Elektricky izolovaná valivá ložiska mají elektrickou izolaci integrovanou do ložiska a poskytují spolehlivou ochranu proti průchodu proudu a elektrokorozi. Rakouský výrobce NKE Austria GmbH nabízí elektricky izolovaná valivá ložiska v různých provedeních. Typické je jejich použití pro elektromotory, generátory a jiné elektrické stroje.

Pokud vzniká u valivého ložiska elektrické napětí mezi vnějším a vnitřním kroužkem, může to vést ke škodlivému průchodu proudu, v jehož důsledku jsou valivé dráhy ložiska trvale poškozeny a tím se zhoršují valivé vlastnosti. V případě průchodu proudu dochází k elektrickému výboji v kontaktní zóně mezi valivými tělesy a valivou drahou vnitřního nebo vnějšího kroužku. Tím jsou povrchy lokálně nataveny – důsledkem je tvoření prohlubenin, přenos materiálu a lokální poškození struktury tepelným namáháním materiálu. Minimálně velmi tenká vrstva narušené plochy prodělává nové tvrzení a je extrémně tvrdá a choulostivá, se sklonem k praskání. Tento proces je označován jako elektrokoroze a postihuje velmi často ložiska s elektromechanickým použitím, jako jsou ložiska pro generátory, elektromotory, ale i pracovní stroje poháněné elektromotory, např. čerpadla a hnací mechanismy. Dále se průchodem proudu také stává nepoužitelným mazací prostředek. Základní olej a aditiva obsažená v mazacím prostředku oxidují, důsledkem je pak typické černé zabarvení. Předčasným zestárnutím je trvale poškozena schopnost mazacího prostředku oddělit kovové povrchy. Z poškození funkčních ploch ložiska a ztráty mazacího účinku pak plyne rapidní zhoršení funkčnosti ložiska.

Možné příčiny nežádoucích elektrických proudů procházejících valivými ložisky

Hlavní příčiny průchodu proudu jsou známy. Asymetrie v magnetickém toku elektrického stroje ovlivňují nízkofrekvenční napětí mezi hřídelí a pouzdrem, které způsobuje průchod proudu valivými ložisky. Také použití nestíněných, asymetrických kabelů může vést při nedostatečném uzemnění elektrického stroje k průchodu proudu valivými ložisky. Další příčinu představuje použití frekvenčních měničů. Princip fungování mnoha měničů je založen na pulzně šířkové modulaci (PWM) a způsobuje vysokofrekvenční soufázové napětí, které zase ovlivňuje průchod proudu valivými ložisky. Nakonec je třeba ještě uvést elektrostatické nabití hřídele a krytu s následným vybitím přes valivá ložiska.

Typy poškození a možná preventivní opatření

Typické pro elektrokorozi jsou šedé, matné stopy ve valivých drahách a na povrchu valivých těles. Dále je možné rozeznat tavné prohlubeniny (obrázky 1a a 1b) nebo rýhování, primárně v povrchu valivých drah. Poškození v důsledku průchodu proudu jsou patrná většinou díky zvýšenému hluku při chodu stroje v provozu.

Pro prevenci proti těmto škodám se nabízí izolovat usazení ložiska v krytu nebo na hřídeli. To je ovšem spojeno s dodatečnými konstrukčními opatřeními na okolních dílech. Jednoduché a hospodárné řešení představují elektricky izolovaná valivá ložiska NKE. Nejsou zapotřebí žádná konstrukční přizpůsobení, protože hlavní rozměry a výkonová data izolovaných ložisek jsou identická s ložisky neizolovaného typu.

Elektricky izolovaná ložiska – vlastnosti a použití

Elektricky izolovaná ložiska NKE jsou opatřena oxidovanou keramickou izolační vrstvou a jsou označena dodatečným symbolem SQ77. Přehled různých variant provedení izolační vrstvy je obsažen v tabulce 1. Elektricky izolovaná valivá ložiska NKE vykazují identické vnější rozměry a výkonová data, jako adekvátní neizolované typy ložisek.

Nejdůležitějšími výhodami jsou vyšší provozní bezpečnost, která je zajištěna díky optimální ochraně proti elektrokorozi. Elektricky izolovaná ložiska jsou hospodárnější než například izolace na krytech nebo hřídelích. Jsou zaměnitelná s tradičními ložisky, protože hlavní rozměry a technické charakteristiky odpovídají těmto tradičním ložiskům. Ložiska poskytují snížené riziko poškození a tím prodloužení životnosti oproti tradičním ložiskům v elektrických strojích. Při odborné manipulaci s elektricky izolovanými ložisky nehrozí nebezpečí poškození povrchové vrstvy.

Hlavním sortimentem proudově izolovaných ložisek jsou kuličková a válečková valivá ložiska. Proudově izolované mohou však být všechny ostatní druhy ložisek. Oblasti použití jsou mimo jiné dráhové motory kolejových vozidel, elektromotory a generátory, speciálně ve spojení s rychlospínacími frekvenčními měniči.

Postup výroby a účinek elektricky izolovaných valivých ložisek

U elektricky izolovaných ložisek NKE je izolace nanášena procesem plazmového nástřiku, tenkovrstvou technikou, na vnější kroužek (SQ77 nebo SQ77C, obrázek 2a) nebo na vnitřní kroužek (SQ77E nebo SQ77H, obrázek 2b). U tohoto postupu je mezi elektrodami vytvořen elektrický oblouk, u kterého je přiváděn adekvátní plyn. Proud plazmy slouží jako nosné médium, aby byl prášek oxidu hlinitého (Al2O3) nanesen vysokou rychlostí na vnitřní nebo vnější kroužek. Takto vzniklá vrstva oxidu hlinitého se rozprostře na čelní plochy kroužků valivých ložisek. V následujícím kroku procesu je vrstva ještě zapečetěna, aby bylo zamezeno pronikání vlhkosti.

Působení izolační vrstvy závisí na frekvenci napětí, které způsobuje škodlivé ložiskové proudy. V případě stejnosměrného napětí představuje izolované ložisko ohmický odpor. Čím vyšší je odpor, tím menší je tok proudu. Hodnota odporu izolovaného ložiska je více než 50 MΩ a omezuje elektrický proud na hodnotu pro ložisko nevýznamnou.

U střídavého napětí je využit kondenzátorový charakter izolovaného ložiska. Ložisko se v tomto případě chová přibližně jako paralelní zapojení z odporu a kondenzátoru s odporem závislým na frekvenci, tzv. impedanci. Impedance určuje velikost střídavého proudu, který při daném napětí a frekvenci teče ložiskem. I zde platí, že impedance by měla být pokud možno velká, aby byl proud redukován na hodnotu pro ložisko nevýznamnou.

Aby bylo dosaženo vysoké impedance, musí být odpor izolující vrstvy velký a kapacita malá. To je možné dosáhnout pokud možno silnou izolační vrstvou s malým povrchem. Ve vztahu k ložisku to znamená, že je výhodné, aby vrstva byla nanesena na vývrt vnitřního kroužku. Z nákladových důvodů a s ohledem na výrobní postup je však standardně povrstven vnější průměr. Ve většině případů vzniká i zde více než dostatečná ochrana proti škodám způsobeným elektrokorozí. Dalším znakem nanesené vrstvy je pevnost proti proražení. Napětí průrazu je u ložisek NKE podle provedení minimálně 1000 V nebo 2000 V.

Autor:
Klaus Grissenberger, aplikační technik NKE Austria GmbH ve Steyru.

nke2