Подшипники качения с электроизоляцией – защита подшипника от повреждений в результате прохождения через них электрического тока
Рис. 1a
В неблагоприятных рабочих условиях подшипники электроустановок могут выйти из строя в результате прохождения через них электрического тока. Электрические разряды происходят в контактной зоне между телами качения и внутренней или внешней дорожкой качения. В результате возникает локальное оплавление поверхностей, которое, в свою очередь, ведет к образованию воронок, изменению свойств материала и локальному повреждению микроструктуры, ведь материал подвергается термическому воздействию. По крайней мере, верхний слой эродированной поверхности подвергается процессу повторной закалки, в результате чего приобретает повышенную твердость и становится подверженным растрескиванию. Данный процесс называется электрокоррозией. Кроме того, смазка становится бесполезной. Базовое масло и присадки, содержащиеся в смазке, окисляются, окрашивая смазку в черный цвет. Такое преждевременное старение полностью лишает смазку способности изолировать металлические поверхности. Повреждения функциональных поверхностей подшипника и потеря смазывающего эффекта значительно ускоряют истирание, а значит, и снижают эффективность его работы.
Возможные причины нежелательного протекания тока через подшипникиВыделяют несколько основных причин токовых разрядов. Ассиметричность магнитных силовых линий электрической установки повышает низкочастотное напряжение между валом и корпусом, способное вызвать протекание тока через роликовые подшипники. Подобное протекание тока может также быть вызвано применением неэкранированных ассиметричных кабелей, что наблюдается, если агрегат не заземлен или контакт на землю не действует. Еще одной причиной может стать использование частотных преобразователей: принцип работы частотных преобразователей основан на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая порождает высокочастотное синфазное напряжение, также способное вызвать протекание тока через подшипники качения. Наконец, электростатическая зарядка вала и корпуса может привести к тому, что разряжение происходит через подшипники качения.
Симптомы повреждения и возможные меры по предотвращению
К типичным признакам электрической коррозии относят наличие серых тусклых следов на дорожках качения и на телах качения. Кроме того, на дорожках качения могут наблюдаться оплавленные воронки (рис. 1а и 1b) или бороздки. Повреждения по причине токовых разрядов легко определить по увеличению уровня шума во время работы.
Во избежание повреждений такого рода рекомендуется изолировать опору подшипника внутри корпуса или на валу. Тем не менее, такая изоляция вынуждает изменять конструкцию окружающих деталей.
В данном случае самым простым и экономичным решением является использование подшипников качения с электрической изоляцией, поскольку они ни в чем не уступают неизолированным подшипникам и одновременно не вызывают потребность изменять всю конструкцию.
Подшипники с электрической изоляцией – свойства и применение
На подшипники с электрической изоляцией производства NKE (с суффиксом SQ77) нанесен специальный изоляционный слой из оксидной керамики. Такие подшипники обладают абсолютно такими же наружными размерами и техническими характеристиками, как и их неизолированные аналоги.
Их важнейшее достоинство заключается в повышенной надежности, достигаемой за счет оптимальной защиты от электрической коррозии. Подшипники с электрической изоляции обходятся дешевле, чем, к примеру, нанесение изоляции на корпуса или валы. Они полностью эквиваленты обычным подшипникам, так как обладают такими же ключевыми размерами и техническими характеристиками. Кроме того, они снижают вероятность повреждения подшипника, то есть фактически продлевают срок службы подшипника в электроагрегате. С обычными подшипниками это невозможно. При соблюдении соответствующих правил обращения гарантируется целостность покрытия подшипников.
В большинстве своем подшипники с электроизоляцией – это цилиндрические роликовые подшипники и шариковые радиальные подшипники. Однако это не означает, что на другие типы подшипников нельзя нанести подобную изоляцию. К областям применения относятся, в частности: тяговые двигатели железнодорожных составов, электродвигатели и генераторы, особенно те, что используются с быстродействующими частотными преобразователями.
Производственный процесс и эффект от использования роликовых подшипников с электроизоляцией
Изоляционное покрытие на подшипники NKE наносится методом плазменного напыления, причем либо на внешнее кольцо (SQ77 – рис. 2a), либо на внутреннее кольцо (SQ77E – рис. 2b). Суть метода плазменного напыления состоит в том, что между двумя электродами создается электрическая дуга, и в это место подается струя газа. Струя плазмы исполняет роль вспомогательного, "передаточного" материала, позволяющего в высокоскоростном режиме нанести на внешнее или внутреннее кольцо окись алюминия (Al2O3). Чтобы получить оптимальную защиту оксидным слоем покрывают также боковые поверхности колец, на которые наносится изоляция. Следующий этап – герметизация слоя, препятствующая попаданию влаги.
Физический эффект изоляционного слоя зависит от частоты напряжения, вызывающего протекание губительных для подшипников токов. Если речь идет о постоянном напряжении, изолированные подшипники приобретают омическое, или активное, сопротивление. Чем выше это сопротивление, тем ниже сила электрического тока. Значение сопротивления изолированных подшипников превышает 50 Ом, тем самым сдерживая силу протекающего через подшипники тока на таком уровне, который не может причинить вред подшипникам.
Емкостная природа изолированного подшипника является достоинством, если речь идет о переменном напряжении. В таком случае подшипник ведет себя как параллельно подключенный контур, состоящий из резистора и конденсатора и характеризующийся частотно-зависимым сопротивлением, или полным сопротивлением. Полное сопротивление позволяет вычислить величину переменного тока, протекающего через подшипники, при определенном напряжении и частоте. При этом, так же, как и в случае с постоянным напряжением, полное сопротивление при переменном напряжении должно быть максимально высоким. Только в таком случае удастся снизить силу тока до такого уровня, который не может причинить вред подшипникам.
Для достижения высоких значений полного сопротивления необходимо, чтобы изоляционный слой обладал высоким сопротивлением и низкой емкостью. Для этого слой изоляции должен обладать максимальной толщиной и распространяться на как можно меньшую площадь. На примере подшипников это означает, что такой слой лучше всего наносить на внутренний диаметр. Однако по экономическим и производственным соображениям покрытие обычно наносится на внешний диаметр. В большинстве случаев этого достаточно для обеспечения адекватной защиты от электрической коррозии. Еще одно немаловажное свойство покрытия – его диэлектрическая прочность. Номинальная диэлектрическая прочность подшипников производства NKE равна 1000 В.
Рис. 1b
Рисунки 1a и 1b. Протекание тока вызвало образование отверстий/воронок на внутренней дорожке качения (рис. 1a) и боковой поверхности тел качения (рис. 1b) цилиндрического роликового подшипника.
Рис. 2a и 2b. Изоляционное покрытие на подшипники NKE наносится по внешнему диаметру NKE (SQ77 – рис. 2a) или внутреннему диаметру (SQ77E – рис. 2b) методом плазменного напыления по тонкопленочной технологии.
Рис. 3. Шариковые радиальные подшипники NKE SQ77E с изоляцией по внутреннему диаметру.
Получите дополнительную информацию…
