W tym artykule porozmawiamy o łożyskach ceramicznych, które są elektrycznie izolowane i amagnetyczne; szczegółowo poznamy, jak kolejny raz łożysko ceramiczne może okazać się skutecznym rozwiązaniem. Całkowicie ceramiczne łożyska mogą być bardzo skutecznym rozwiązaniem we wszystkich sytuacjach, w których jest konieczne ochronić łożysko przed polem magnetycznym lub prądami parazytarnymi.
Prądy parazytowe mogą być bardzo niebezpieczne dla łożysk wykonanych ze stali ze względu na tzw. efekt ostrego punktu, czyli zjawisko fizyczne, w którym w materiale przewodzącym elektrycznie natężenie pola elektrycznego wzrasta w miejscach o największym promieniu krzywizny. Zwiększenie pola elektrycznego może prowadzić do powstawania wyładowania elektrycznego, a nawet prawdziwego prądu elektrycznego w obszarze styku między elementem toczącym a bieżnią. Skutek tych wyładowań na stal z której wykonane są łożyska może być bardzo negatywny, gdyż powodują one zjawiska erozji, które w krótkim czasie mogą naruszyć funkcjonalność łożyska, co pociąga za sobą kosztowne naprawy i przestoje maszyn.
Prądy parazytowe mają także negatywny wpływ na środki smarne stosowane w łożyskach. Powodując utlenianie i pogorszenie właściwości chemicznych, dodatkowo skracają żywotność łożyska, zwiększając koszty konserwacji.
Najczęstsze sytuacje, w których mogą wystąpić prądy elektryczne parazytowe, to:
- Silniki trakcyjne kolejowe, silniki elektryczne lub generatory elektryczne
W osiach i silnikach trakcyjnych pojazdów kolejowych, silnikach prądu stałego i zmiennego oraz generatorach elektrycznych może się zdarzyć, że przepływające lub wytwarzane w ich wnętrzu prądy elektryczne nie są lub nie mogą być skutecznie ograniczone, a więc przechodzą także przez łożyska samego silnika.
2.Procesy spawania łukowego
Przy spawaniu łukowym złączenie dwóch elementów metalowych odbywa się poprzez wytworzenie łuku elektrycznego. Jeśli w urządzeniach stacjonujących podczas spawania znajduje się łożyska, możliwe jest, że prądy elektryczne wywołane przez łuk spawalniczy będą przez nie przechodzić.
3.Pola magnetyczne
Zgodnie z zasadami elektrodynamiki, w przewodniku wystawionym na zmienne pola magnetyczne indukowane są prądy elektryczne. Ponieważ stal stosowana w łożyskach jest przewodnikiem, w łożysku zanurzonym w polu magnetycznym mogą powstawać prądy elektryczne.
Rozwiązania, jakie do tej pory stosowano, aby ograniczyć wpływ prądów parazytarnych na łożyska, można w gruncie rzeczy podzielić na dwa rodzaje: zewnętrzne izolowanie elektryczne łożyska lub stosowanie łożysk elektrycznie zabezpieczonych (izolowanych). Przyjrzymy się bliżej obu tym rozwiązaniom.
- Zewnętrzna izolacja elektryczna łożyska
W takich przypadkach nie pracuje się bezpośrednio na łożysku, lecz na jego obudowie. Ekranowanie można wykonać na przykład poprzez izolację wału lub gniazda, albo — jeśli to możliwe — przez stworzenie bardzo przewodzącego połączenia elektrycznego między częścią ruchomą a częścią stałą urządzenia lub maszyny. Jest to rozwiązanie charakteryzujące się wysokimi kosztami i często trudnymi do pokonania problemami technicznymi.
- Łożyska z izolacją elektryczną
W takich łożyskach powierzchnie zewnętrzne są zabezpieczane podwójną warstwą ochronną: najpierw poprzez powłokę z tlenku glinu nanoszoną metodą natrysku plazmowego, a następnie przez powlekanie żywicą w celu ochrony przed wilgocią. Podwójne zabezpieczenie jest konieczne, ponieważ warstwa tlenku glinu utworzona w procesie natrysku plazmowego jest porowata. W obecności wilgoci (zarówno podczas magazynowania, jak i użytkowania) woda lub para wodna, które są przewodnikami elektrycznymi, mogą gromadzić się w porach, tworząc mostki przewodzące, a tym samym niwelując skuteczność izolacji z tlenku glinu. Powłoka z żywicy natomiast wypełnia te pory materiałem higroskopijnym i elektrycznie izolującym, eliminując ten efekt. Potencjalnie negatywnym aspektem tego typu łożysk jest fakt, że tlenek glinu stanowi izolator cieplny. Warstwa ochronna może więc stać się barierą dla odprowadzania ciepła wytwarzanego w kontakcie między elementami tocznymi i bieżniami, co przyspiesza zużycie samego łożyska.
Zastosowanie łożysk ceramicznych może stanowić wartościową i bardziej skuteczną alternatywę dla wyżej wymienionych łożysk.
Możliwe są dwa warianty konstrukcyjne:
- Łożyska hybrydowe: pierścienie stalowe i elementy toczne wykonane z ceramiki.
- Łożyska całkowicie ceramiczne: pierścienie i elementy toczne wykonane z materiału ceramicznego.
W obu przypadkach izolacja elektryczna jest wynikiem zastosowania ceramicznych elementów tocznych, które nie pozwalają na przepływ prądów błądzących między wewnętrznym a zewnętrznym pierścieniem łożyska.
Wybór wersji hybrydowej lub całkowicie ceramicznej zależy od aspektów funkcjonalnych i ekonomicznych.
- Nośność łożyska całkowicie ceramicznego jest co najmniej równa nośności analogicznego łożyska stalowego, a zatem większa niż nośność analogicznego łożyska hybrydowego.
- Maksymalna prędkość łożyska hybrydowego jest o 20% wyższa niż analogicznego łożyska stalowego.
- Maksymalna prędkość łożyska całkowicie ceramicznego może być o 20–30% wyższa niż maksymalna prędkość analogicznego łożyska hybrydowego.
- Smarowanie w łożysku całkowicie ceramicznym ma mniejsze znaczenie niż w łożysku hybrydowym.
- Temperatura osiągana przez łożysko całkowicie ceramiczne jest niższa niż temperatura osiągana przez analogiczne łożysko hybrydowe przy takich samych warunkach pracy.
- Łożyska całkowicie ceramiczne jest chemicznie obojętne, natomiast łożysko hybrydowe ma słaby punkt w stalowych pierścieniach, które są podatne na korozję.
- Łożyska całkowicie ceramiczne może być stosowane w środowiskach o znacznie wyższych temperaturach niż te, które może znieść łożysko hybrydowe.
- Łożyska całkowicie ceramiczne jest całkowicie niemagnetyczne.
W każdym przypadku łożysko ceramiczne, a w szczególności łożysko całkowicie ceramiczne, może być trafnym wyborem, umożliwiającym poprawę wydajności maszyny, w której jest zastosowane, oraz zmniejszenie częstotliwości prac konserwacyjnych, co przekłada się na korzyści ekonomiczne.
