Ložiskové proudy a jejich degradační působení

Ložiskové proudy a jejich degradační působení

doc. Ing. Karel Chmelík, doc. dr. Ing. Jaroslav Sojka,
VŠB-TU Ostrava

1. Úvod

V poslední době se objevilo několik článků pojednávajících o hřídelových napětích, ložiskových proudech a jejich vlivu na životnost a spolehlivost kluzných i valivých ložisek elektrických strojů. Tento jev je znám již téměř tak dlouho, jak dlouho existují elektrické stroje, tedy více než sto let. V současné době se však vyskytuje mnohem častěji. To souvisí s rozšířeným používáním statických měničů v regulačních pohonech (dříve pro napájení stejnosměrných motorů), nyní pro napájení zvláště asynchronních motorů z měničů frekvence [1].

Z vlastních zkušeností víme, jak obtížně se ložiskové proudy na reálných strojích měří a jak pracné a nákladné je na havarovaném ložisku zjistit skutečnou příčinu poruchy. V tomto příspěvku, po stručném popisu příčin ložiskových proudů, uvedeme výsledky vlastních mikroskopických zkoumání poškození valivých ložisek elektromotorů.

Životnost ložiska je ovlivněna mnoha faktory – vadnou montáží, nesprávnou volbou druhu, nečistotami, nevhodným mazáním, velkým zatížením apod. Vždy je velmi těžké zvolit správnou diagnózu, zvláště při působení několika namáhání současně. Protože v případě ložisek jde o vzájemné odvalování či klouzání dvou těles, dochází tedy i ke znehodnocování ložisek těchto strojů opotřebením.

U elektrických strojů často i po krátké době provozu vznikají poruchy ložisek. Na oběžných drahách kroužků valivých ložisek jsou zřejmé vlnové, periodicky se opakující prohlubeniny. Povrch válečků nebo kuliček nemá okem rozeznatelné rýhování nebo jiné poškození, ovšem při zvětšení jsou rýhy a krátery jasně viditelné. Kromě mechanického opotřebení a poškození ložisek se vyskytuje také opotřebení a poškození ložisek elektrickým proudem.

Za elektrické opotřebení ložisek je považován souhrn čistě elektrického, elektroerozivního a elektrolytického opotřebení.

• Čistě elektrické opotřebení – tímto pojmem se označuje opotřebení vznikající trvalým průchodem elektrického proudu ložiskem. To je umožněno trvalým stykem kroužků a valivých tělísek. Styková místa jsou tvořena jednotlivými malými ploškami. K tomu může docházet např. i při velkém mechanickém přetížení ložisek.

• Elektroerozivní opotřebení je opotřebení způsobené jiskrovými, popř. obloukovými výboji. Přitom je lhostejné, zda jiskření či elektrické oblouky vzniknou vlivem velkého napětí či výboji kapacit v obvodu napájení stroje. Jiskřením bude znehodnocováno i mazivo a tím budou narušeny jeho mazací vlastnosti.

• Elektrolytické opotřebení je opotřebení vzniklé elektrochemickými ději v ložisku.

2. Hřídelové napětí a ložiskové proudy

Dříve než bude pojednáno o příčinách vzniku hřídelových napětí, je třeba tento pojem definovat. Podle obr. 1 se klasickým hřídelovým napětím rozumí hodnota označená U_H. Hodnota označená U_HZ je napětí hřídele proti zemi, které se objevuje z jiných důvodů než napětí U_H Ačkoliv degradující veličinou pro ložiska je procházející proud, pozornost bude nejdříve věnována hřídelovým napětím. Je to proto, že uvedené napětí je jednoduše měřitelné, ale zvláště proto, že proudy přes ložiska mohou protékat, až toto napětí překročí jistou hodnotu.

