Stromisolierte Wälzlager von SKF
Schließen Schäden am Lager Das Problem von Lagerschäden aufgrund von elektrischen Stromdurchgang Streuströme in einem Elektromotor, die ihren Weg zur Erdung durch das Lager nehmen, können zu Lagerschaden führen. Die häufigsten Ursachen für Streuströme sind: Asymmetrie im Magnetfeld des Motors, nicht abgeschirmte Motorkabel und sehr schnell schaltende Pulsmodulation in Frequenzumrichtern, die in modernen Antrieben mit veränderlicher Drehzahl (VSD) eingesetzt werden. Die steigende Beliebtheit von VSDs hängt direkt mit dem Anstieg von Wälzlagerschäden aufgrund von Stromdurchgang zusammen. Bei Stromdurchgang durch das Lager kann es zu Mikrokraterbildung in den Laufbahnen des Innenund Außenrings sowie auf den Wälzkörperoberflächen kommen ( Bild 1). Die durch die elektrische Entladung erzeugte Wärme führt stellenweise zu Verschmelzungen, lässt so kleine Krater entstehen und verändert die Metallstruktur. Verschleiß entsteht und als Folge dieses Anfangsschadens kann es auf Laufbahnen und Wälzkörpern (bei Rollenlagern) ( Bild 2) zu einer Riffelbildung kommen. Stromentladung verursacht außerdem eine Veränderung der Zusammensetzung des Schmierstoffs im Lager. Dieser baut sich schneller ab und ist vorzeitig verbraucht ( Bild 3). Ist erst einmal ein Schaden aufgrund Elektroerosion entstanden, führen höhere Laufgeräusche, niedrigere Wirksamkeit des Schmierstoffes, höhere Wärme und letztlich zu hohe Schwingungen dazu, dass die Gebrauchsdauer des Lagers drastisch reduziert wird. Streuströme können fast überall vorkommen, z.b. angefangen bei Windkraftanlagen bis hin zu Papierfabriken. 2
aufgrund von Stromdurchgang praktisch aus Eine kostengünstige Lösung Um das Problem in den Griff zu bekommen, hat SKF zwei Lösungen für stromisolierte Lagerungen entwickelt: SKF Hybridlager und INSOCOAT Lager. Die zu wählende Lösung ist abhängig von der Stärke und der Ursache des Stromdurchgangs sowie von der Größe des Lagers. In jedem Fall bieten SKF Hybridlager und INSOCOAT Lager eine Reihe von Vorteilen: sie vereinen zwei Funktionen in einer Lösung die Funktion des Lagers und die elektrische Isolation sie vermeiden praktisch vorzeitige Lagerausfälle aufgrund von Stromdurchgang sie erhöhen die Maschinenverfügbarkeit sie reduzieren die Instandhaltungskosten sie bieten eine wirtschaftliche Lösung, verglichen mit anderen Isolationsmethoden sie sind weltweit verfügbar. Empfohlenes Sortiment SKF empfiehlt eine Reihe INSOCOAT- und Hybridlager, insbesondere für Elektromotoren und Generatoren, und garantiert weltweit eine schnelle und sichere Lieferung. Die Gesamtkosten einer SKF Lösung mit einem stromisolierten Lager im Vergleich zu anderen Isolationsmethoden Gehäuseisolierung inklusive Wälzlager Wellenisolierung inklusive Wälzlager Isolationsmethode von SKF Mikrokraterbildung Mikrokraterbildung aufgrund von Stromdurchgang durch das Lager. Die beschädigte Oberfläche ist matt und durch kleine Krater im Durchmesser von wenigen Mikrometern gekennzeichnet. Riffelbildung oder Waschbrettmuster Eine Struktur von Linien (Riffeln) auf den Laufbahnen kann ein Zeichen für Stromdurchgang durch das Lager sein. Riffelbildung ist kein Primärschaden aufgrund von Stromdurchgang, sondern ein Sekundärschaden, der erst mit der Zeit sichtbar wird. Schwarz verfärbtes Schmierfett Elektrische Entladungen lassen das Grundöl im Schmierstoff verbrennen und verkoken, und führen so zu Mangelschmierung. Bild 1 Bild 2 Bild 3 3
