Isolierte Wälzlager von SKF vermeiden Stromschäden

Lagertechnik

Isolierte Wälzlager von SKF vermeiden Stromschäden

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Isolierte Lager verhindern frühzeitige Lagerausfälle, die letztlich durch elektrische Streuströme verursacht werden. Zu diesem Zweck müssen die Isolationseigenschaften der Lager stabil bleiben, insbesondere bei Lagerung, Handhabung und Betrieb in feuchter Umgebung. Deshalb hat SKF seine bewährten Insocoat-Lösungen weiter optimiert.

Karl Preis, Experte für Beschichtungstechnik, SKF Österreich AG, Steyr, Österreich

Inhaltsverzeichnis

1. Lager mit integrierter thermischer Spritzschicht
2. Alte Insocoat-Generation: Manko ausgemerzt
3. Neue Insocoat-Lager: deutlich leistungsstärker

 

Lagerschäden können auftreten, wenn elektrische Ströme den Wälzkontakt als leitende Verbindung nutzen – beispielsweise in elektrischen Fahrmotoren von Schienenfahrzeugen. Das Tribosystem eines Lagers bestimmt das elektrische Verhalten des Wälzkontaktes und die daraus folgenden Konsequenzen. Im Stillstand weist das Lager einen niedrigen ohmschen Widerstand auf, es befindet sich in einem gut leitenden Zustand. Aufgrund des relativ guten elektrischen Kontakts (Metall/Metall) sind nur sehr hohe Stromstärken wie Schweißströme in der Lage, die Laufbahnoberfläche zu zerstören.

Der ohmsche Zustand liegt vor, wenn das Lager unter Mischreibung einen erhöhten ohmschen Widerstand zeigt. In diesem Fall sind schon schwache elektrische Ströme von wenigen Ampere potenziell gefährlich. Im kapazitiven Zustand befindet sich das Lager unter Vollschmierung und verhält sich wie ein elektrischer Kondensator mit einer bestimmten Durchschlagspannung. Wenn die im Schmierfilm der Kontaktzone anliegende elektrische Feldstärke hoch genug ist (über dem Schwellenwert), treten elektrische Entladungen auf, die als EDM-Ströme (Electric Discharge Machining) bezeichnet werden.

Allen Schadensfällen ist eines gemeinsam: Die Kontaktfläche der Laufbahn wird lokal aufgeschmolzen und die Materialeigenschaften des Stahls in diesem Bereich werden verändert. Außerdem können sich die Schmierstoffeigenschaften verändern. Dies hat negative Auswirkungen auf die Lagerleistung in Form von Laufbahn- und Schmierstoffschäden und führt zu erhöhtem Verschleiß und zunehmenden Lagervibrationen. Eine Möglichkeit, den potenziell zerstörerischen Auswirkungen schädlicher elektrischer Ströme entgegenzuwirken, ist die Verwendung einer im Lager integrierten elektrischen Isolierung.

Lager mit integrierter thermischer Spritzschicht

Bei den Insocoat-Lagern von SKF sind die Außenflächen des Außen- oder Innenrings mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, wodurch eine elektrische Isolation in das Lager integriert ist. Die Beschichtung besteht aus einem oxidkeramischen Material und wird durch ein thermisches Spritzverfahren auf das Lager aufgebracht. Am häufigsten handelt es sich dabei um reines Aluminiumoxid (Al2O3). Manchmal werden auch Oxidgemische verwendet, da unterschiedliche elektrische und mechanische Eigenschaften der daraus resultierenden Beschichtungen erwünscht sind.

Beim thermischen Spritzen werden die Oxidpartikel in einem heißen Plasmastrom transportiert und geschmolzen. Dieser heiße Strom transportiert den Großteil der geschmolzenen Partikel zum vorbehandelten Substrat, wo sie abkühlen und die gewünschte Beschichtung bilden. Nach dem Spritzvorgang weist die Beschichtung eine gewisse Anzahl offener und miteinander verbundener Poren auf. Dies ist eine allgemeine Eigenschaft von thermischen Spritzbeschichtungen. Anzahl und Aussehen der Poren sind stark abhängig von den Parametern des Beschichtungsprozesses.