Příčiny vzniku hřídelových napětí [2], [3], [4]:

a) Nesymetrie elektrického nebo magnetického obvodu elektrického stroje. Výrobních a technologických nedokonalostí nebo i provozních závad může být velké množství (od excentricity vzduchové mezery až po nedostatečně izolované upevňovací šrouby). Dále je to nesymetrie při napájení trojfázovým napětím, když okamžitá hodnota těchto napětí je nenulová. Takovéto nesymetrie mohou vyvolávat pulsaci magnetického toku a jeho střídavá složka indukuje v hřídeli střídavé napětí U_H.
U stejnosměrných strojů to může být rovněž homopolární buzení.

b) Statický náboj na rotoru u soustrojí s turbínami nebo kompresory.

c) Porucha izolačního systému stroje.

d) U strojů napájených ze statických měničů se na jejich hřídeli objeví napětí dané kapacitami obvodu motor-vedení-měnič – U_HZ.

Příčinu proudů je třeba spatřovat ve vzniku elektrického napětí, které se objeví mezi konci hřídele, anebo mezi hřídelí a zemí. Průchod proudu vyvolává poškození valivých ložisek v místě styku mezi valivými tělísky a oběžnými drahami vnitřního a vnějšího kroužku. U kluzných ložisek narušuje výstelky ložiskových pánví (kompozici) a hřídelí. Dále může průchod elektrického proudu narušovat i vlastnosti maziva.

U valivého ložiska protéká elektrický proud obvodem, jehož částí jsou vnější kroužek, valivé tělísko a vnitřní kroužek. Při axiálním toku proudu hřídelí (obr. 2a) musí nastat elektrický průraz mazací vrstvičky v obou ložiscích. Při průchodu kapacitních vybíjecích proudů (obr. 2b) postačí průraz v jednom ložisku. Vzhled i poškození oběžných drah i tělísek budou záviset na velikosti a době průchodu proudu, jiskrových či obloukových výbojů, na proudové hustotě v místě průchodu proudu, na stavu a vlastnostech maziva, době zatížení, druhu proudu motoru atd.

Průrazné napětí mazací vrstvičky se bude lišit také podle toho, zda jde o ložisko kluzné či valivé. Podle našich měření může být jeho velikost již 0,9 V.

3. Metalografická analýza poškozených ložisek

Pro získání přesnějších informací o možných mechanismech poškození ložisek byla ve vybraných případech provedena metalografická analýza, a to metodou světelné mikroskopie (SM) a řádkovací elektronové mikroskopie (ŘEM). Studován byl povrch materiálu a v některých případech byly hodnoceny metalografické výbrusy, tj. řez materiálem.

Metalograficky hodnocena byla ložiska provozovaná v motorech v průmyslových podmínkách a dále ložiska, která byla zatěžována definovaným způsobem v laboratorních podmínkách, a to jednak prostým průchodem proudu, jednak elektrickými výboji.

Materiál ložisek byl identifikován jako nízkolegovaná ocel 100Cr6 na bázi 1 % C, 1,5 % Cr, která je typickým představitelem materiálu používaného na výrobu ložisek. Oceli byly použity ve stavu po kalení a nízkoteplotním popuštění.

3.1 Ložiska provozovaná v průmyslových podmínkách
U ložisek provozovaných v průmyslových podmínkách bylo pozorováno poškození vnějších a vnitřních kroužků i poškození kuliček, popř. válečků. Jednalo se o vady typu rýh, kráterů nebo mikrokráterů, které byly především na kuličkách a válečcích, a dále o rýhování na oběžné ploše vnitřních a vnějších kroužků. Některé příklady poškození povrchu jsou dokumentovány na obr. 3 až obr. 7. Na obr. 3 je znázorněn povrch kuličky, na němž jsou patrné rýhy. Při větším zvětšení (obr. 4) se objevily i mikrokrátery.