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INSOCOAT Ein INSOCOAT Lager ist eine sehr wirtschaftliche Lösung verglichen mit anderen Isolationsmethoden, die ein Lager gegen Stromdurchgang schützen. Durch die Integration der Funktion der Isolierung gegen Strom in das Lager konnte SKF die Zuverlässigkeit und Maschinenverfügbarkeit erhöhen, indem praktisch alle schädlichen Auswirkungen von Streuströmen ausgeschlossen werden. INSOCOAT Stromisolierte Wälzlager Das Standardsortiment von INSOCOAT Lagern in den am häufigsten eingebauten Größen und Ausführungen ist ab Lager verfügbar, und zwar als einreihige Rillenkugellager, und einreihige Zylinderrollenlager. Die Leistungskenndaten, Abmessungsund Laufgenauigkeit von INSOCOAT Lagern entsprechen denen der nicht isolierten Standardlager. INSOCOAT Lager mit Außenringbeschichtung Lager mit beschichteten Außenflächen am Außenring sind die gebräuchlichsten INSOCOAT Lager. Sie sind durch das Nachsetzzeichen VL0241 gekennzeichnet. INSOCOAT Lager mit Beschichtung am Außenring werden für mittelgroße Motoren empfohlen, die Lager der Größen 6215, 6313 und größer verwenden. Für Anwendungen mit kleineren Wälzlagern empfiehlt SKF Hybrid-Rillenkugellager. INSOCOAT Lager mit Innenringbeschichtung Lager mit INSOCOAT-Beschichtung an den Außenflächen am Innenring bieten verbesserten Schutz gegen Schäden aufgrund von Stromdurchgang. Der verbesserte Schutz ergibt sich aus der erhöhten Impedanz aufgrund der kleineren Beschichtungsfläche. Lager mit einem beschichteten Innenring sind durch das Nachsetzzeichen VL2071 gekennzeichnet und werden für größere Motoren empfohlen (in der Regel ab Lagergrößen 6226, 6324 und größer), oder für andere Anwendungen, bei denen das Risiko besteht, dass das Lager einer hohen Wellenspannung ausgesetzt ist. Technische Daten und Vorteile Die Beschichtung wird mittels eines Plasma- Spritzverfahrens aufgebracht. Technisch hochentwickelte Vor- und Nachbehandlungsprozesse ergeben eine ausgezeichnete Qualität der Beschichtung. INSOCOAT Lager werden speziell versiegelt, wodurch die Beschichtung gegen Beeinträchtigung durch Feuchtigkeit und Eindringen von Wasser geschützt ist. Aufgrund der Qualität der Anwendungsund Bearbeitungsprozesse bieten INSOCOAT Lager eine zuverlässige und beständige Isolierung, die gegen Wärme, Feuchtigkeit und Chemikalien praktisch unempfindlich ist. SKF kann Informationen über relevante elektrische Größen für die Lager zur Verfügung stellen (Kapazität, Impedanz), um die Isolationsmethode für jede Anwendung zu optimieren. INSOCOAT Lager sind umweltfreundlich. INSOCOAT Lager mit Beschichtung am Außenring sind für alle Gehäusetypen geeignet. Es sind keine zusätzlichen Vorkehrungen für Ein- und Ausbau notwendig. Abmessungen Die Hauptabmessungen von INSOCOAT Rillenkugellagern und Zylinderrollenlagern entsprechen ISO 15:1998. 5
