Schutz gegen Lagerschäden

Der Autor: Klaus Grissenberger, Anwendungstechniker, NKE Austria, Steyr, Österreich

Liegt an einem Wälzlager eine elektrische Spannung zwischen Außen- und Innenring an, so kann dies zu einem schädlichen Stromdurchgang führen, in dessen Folge die Laufbahnen des Lagers nachhaltig geschädigt und dadurch die Laufeigenschaften verschlechtert werden. Im Falle eines Stromdurchganges kommt es zu elektrischen Entladungen in der Kontaktzone zwischen den Wälzkörpern und der Innen- oder Außenringlaufbahn. Dadurch werden die Oberflächen lokal angeschmolzen – Kraterbildung, Werkstoffübertrag und lokale Gefügeschädigungen durch thermische Beanspruchung des Werkstoffes sind die Folge. Zumindest eine sehr dünne Schicht der erodierten Fläche erfährt eine Neuhärtung und ist extrem hart und rissempfindlich. Dieser Vorgang wird als Elektrokorrosion bezeichnet und betrifft sehr häufig Lager in elektromechanischen Anwendungen wie Generatoren und Elektromotoren, aber auch mit E-Motoren angetriebene Arbeitsmaschinen wie zum Beispiel Pumpen und Getriebe. Weiterhin wird durch den Stromfluss auch der Schmierstoff unbrauchbar gemacht. Das Grundöl und die im Schmierstoff enthaltenen Additive oxidieren, eine typische Schwarzfärbung ist die Folge. Durch das vorzeitige Altern wird die Fähigkeit des Schmierstoffs, die metallischen Oberflächen zu trennen, nachhaltig beeinträchtigt. Aus der Beschädigung der Funktionsflächen des Lagers und dem Verlust an Schmierwirkung resultiert ein rapider Verlust der Funktionsfähigkeit des Lagers.

Die Hauptursachen für einen Stromdurchgang sind bekannt. Asymmetrien im magnetischen Fluss einer elektrischen Maschine bewirken eine niederfrequente Spannung zwischen Welle und Gehäuse, welche einen Stromfluss durch die Wälzlager verursacht. Auch die Verwendung von ungeschirmten, asymmetrischen Kabeln kann bei unzureichender Erdung der elektrischen Maschine zu einem Stromfluss durch die Wälzlager führen. Eine weitere Ursache stellt der Einsatz von Frequenzumrichtern dar: Das Arbeitsprinzip vieler Umrichter basiert auf Pulsweitenmodulation (PWM) und bedingt eine hochfrequente Gleichtaktspannung, welche ebenfalls einen Stromfluss durch die Wälzlager bewirkt. Schließlich ist noch die elektrostatische Aufladung von Welle und Gehäuse mit anschließender Entladung über die Wälzlager zu nennen.

Typisch für Elektrokorrosion sind graue, mattierte Spuren in den Laufbahnen und an den Wälzkörperoberflächen. Des Weiteren sind Schmelzkrater (Bilder links) oder eine Riffelung primär in den Laufbahnoberflächen zu erkennen. Schäden infolge von Stromdurchgang machen sich meist durch ein erhöhtes Laufgeräusch im Betrieb bemerkbar.

Zur Prävention dieser Schäden bietet sich die Isolierung des Lagersitzes im Gehäuse oder an der Welle an. Dies ist allerdings mit zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen an den Umgebungsteilen verbunden. Eine einfache und wirtschaftliche Lösung stellen hier elektrisch isolierte Wälzlager von NKE dar. Es sind keine konstruktiven Anpassungen nötig, da die Hauptabmessung und Leistungsdaten der isolierten Lager identisch mit denen der jeweiligen nicht isolierten Typen sind.

Elektrisch isolierte Lager von NKE sind mit einer oxid- keramischen Isolationsschicht versehen und mit dem Nachsetzzeichen SQ77 gekennzeichnet. Eine Übersicht zu den unterschiedlichen Ausführungsvarianten der Isolationsschicht ist in der Tabelle enthalten. Elektrisch isolierte Wälzlager von NKE weisen identische Außenabmessungen und Leistungsdaten zu den entsprechenden nicht isolierten Typen auf.

