Ochrona łożysk w silnikach elektrycznych stosowanych w urządzeniach gospodarstwa domowego przed uszkodzeniami w wyniku przepływu prądu
 

Autor: Daniel R. Snyder, P.E.

Zadaniem łożysk tocznych w silnikach elektrycznych jest podpieranie i ustalanie położenia wirnika, utrzymywanie małej i równomiernej szczeliny powietrznej oraz przenoszenie obciążeń z wału na korpus silnika.

Istnieje wiele aplikacji silników elektrycznych w urządzeniach powszechnego użytku. Między innymi silniki jednofazowe z przesunięciem fazowym, silniki z kondensatorem rozruchowym i silniki z kondensatorem pracy standardowo służą do napędu bębnów pralek; silniki z uzwojeniem pomocniczym zwartym i silniki z kondensatorem pracy są używane do zasilania pomp wody zmywarek do naczyń, okapów kuchennych, systemów wentylacyjnych i wentylatorów; jednofazowe silniki indukcyjne napędzają bębny suszarek bębnowych. 

W tych wszystkich silnikach elektrycznych stosowanych w urządzeniach gospodarstwa domowego wykorzystuje się do łożyskowania różnego rodzaju układy łożysk kulkowych, aby uzyskać wysoką sprawność napędu, niski poziom hałasu i drgań oraz osiągnąć optymalną trwałość eksploatacyjną bez dosmarowywania łożysk. 

Ale przedwczesne uszkodzenia łożysk mogą być wynikiem wielu przyczyn pierwotnych, ostatecznie wpływających na jakość pracy urządzenia, gwarancję i konieczność naprawy sprzętu. Szczególne zagrożenie stanowią elektryczne prądy błądzące przepływające przez łożyska i wywołujące znaczne uszkodzenia w postaci erozji elektrycznej.

Problem
Kiedy prąd błądzący w maszynie wykorzystuje łożysko jako drogę do uziemienia, powstające w wyniku tego zjawiska uszkodzenie jest określane jako „uszkodzenie łożyska przez łuk elektryczny”. Najpowszechniejsze przyczyny wystąpienia uszkodzenia łożyska na skutek łuku elektrycznego obejmują asymetrię obwodu magnetycznego silnika, nieekranowane przewody zasilające oraz szybko przełączane napędy o zmiennej częstotliwości do silników z regulacją prędkości. 

Jak tylko nastąpi uszkodzenie łożyska w wyniku przepływu prądu, nadmierne drgania, wzrost temperatury, zwiększony poziom hałasu oraz zmniejszona skuteczność smaru w łożyskach silnika przyczynią się do skrócenia trwałości użytkowej łożyska. 

Wielkość uszkodzenia łożysk zależy od ilości energii łuku elektrycznego i czasu jego oddziaływania na łożysko. Jednakże skutek dla łożyska zazwyczaj będzie taki sam: uszkodzenia w postaci wżerów (pitting) na elementach tocznych i bieżniach, szybka degradacja środka smarnego a w konsekwencji przedwczesne uszkodzenie łożyska silnika i całego urządzenia.  

Dlaczego następuje wyładowanie łukowe:
Wyładowanie łukowe wystąpi, jeżeli istnieje różnica potencjałów miedzy wałem silnika a oprawą łożyska. (Nawet różnica potencjału rzędu kilku woltów może spowodować takie wyładowanie).
Poziom napięcia w momencie wystąpienia wyładowania łukowego zależy od rozmiaru elementów tocznych, prędkości roboczej, częstotliwości prądu i geometrii łożyska.

Jaki jest skutek uszkodzenia:
Kiedy prąd elektryczny przepływa przez strefę styku elementów tocznych i bieżni w łożysku, energia wyładowania elektrycznego powoduje wydzielanie ciepła, wywołując miejscowe stopienie powierzchni. Łożyska wyglądają, jak gdyby zostały poddane „świetlnym uderzeniom”, które stopiły i odpuściły wewnętrzne powierzchnie w łożysku. W efekcie część materiału powierzchni ulega oderwaniu i powoduje powstanie bardzo małych wgłębień przyczyniających się do podniesienia poziomu hałasu łożyska i skrócenia jego trwałości eksploatacyjnej.  

Powstawanie „kraterów” jest prawdopodobnie najpowszechniej spotykanym efektem uszkodzenia spowodowanego przez wyładowanie łukowe. Ten rodzaj uszkodzenia charakteryzuje się występowaniem śladów w postaci wytopionych wgłębień (niewidocznych gołym okiem). Matowo-szara powierzchnia elementu tocznego stanowi wizualny sygnał ostrzegawczy, że w łożysku pojawiły się kratery spowodowane przepływem prądu, czyli że łożysko uległo uszkodzeniu.  