Toleranzen und Passungen INSOCOAT Lager werden serienmäßig mit Normaltoleranzen gefertigt. Einige Rillenkugellager sind auch in einer höheren Genauigkeit entsprechend Toleranzklasse P5 erhältlich. Die Aluminiumoxidschicht auf den Außenflächen des Außenrings oder des Innenrings beeinflusst die Laufgenauigkeit nicht. INSOCOAT Lager können ohne Risiko einer Beschädigung der Isolationsschicht mit der gleichen Passung wie ein Standardlager in einem Elektromotor oder Generator eingebaut werden. Passungen bis einschließlich p6 für Ausführungen mit beschichtetem Innenring oder P6 für Ausführungen mit beschichtetem Außenring sind möglich. Lagerluft Standard INSOCOAT Rillenkugellager und Zylinderrollenlager werden mit der im Lagerkurzzeichen angegebenen Lagerluft gefertigt. Es wird empfohlen, vor einer Bestellung die Verfügbarkeit von Lagern mit einer anderen Lagerluft als der standardmäßig angegebenen zu prüfen. Käfige In Abhängigkeit von Ausführung und Größe werden INSOCOAT Rillenkugellager mit einem der folgenden Käfige ausgestattet: mit genietetem Stahlblechkäfig, kein Nachsetzzeichen, oder mit zweiteiligem wälzkörpergeführten Messing-Massiv-Käfig, Nachsetzzeichen M. Elektrische Eigenschaften INSOCOAT Lager bieten einen wirksamen Schutz gegen Durchgang von Gleich- und Wechselströmen. Die Bezeichnungen für die verschiedenen Ausführungen lauten wie folgt: VL0241 Elektrischer Widerstand min. 50 MΩ, Durchschlagsspannung: max. Betriebsspannung 1 000 V DC VL0246 Elektrischer Widerstand >150 MW, Durchschlagsspannung: max. Betriebsspannung 3 000 V DC VL2071 Elektrischer Widerstand min. 50 MW, Durchschlagsspannung: max. Betriebsspannung 1 000 V DC. VL2074 Elektrischer Widerstand: >150 MW, Durchschlagsspannung: max. Betriebsspannung 2 000 V DC. Gestaltung der Anschlussteile Um die bestmögliche Isolationswirkung von INSOCOAT Lagern zu erzielen, gibt SKF folgende Empfehlungen: Bei Lagern mit Außenringbeschichtung, Ausführung VL0241, sollte der Durchmesser der Gehäuseschulter bzw. der Abstandshülse das in den Produkttabellen angegebene Anschlussmaß d a min nicht unterschreiten. Wenden Sie sich bitte an SKF in Bezug auf das Anschlussmaß der Ausführung VL0246. Bei Lagern mit Innenringbeschichtung, Ausführung VL2071, sollte der Durchmesser der Wellenschulter bzw. der Abstandshülse das in den Produkttabellen angegebene Anschlussmaß d a max nicht überschreiten. Wenden Sie sich bitte an SKF in Bezug auf das Anschlussmaß der Ausführung VL2074. 6
Zum Schutz gegen Schäden aufgrund von Stromdurchgang kann die elektrisch isolierende Beschichtung entweder am Außen- oder Innenring angebracht werden. Nachsetzzeichen VL0241 oder VL2071. 7
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Hybridlager mehr als nur ein stromisoliertes Lager Hybridlager haben Ringe aus Wälzlagerstahl und Wälzkörper aus Siliziumnitrid in Wälzlagerqualität (Si 3 N 4 ). Da Siliziumnitrid ausgezeichnet isoliert, können Hybridlager wirksam zur elektrischen Isolierung des Gehäuses von der Welle sowohl in Wechselstrom- und Gleichstrommotoren wie auch in Generatoren eingesetzt werden. Hybridlager haben nicht nur eine sehr hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, sie