Die wichtigsten Vorteile sind eine höhere Betriebssicherheit, die durch den optimalen Schutz gegen Elektrokorrosion gewährleistet wird. Elektrisch isolierte Lager sind wirtschaftlicher als zum Beispiel eine Isolierung an Gehäusen oder Wellen. Sie sind mit konventionellen Lagern austauschbar, da die Hauptabmessungen und technischen Charakteristika konventionellen Lagern entsprechen. Die Lager bieten ein verringertes Schadensrisiko und somit eine verlängerte Lebensdauer im Gegensatz zu konventionellen Lagern in elektrischen Maschinen. Die Gefahr einer Beschädigung der Beschichtung besteht bei fachgerechter Handhabung der elektrisch isolierten Lager nicht. Das Hauptauswahlsortiment für stromisolierte Lager sind Rillen- und Zylinderrollenlager. Es können jedoch auch alle anderen Lagerarten stromisoliert werden. Einsatzgebiete sind unter anderem Fahrmotoren von Schienenfahrzeugen, Elektromotoren und Generatoren, speziell in Verbindung mit den schnell schaltenden Frequenzumrichtern.

Bei elektrisch isolierten Lagern von NKE wird die Isolierung im Plasmaspritzverfahren, einer Dünnschichttechnik, auf den Außenring (SQ77 bzw. SQ77C, Bild oben) oder auf den Innenring (SQ77E bzw. SQ77H, Bild unten) aufgebracht. Beim Plasmaspritzverfahren wird zwischen Elektroden ein Lichtbogen erzeugt, bei dem adäquates Gas zugeführt wird. Der Plasmastrahl dient als Trägermedium, um das Aluminiumoxidpulver (Al2O3) mit hoher Geschwindigkeit auf den Innen- oder Außenring aufzutragen. Die so entstehende Aluminiumoxidschicht erstreckt sich über Plan- und Stirnfläche der Wälzlagerringe. In einem anschließenden Prozessschritt wird die Schicht noch versiegelt, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu unterbinden.

Die Wirkung der Isolationsschicht hängt von der Frequenz der Spannung ab, welche die schädlichen Lagerströme verursacht. Im Falle einer Gleichspannung stellt das isolierte Lager einen Ohmschen Widerstand dar. Je höher der Widerstand, desto geringer der Stromfluss. Der Widerstandswert der isolierten Lager liegt bei über 50 MΩ und begrenzt den elektrischen Strom auf einen für das Lager unbedenklichen Wert.

Bei Wechselspannung kommt der kapazitive Charakter des isolierten Lagers zum Tragen. Das Lager verhält sich in diesem Fall in erster Näherung wie eine Parallelschaltung aus Widerstand und Kondensator mit einem von der Frequenz abhängigen Widerstand, der sogenannten Impedanz. Die Impedanz bestimmt die Größe des Wechselstroms, der bei gegebener Spannung und Frequenz durch das Lager fließt. Auch hier gilt, dass die Impedanz möglichst groß sein soll, um den Strom auf ein für das Lager unbedenkliches Maß zu reduzieren.

Um nun eine hohe Impedanz zu erreichen, muss der Widerstand der isolierenden Schicht groß und deren Kapazität gering sein. Dies kann durch eine möglichst dicke Isolationsschicht mit kleiner Oberfläche erreicht werden. Umgelegt auf die Lager bedeutet dies, dass die Beschichtung vorteilhaft an der Bohrung des Innenrings aufzubringen ist. Aus Kostengründen und bedingt durch das Fertigungsverfahren wird jedoch standardmäßig der Außendurchmesser beschichtet. In den meisten Fällen ergibt sich auch hier ein mehr als ausreichender Schutz vor Elektrokorrosionsschäden. Ein weiteres Merkmal der Beschichtung ist die Durchschlagfestigkeit. Die Durchschlagspannung liegt bei Lagern von NKE je nach Ausführung bei mindestens 1000 V oder 2000 V. I

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Rene Hörwertner, Leitung Marketing

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Detaillierte Informationen zu den elektrisch isolierten Wälzlagern