Izolowane elektrycznie łożyska toczne. Ochrona przed uszkodzeniem łożysk spowodowanym przepływem prądu

Jeżeli w łożysku tocznym między pierścieniem zewnętrznym a wewnętrznym pojawi się napięcie elektryczne, może ono spowodować niepożądany przepływ prądu, 
w wyniku którego nastąpi trwałe uszkodzenie powierzchni tocznych łożyska, a co za tym idzie - pogorszenie ich parametrów tocznych. W sytuacji przepływu prądu dochodzi do wyładowań elektrycznych w strefie styku między elementami tocznymi a powierzchnią toczną pierścienia wewnętrznego lub zewnętrznego. Wyładowania te skutkują miejscowym nadtopieniem powierzchni, a przeciążenie termiczne materiału prowadzi do powstania drobnych kraterów, przenoszenia materiału i lokalnych zmian struktury stali. Co najmniej jedna bardzo cienka warstwa erodowanej płaszczyzny zostaje zahartowana na nowo i staje się niezwykle twarda oraz krucha. Proces ten, określany mianem korozji elektrycznej, bardzo często dotyczy łożysk stosowanych w zespołach elektromechanicznych, takich jak generatory i silniki elektryczne, jak również urządzeń roboczych napędzanych silnikami elektrycznymi, np. pomp i przekładni. Przepływający prąd niszczy także smar.

Możliwe przyczyny niepożądanych przepływów prądu przez łożyska toczne
Główne przyczyny przepływu prądu są znane. Asymetrie magnetyczne, do których dochodzi w urządzeniu elektrycznym, powodują powstanie napięcia o niskiej częstotliwości między wałem a obudową, co skutkuje przepływem prądu przez łożysko. Także stosowanie nieekranowanych, niesymetrycznych kabli może - przy niedostatecznym uziemieniu urządzenia elektrycznego - doprowadzić do przepływu prądu przez łożyska toczne. Inną przyczyną jest używanie przetworników częstotliwości: wiele przetworników działa w oparciu o modulację szerokości impulsu (PWM), co wiąże się z różnicą potencjału elektrycznego o wysokiej częstotliwości, również powodującą przepływ prądu przez łożyska toczne. Na koniec należy wymienić także naładowanie elektrostatyczne wału i obudowy, prowadzące do wyładowań w łożyskach.

Opisy uszkodzeń i możliwe sposoby zapobiegania
Typową oznaką korozji elektrycznej są szare, matowe ślady na płaszczyznach tocznych i na powierzchni elementów tocznych. Ponadto na powierzchniach tocznych dostrzec można ślady nadtopienia (zdjęcia la i lb) lub żłobkowanie. O uszkodzeniach łożysk spowodowanych przepływem prądu najczęściej świadczy nadmierny hałas towarzyszący pracy urządzenia. Proste i ekonomiczne rozwiązanie stanowią tu natomiast izolowane elektrycznie łożyska toczne firmy NKE.
Nie wymagają one żadnej ingerencji w konstrukcję, ponieważ mają identyczne wymiary zewnętrzne i parametry techniczne jak łożyska standardowe.

Przebicia prądu doprowadziły do powstania uszkodzeń na powierzchni tocznej pierścienia wewnętrznego (zdjęcie 1a) i powierzchni elementu tocznego (zdjęcie 1b) łożyska walcowego.

Elektrycznie izolowane łożyska - właściwości i zastosowanie
Izolowane elektrycznie łożyska firmy NKE mają warstwę izolacyjną z ceramiki tlenkowej i dodatkowe oznaczenie SQ77. Wykaz wariantów wykonania warstwy izolacyjnej przedstawiono w umieszczonej na końcu tekstu tabeli. Izolowane elektrycznie łożyska firmy NKE mają identyczne wymiary zewnętrzne i parametry techniczne jak ich konwencjonalne odpowiedniki.
Największą ich zaletą jest zwiększone bezpieczeństwo eksploatacji, zapewnione przez optymalną ochronę przed korozją elektryczną. Izolowane elektrycznie łożyska są bardziej ekonomiczne niż np. izolacja obudów lub wałów. Można je stosować zamiast łożysk tradycyjnych, ponieważ mają takie same wymiary i właściwości. Obniżają ryzyko powstania uszkodzeń, a tym samym zapewniają dłuższą żywotność w porównaniu z konwencjonalnymi łożyskami w urządzeniach elektrycznych. Przy prawidłowym postępowaniu z izolowanymi elektrycznie łożyskami nie zachodzi ryzyko uszkodzenia ich powłok.
Główny asortyment łożysk izolowanych elektrycznie to łożyska kulkowe zwykłe i łożyska walcowe. Zaizolować elektrycznie można jednak także inne rodzaje łożysk. Obszary zastosowania to między innymi silniki pojazdów szynowych, silniki elektryczne i generatory, zwłaszcza w połączeniu z szybko przełączającymi się przetwornikami częstotliwości.

Proces produkcyjny i działanie izolowanych elektrycznie łożysk tocznych

W przypadku łożysk z izolacją elektryczną firmy NKE warstwa izolacyjna nakładana jest metodą natryskiwania plazmowego, technologią cienkowarstwową, na pierścień zewnętrzny (SQ77 lub SQ77C) lub na pierścień wewnętrzny (SQ77E lub SQ77H). Podczas procesu natryskiwania plazmowego pomiędzy elektrodami powstaje łuk elektryczny, do którego doprowadza się odpowiedni gaz. Działanie warstwy izolacyjnej zależy od częstotliwości napięcia, które wywołuje niepożądane przepływy prądu. W wypadku napięcia stałego zaizolowane łożysko wytwarza rezystancję. Im wyższy jest opór, tym mniejszy przepływ prądu. Wartość oporu łożyska izolowanego wynosi ponad 50 MO i ogranicza przepływ prądu elektrycznego do wartości nieistotnej dla łożyska. Inną cechą warstwy izolacyjnej jest jej wytrzymałość na przebicie. Napięcie przebicia dla łożysk firmy NKE wynosi, w zależności od wersji, co najmniej 1000 V lub 2000 V.

NKE Austria GmbH Im Stadtgut C4 A-4407 Steyr, Austria