепродажное обслуживание, обучение и многое другое)

Сеть по сбыту продукции компании NKE насчитывает 15 международных представительств и свыше 240 дистрибьюторов в более чем 60 странах мира.

Источник информации: www.nke.at