Průměr mikrokráterů pozorovaných na kuličkách, popř. válečcích, nepřesahuje 10 µm, pouze výjimečně dosahuje 20 µm (viz obr. 4). Jen ojediněle se vyskytovaly větší, okem pozorovatelné krátery o průměru až 0,3 mm (obr. 5). V případě typu poškození označovaného „valcha„ na vnějších a vnitřních ložiskových kroužcích se jednalo o příčné rýhy o tloušťce asi 0,5 až 0,6 mm a šířce asi 5 mm (obr. 6, obr. 7).

U většího kráteru pozorovaného na jednom z válečků byl udělán metalografický rozbor na tečném (povrchovém) výbrusu. Tečný výbrus byl připraven z obavy, že v případě výbrusu kolmého k povrchu může popř. dojít k odbroušení celého kráteru. Na obr. 8 je dokumentována základní mikrostruktura oceli. Jde o jemnozrnnou martenzitickou strukturu s drobnými karbidickými částicemi (precipitáty) rovnoměrně rozloženými v matrici.

V těsném okolí kráteru byly pozorovány výrazné strukturní změny. Jednalo se zejména o přítomnost slaběji se leptající mikrostruktury v bezprostředním okolí kráteru (obr. 9). Tato oblast vykazovala vyšší hodnoty mikrotvrdosti, a to 1 450 až 1 620 HV 0,01 (HV – ve stupnici podle Vickerse), zatímco mikrotvrdost základní mikrostruktury se pohybovala v rozmezí 790 až 950 HV 0,01. Je pravděpodobné, že kráter vznikl mechanismem popsaným např. v práci [5]. V důsledku tepla uvolněného při elektrickém výboji došlo k lokálnímu ohřevu materiálu na vysokou teplotu, tj. až k lokálnímu roztavení kovu a vzniku kráteru. Následný rychlý odvod tepla vedl při ochlazení v bezprostřední blízkosti kráteru ke vzniku tenké vrstvy nepopuštěné slaběji se leptající struktury o vyšší úrovni mikrotvrdosti.

V případě poškození typu „valcha„ byl charakter povrchu studován metodou ŘEM při větších zvětšeních. Výsledky jsou uvedeny na obr. 10a a s větším rozlišením na obr.10b. Snímky byly pořízeny v oblasti rozhraní mezi poškozeným a nepoškozeným povrchem kroužku.

Zatímco na nepoškozeném povrchu jsou patrné jen drobné rysky po obrábění, na poškozeném povrchu se vyskytuje více či méně souvislá „pórovitá“ vrstva. Velikost „pórů“ se pohybuje v jednotkách mikrometrů. Charakter poškozeného povrchu naznačuje, že by se mohlo jednat o vrstvu, která lpí na původním povrchu ložiska. Přitom odhadnout tloušťku této vrstvy je obtížné; pravděpodobně však nepřesahuje 1 až 2 µm. V práci [5] je v této souvislosti uvedeno, že rýhování představuje sekundární poškození ložiska, které se vyvíjí z kráterů dynamickým účinkem valivých těles, jež se přes krátery převalují. Z tohoto důvodu byl i v místě poškození typu „valcha„ připraven metalografický výbrus kolmo ke směru makroskopických rýh. Odpovídající mikrostruktura je zobrazena na obr. 11. Pro zvýšení kvality povrchu byl vzorek před preparací opakovaně poniklován (niklové vrstvy jsou označeny šipkami).

Z obr. 11 je zřejmé, že metodou světelné metalografie nejsou na povrchu vzorku detekovatelné žádné strukturní změny (s výjimkou přítomnosti vrstev niklu). Pod niklovou vrstvou je již obvyklá mikrostruktura materiálu. Tento výsledek nevylučuje interpretaci vzniku „valchy„ uvedenou v [5], potvrzuje však, že změny spojené s rýhováním typu „valcha„ jsou vázány jen na velmi tenkou vrstvu materiálu.