sind außerdem für höhere Drehzahlen geeignet und bieten eine längere Gebrauchsdauer als die entsprechenden Ganzstahllager unter den gleichen Betriebsbedingungen. Technische Daten und Vorteile Niedrigere Dichte Das spezifische Gewicht eines Wälzkörpers aus Siliziumnitrid in Wälzlagerqualität ist um 60 % niedriger als das eines ähnlich großen Stahl- Wälzkörpers. Für Wälzlager ähnlicher Abmessungen bedeutet weniger Gewicht eine geringere Massenträgheit. Dies verbessert das Verhalten bei schnellem Anlaufen und Stoppen und ermöglicht höhere Drehzahlen. Niedrigere Reibung Die niedrigere Dichte eines Wälzkörpers aus Siliziumnitrid in Verbindung mit dem niedrigen Reibungskoeffizient senkt die Temperatur im Lager bei hohen Drehzahlen ganz erheblich. Die niedrigere Betriebstemperatur erhöht so die Gebrauchsdauer von Lager und Schmierstoff. Größere Härte und höheres Elastizitätsmodul Der hohe Härtegrad eines Wälzkörpers aus Siliziumnitrid bedeutet höhere Verschleißfestigkeit und längere Lagergebrauchsdauer unter verschmutzten Betriebsbedingungen, während ein höheres Elastizitätsmodul die Formsteifigkeit der Lagerung erhöht. Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient Ein Wälzkörper aus Siliziumnitrid hat einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient als ein vergleichbarer Wälzkörper aus Wälzlagerstahl. Das bedeutet eine geringere Temperaturempfindlichkeit des Hybridlagers bei hohen Temperaturen und ermöglicht daher eine bessere und genauere Vorspannung. Läuft schneller, hält länger Kombiniert man die niedrigere Dichte und den höheren Härtegrad von Siliziumnitrid mit dem niedrigeren Reibungskoeffizienten und mit der Tatsache, dass Siliziumnitrid bei Mangelschmierung nicht zu Anschmierungen auf den Laufbahnen führt, erhält man ein Lager, dass schneller und länger läuft, selbst unter schwierigsten Betriebsbedingungen. Beständig gegen Eindrückungen aufgrund Stillstandsschwingungen Ist ein stillstehendes Lager Schwingungen ausgesetzt, kann dies zum Entstehen von Kaltverschweißungen und Eindrückungen führen. Dieser sogenannte false brinelling Effekt zeigt sich in der Bildung von kleinen Eindellungen in den Laufbahnen, was letztendlich zu Abplatzungen und Schälungen der Riffelbildung bei 25 Hz Gewichtsverlust [mg] Gewöhnliches Schmierfett n Ganzstahl-Wälzlager n Hybridlager SKF WT Schmierfett Diagramm 1 9
Laufbahnen und vorzeitigem Lagerausfall führt. In Anwendungen, in denen Stahlkugeln durch Kugeln aus Keramikwerkstoff ersetzt wurden, erwiesen sich die Lager als weit weniger anfällig gegen Stillstandsschwingungen. Des Weiteren zeigten Hybridlager die mit dem SKF Hochleistungs-Schmierfett WT befettet sind weit weniger Schäden durch Stillstandsschwingungen als Wälzlager, die andere Schmierfette enthielten ( Diagramm 1). Käfige Je nach Größe werden Hybrid-Rillenkugellager von SKF mit einem glasfaserverstärkten Schnappkäfig aus Polyamid 6.6, oder einem genieteten Käfig aus Stahlblech ausgestattet. Hybridlager mit einem Käfig aus Polyamid 6.6 können bis zu einer Dauerbetriebstemperatur von +120 C eingesetzt werden. Polyetheretherketon (PEEK) Käfige aus glasfaserverstärktem PEEK / Polyetheretherketon werden immer häufiger in Anwendungen mit hohen Drehzahlen oder hohen Temperaturen eingesetzt. PEEK ist ein hochwertiger Werkstoff, der gleichzeitig Festigkeit und Flexibilität bietet und keine Anzeichen von Alterung aufgrund von hohen Temperaturen oder Schmieröl-Zusätzen zeigt. Die maximale Dauerbetriebstemperatur beträgt +150 C. Weitere Informationen über PEEK Käfige können beim Technischen Beratungsservice der SKF erfragt werden. Dichtungen Das Standardprogramm von SKF Hybridlagern für Elektromotoren besteht hauptsächlich aus einreihigen Rillenkugellagern. SKF Hybrid-Rillenkugellager sind abgedichtete und auf Lebensdauer geschmierte Lager, die auf beiden Seiten alternativ durch eine reibungsarme Dichtscheibe RSL, bei Lagern mit einem Außendurchmesser bis 52 mm, Nachsetzzeichen 2RSL eine reibungsarme Dichtscheibe RZ, bei Lagern mit einem Außendurchmesser von >52 mm, Nachsetzzeichen 2RZ eine Berührungsdichtung RS1, bei Lagern mit einem Außendurchmesser >90 mm, Nachsetzzeichen 2RS1 geschützt sind. Alle Dichtscheiben sind aus Acrylnitril- Butadien-Kautschuk (NBR) mit Stahlblecharmierung. Die zulässige Betriebstemperatur für diese Dichtscheiben beträgt 40 bis +100 C und für kurze Phasen bis zu +120 C. Für den Einsatz bei Betriebstemperaturen bis zu +180 C sind Dichtungen aus Fluor-Kautschuk lieferbar. Weitere Informationen über diese Dichtungen können beim Technischen Beratungsservice der SKF erfragt werden. Vergleich der Werkstoffeigenschaften von Wälzlagerstahl und Siliziumnitrid in Wälzlagerqualität Werkstoffeigenschaften Wälzlagerstahl Siliziumnitrid in Wälzlagerqualität Mechanische Eigenschaften Dichte (g/cm 3 ) 7,9 3,2 Härtegrad, HV 10 700 1 600 Elastizitätsmodul (GPa) 210 310 Wärmeausdehnungskoeffizient (10 6 /K) 12 3 Elektrische Eigenschaften (bei 1 MHz) Elektrischer Widerstand (Wm) 0,4 10 6 10 12 (Leiter) (Isolator) Dielektrische Durchschlagsfestigkeit (kv/mm) 15 Relative dielektrische Konstante 8 10
Schmierung Das abgedichtete Standard-Hybridlager ist mit einem Hochleistungsfett auf Estherölbasis mit Polyharnstoff als Dickungsmittel gefüllt (Nachsetzzeichen WT). Dieses Schmierfett, das im Temperaturbereich von +70 bis +120 C eingesetzt werden kann, hat ausgezeichnete Schmierungseigenschaften und ermöglicht eine extrem lange Lebensdauer. Hybridlager eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen Schwingungen oder oszillierende Bewegungen auftreten. Deshalb ist es in solchen Fällen normalerweise nicht notwendig, spezielle Schmierstoffe einzusetzen. Schmierstofflebensdauer in Hybridlagern Tests haben gezeigt, dass das Hochleistungsschmierfett (WT) von SKF beim Einsatz in abgedichteten Hybridlagern eine extrem lange Lebensdauer selbst bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen ermöglicht. Ein Beispiel ( Diagramm 2) zeigt, dass das WT Schmierfett in Hybridlagern eine viermal längere Lebensdauer als in Ganzstahl-Wälzlagern bewirkt. Der Wellendurchmesser betrug Lange Schmierfett-Lebensdauer mit SKF WT Schmierfett in Hybridlagern Diagramm 2 20 mm, die Drehzahl 20 000 min 1 und die Betriebstemperatur lag bei +120 C. Die meisten SKF Hybrid-Rillenkugellager sind