Der Versiegelung der Poren kommt beim thermischen Spritzverfahren eine zentrale Bedeutung zu. Dadurch werden die Korrosionsgefahr verringert, die mechanischen Eigenschaften verbessert und die Isoliereigenschaften konstant gehalten, was in feuchten Umgebungen sehr wichtig ist. Bei elektrisch isolierenden thermischen Spritzbeschichtungen ist ein Versiegeln mit organischen Sieglern am zweckmäßigsten. Mögliche Versiegelungsstoffe haben unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Viskosität, Aushärtungstemperatur, Verdampfungseigenschaften, Schrumpfung usw. Der gesamte Prozess des thermischen Spritzens und Versiegelns muss sorgfältig analysiert werden, um die gewünschten Beschichtungseigenschaften zu erzielen.

Alte Insocoat-Generation: Manko ausgemerzt

Bei einer Reihe von Anwendungen der bisherigen Insocoat-Lagergeneration wurden in sehr heißen, feuchten Umgebungen niedrige Isolationswiderstandswerte festgestellt. Der Widerstand elektrischer Isolatoren ist immer eine Kombination aus Oberflächen- und Volumenwiderstand. Neben den Materialeigenschaften sind beide Faktoren von der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur abhängig. Während der Oberflächenwiderstand auf eine Klimaänderung sofort reagiert, verändert sich der Volumenwiderstand über einen längeren Zeitraum. Wenn die Isoliereigenschaften außerhalb des gewünschten Bereichs liegen, muss das gesamte isolierende Beschichtungssystem verbessert werden.

Experimente mit den Lagern der bisherigen Generation bestätigten die im Feld festgestellten niedrigen Werte durch Analyse des elektrischen Widerstands in direktem Kontakt mit Wasser. Es stellte sich heraus, dass die Beschichtung über einen langen Zeitraum Wasser absorbierte und dieser Effekt nach dem Trocknen vollständig reversibel war. Aufgrund der langen Zeitdauer der Widerstandsabnahme wurden Oberflächenströme, offene Porosität oder Risse als Ursache ausgeschlossen. Daher konnte nur das Beschichtungsmaterial, das Oxid und/oder der Versiegelungsstoff selbst die Ursache sein.

Bei umfangreichen Forschungs- und Prüfaktivitäten wurden verschiedene Beschichtungs- und Versiegelungsstrategien evaluiert. So wurden beispielsweise verschiedene Spritzpulver, Versiegelungsstoffe und thermische Spritzstrategien getestet. Eine erste Auswertung erfolgte in direktem Kontakt mit Wasser. Obgleich dieser Test unrealistische Bedingungen darstellt (in realen Anwendungen wird das Lager oder der Motor nicht in Wasser getaucht), gibt er eine schnelle und genaue Rückmeldung über einen möglichen Erfolg oder Misserfolg.

Neue Insocoat-Lager: deutlich leistungsstärker

Die neue Insocoat-Lagervariante ist wesentlich unempfindlicher gegen Feuchtigkeit als die bisherige Lagergeneration. Selbst bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mehr als 90 % bei einer Temperatur von +30 °C bleibt der ohmsche Widerstand des getesteten Lagers 6316/C3VL0241 bei über 2000 MΩ, während er bei der bisherigen Lagervariante auf knapp über 50 MΩ sinkt.

Die neue Lagergeneration wurde dahingehend optimiert, dass auch in sehr feuchten Umgebungen ein hoher und stabiler elektrischer Isolationswiderstand vorhanden ist. Bei der Validierung wurden Bedingungen gewählt, die regelrecht extreme Klimabedingungen simulierten. Neben den hier aufgeführten Angaben wurden weitere Parameter überprüft und validiert, wie beispielsweise das Niedrig- und Hochtemperaturverhalten (-40 bis +150 °C), die mechanische Leistungsfähigkeit (Schichthaftung, Ein-/Ausbaubeanspruchung, Schlagfestigkeit), das Hochspannungsverhalten bis 6 kV DC und die Medienverträglichkeit. bec

www.skf.de

Detaillierte Informationen zu den elektrisch isolierten und gegen Stromdurchgang geschützten Lagern:
hier.pro/0lrcj
Hannover Messe 2019: Halle 27, Stand H30

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