3.2 Ložiska zatěžovaná v laboratorních podmínkách
Co se týče ložisek zatěžovaných v laboratorních podmínkách, byla pozornost soustředěna na dva případy, a to na ložisko zatěžované střídavým proudem 50 Hz bez toho, že by zde docházelo k elektrickým výbojům, a ložisko, u něhož byly záměrně vyvolány elektrické výboje. Tyto dva způsoby průchodu proudu ložiskem odpovídají reálným podmínkám. Příčinou vzniku ložiskových proudů jsou nesymetrie magnetického nebo elektrického obvodu stroje. Po elektrickém průrazu mazací vrstvičky nastane trvalý průchod proudu. V případě napájení motorů ze statických měničů jde převážně o elektrické výboje způsobené vybíjením kapacit v obvodu měnič-vedení-motor.

U ložiska zatěžovaného střídavým proudem velikosti 1 A po dobu 300 h bylo pozorováno podélné rýhování na vnějším i vnitřním kroužku bez přítomnosti makro-, popř. mikrokráterů i bez tzv. valchy. Charakter povrchu je dokumentován na obr. 12 až obr. 14. Je velmi zajímavé, že charakter povrchu v místě poškození je při větším zvětšení (obr. 13 – ŘEM) velmi podobný povrchu při poškození typu „valcha„ (viz obr. 10). Opět se jedná o povrch, který se jeví jako pórovitý, snad s ulpěnou cizí vrstvou, zatímco v místě bez poškození je povrch hladký, jen s drobnými ryskami po obrábění (obr. 14). Vzhledem k tomu, že v tomto případě záměrně nebyly vyvolány elektrické výboje a na povrchu kroužků nebyly pozorovány krátery, nemůže tedy jít o sekundární poškození související s krátery, jak se uvádí v [5]. Mechanismus poškození musí být jiný a bude třeba ho nalézt.

Pro ložisko, u nějž byly záměrně vyvolány elektrické výboje, byla charakteristická přítomnost bodových defektů, které však většinou neměly charakter kráterů, tedy prohlubní. Charakter vad je dokumentován na obr. 15 až obr. 17. Dva body na oběžné dráze kroužku ložiska (obr. 15) odpovídají charakteru zároveň měřeného zkušebního výboje.

Z dokumentace je zřejmé, že ačkoliv se vady nejeví jako krátery, vznikly podobným mechanismem, tj. lokálním ohřevem a roztavením materiálu. Na obr. 17 (zvětšený obr. 16) jsou vidět jednak drobné kapičky roztaveného a znovu ztuhlého kovu, jednak oblast s náznakem dendritické struktury (oblast ohraničená čarou), která potvrzuje, že došlo k roztavení materiálu. Pro doplnění byla u jedné z vad provedena analýza na metalografickém výbrusu, který byl tentokrát kolmý k povrchu (obr. 18).

Na tomto obrázku lze rozlišit několik oblastí s rozdílnou strukturou. Těsně u povrchu jsou to oblasti, u kterých nastalo roztavení (1), popř. vysokoteplotní ohřev (2). Obě zmíněné oblasti jsou jen slabě leptatelné a lze v nich předpokládat zvýšenou mikrotvrdost. Na uvedené oblasti navazuje tmavěji leptatelná oblast, u níž došlo po vzniku vady k popuštění (3). Tato oblast plynule přechází v základní neovlivněný materiál (4). Je tedy zřejmé, že přes jiný vzhled vad na povrchu (absence kráterů) vznikly shodným mechanismem.

4. Závěr

Uvedené výsledky našich zkoumání potvrzují náročnost určení příčiny znehodnocení funkčních vlastností ložisek. Ukazují také, že mikroskopická analýza vad, která je v této oblasti používána jen okrajově, je velmi důležitou metodou, která může zpřesnit existující představy o degradačních mechanismech, nebo dokonce pomoci hledat mechanismy nové. V této souvislosti se dále zabýváme elektrickými vlastnostmi mazací vrstvičky v ložisku. Na tvorbu zmiňovaných nánosů a vrstviček mohou mít vliv všechny konstrukční části ložisek, tj. vnější i vnitřní kroužek, valivá tělíska i materiál klece.