abgedichtet und auf Lebensdauer geschmiert. SKF empfiehlt die Nachschmierung von offenen Lagern mit dem SKF Schmierfett LGHP2. In der Regel ist das Nachschmierungsintervall bei gleichen Betriebsbedingungen 3 bis 5 mal länger als bei Ganzstahl-Wälzlagern. Für Anwendungsfälle mit sehr hohen Drehzahlen und Dauertemperaturen unter +70 C wird entweder das SKF Schmierfett LGLC 2 oder das SKF Schmierfett LGLT 2 empfohlen. Der empfohlene Temperaturbereich für maximale Schmierstoff-Lebensdauer beträgt +70 bis +120 C. Äquivalente Lagerbelastungen Die äquivalenten dynamischen und statischen Lagerbelastungen von Hybrid-Rillenkugellagern werden mit den Berechnungsformeln für Ganzstahl-Rillenkugellager ermittelt. Häufige Nachsetzzeichen für Hybridlager Nachsetzzeichen für bestimmte Eigenschaften von SKF Hybrid-Rillenkugellagern sind nachstehend erklärt. 2RS1 Stahlblecharmierte Dichtscheiben aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) auf beiden Seiten 2RSH2 Stahlblecharmierte Dichtscheiben aus Fluor-Kautschuk (FKM) auf beiden Seiten 2RSL Reibungsarme stahlblecharmierte Dichtscheiben aus Acrylnitril-Butadien- Kautschuk (NBR) auf beiden Seiten 2RZ Reibungsarme stahlblecharmierte Dichtscheiben aus Acrylnitril-Butadien- Kautschuk (NBR) auf beiden Seiten Abmessungen, Toleranzen, Lagerluft SKF Hybrid-Rillenkugellager werden standardmäßig mit: Hauptabmessungen nach ISO 15:1998 Standardtoleranzen nach ISO 492:2002 Standardlagerluft der Klasse C3 nach ISO 5753:1991 gefertigt. Einbauempfehlungen Hybridlager sind genau so wie Ganzstahl- Wälzlager zu handhaben und einzubauen. Verwenden Sie stets geeignete Werkzeuge und korrekte Ein- und Ausbauverfahren. Mittlere Schmierfett-Lebensdauer L 50 [Stunden] Kein Ausfall/ Test abgebrochen C3 HC5 TNH TN9 WT Lagerluft größer als Standard Wälzkörper aus Siliziumnitrid Käfig aus Polyetheretherketon (PEEK) Käfig aus glasfaserverstärktem Polyamid 6.6 Polyharnstoff-Schmierfett der Konsistenzklasse 2 3 für einen weiten Temperaturanwendungsbereich von 40 bis +160 C (normale Füllmenge) n n n n Ganzstahl-Lager mit normalem Schmierfett* Ganzstahl-Lager mit Hochleistungs- Schmierfett SKF WT Hybridlager mit normalem Schmierfett* Hybridlager mit Hochleistungs- Schmierfett SKF WT * Bei +120 C (max. Temperatur für normales Schmierfett) Alternative Schmierfette für lange Gebrauchsdauer in Hybridlagern SKF Schmierfett Temperaturbereich* WT 40 bis +160 C LGHP 2 40 bis +150 C * Weitere Informationen über empfohlene Betriebstemperaturen entnehmen Sie bitte dem Kapitel über Schmierung im SKF Hauptkatalog. 11
SKF und INSOCOAT sind eingetragene Marken der SKF Gruppe. SKF Gruppe 2008 Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit unserer Genehmigung gestattet. Die Angaben in dieser Druckschrift wurden mit größter Sorgfalt auf ihre Richtigkeit hin überprüft. Trotzdem kann keine Haftung für Verluste oder Schäden irgendwelcher Art übernommen werden, die sich mittelbar oder unmittelbar aus der Verwendung der hier enthaltenen Informationen ergeben. Druckschrift 6160 DE Februar 2008 Diese Druckschrift ersetzt die Druckschriften 5128 G und 5225 G. Gedruckt in Schweden auf umweltfreundlichem Papier.