Innym zauważalnym ostrzeżeniem informującym o uszkodzeniu łożyska z powodu wystąpienia łuku elektrycznego jest pojawienie się charakterystycznych wzorów w postaci żłobków (inaczej „sfalowania powierzchni”) na bieżniach łożyska. Żłobkowanie jest spowodowane przez dynamiczny efekt ciągłego przetaczania się elementów tocznych po mikrokraterach i wytrawiania miarowego wzoru na bieżniach łożyska. Poziom drgań i hałasu pochodzących z łożyska wzrasta a ostatecznie pogorszenie się stanu łożyska prowadzi do jego całkowitej awarii.  

Rozwiązanie
W poszukiwaniu zabezpieczenia się przed problemem, sięgnięto po najnowsze rozwiązania w dziedzinie technologii i materiałów. Jednym rozwiązaniem jest zastosowanie łożysk kulkowych hybrydowych (w których stalowe elementy toczne zastąpiono kulkami ceramicznymi).

Łożyska kulkowe hybrydowe. To alternatywne rozwiązanie dla wykonanych całkowicie ze stali łożysk posiada pierścienie wykonane ze stali łożyskowej i elementy toczne z azotku krzemu klasy łożyskowej. Ponieważ azotek krzemu charakteryzuje się wysoką rezystywnością, łożyska hybrydowe zapewniają idealną izolację przed przepływem prądu elektrycznego w silnikach prądu stałego i zmiennego. Dodatkowo łożyska hybrydowe mają wyższą dopuszczalną prędkość maksymalną i z różnych powodów uzyskują większą trwałość eksploatacyjną niż łożyska całkowicie wykonane ze stali w większości aplikacji.

Wśród głównych parametrów odróżniających łożyska hybrydowe od ich konwencjonalnych odpowiedników całkowicie wykonanych ze stali są:

• Niższa gęstość. Kulki z azotku krzemu mają o 40% mniejszą gęstość niż kulki stalowe o tym samym rozmiarze, co powoduje zmniejszenie siły odśrodkowej i tarcia. To oznacza wyższe prędkości, mniejszy ciężar, mniejszą bezwładność, oraz szybszy rozruch i zatrzymanie. W skrócie, łożyska mogą pracować z większą prędkością i przy niższej temperaturze, w ten sposób ograniczając zużycie energii. 
• Wyższa twardość. Kulki ceramiczne są twardsze niż zarówno stal jak i cząsteczki potencjalnych zanieczyszczeń. To oznacza, że łożyska mogą wyeliminować cząsteczki zanieczyszczeń albo poprzez ich rozkruszenie, albo wgniecenie ich w (bardziej miękkie) stalowe pierścienie, gdzie są mniej szkodliwe. 
• Niższe tarcie. Niski współczynnik tarcia azotku krzemu zwiększa odporność na zużycie, co umożliwia pracę łożyska z niższą temperaturą nawet w warunkach złego smarowania. To oznacza lepsze smarowanie, niższy poziom hałasu i niższe temperatury robocze. 
• Wyższy moduł sprężystości. Ceramiczne elementy toczne mają o 50% wyższy moduł sprężystości niż stal. To oznacza zwiększoną sztywność łożyska i zmniejszone ugięcie pod obciążeniem, a w efekcie większą niezawodność pracy.
• Niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej. Ceramiczne elementy toczne mają współczynnik rozszerzalności termicznej równy jedynie 29% tego parametru dla stalowych elementów tocznych. To oznacza mniejszą czułość na gradienty temperatury, co zapewnia dokładniejszy rozkład obciążenia. 

Z perspektywy jakości pracy i niezawodności urządzenia łożyska hybrydowe mogą:
• Wydłużyć trwałość eksploatacyjną. Właściwości ceramiki pozwalają na uzyskiwanie trwałości użytkowej do dziesięciu razy większej niż żywotność standardowych łożysk stalowych. 
• Zredukować temperatury robocze. Ciepło generowane w łożyskach zależy od tarcia lepkościowego między kulkami a bieżniami. Źródło obciążenia jest zarówno zewnętrzne jak i wewnętrzne i niewiele można zrobić, aby zmniejszyć obciążenia zewnętrzne. Jednakże dzięki temu, że kulki ceramiczne mają tylko 40% gęstości kulek stalowych, w łożysku jest generowana przez kulki mniejsza siła odśrodkowa i niższe jest tarcie wewnętrzne. To przenosi się na pracę z niższą temperaturą w tych samych warunkach roboczych (lub jeśli ma to zastosowanie, wyższą prędkość obrotową przy utrzymaniu tej samej temperatury). 
• Mniejsze zużycie spowodowane drganiami. W urządzeniach narażonych na drgania statyczne istnieje ryzyko wystąpienia tzw. fałszywych odcisków Brinella (zużycia powierzchni w miejscach styku kulek z bieżnią), co może doprowadzić do łuszczenia powierzchni i przedwczesnego uszkodzenia łożyska. Kulki ceramiczne o mniejszym ciężarze ograniczają niebezpieczeństwo wystąpienia fałszywych odcisków Brinella do minimum. 



Daniel R. Snyder, P.E., jest dyrektorem Działu Inżynierii Zastosowań w Dywizji Przemysłowej SKF, SKF USA Inc.

Kontakt: SKF Polska S.A., www.skf.pl