Insbesondere die rotierenden Teile von Elektromotoren neigen dazu, während des normalen Betriebs elektrostatisch aufgeladen zu werden. Obwohl dieses Phänomen schon lange bekannt ist, wird ihm oft zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die durch elektrische Entladungen oder vorübergehende bzw. Kriechströme verursachten Wälzlagerschäden sind auch als Verschwommensehen, elektrisches Pitting (Vertiefungen), Rillenbildung oder Oberflächenschäden durch Lichtbögen bekannt.
Um den Stromfluss zu ermöglichen, ist das Vorhandensein eines Spannungspotenzialunterschieds erforderlich (z. B. zwischen induzierter Spannung und Erde). Aufgrund der Natur des Stroms fließt dieser durch den geringsten Widerstand, der in der Regel durch die Wälzlager des Elektromotors verläuft. Es ist jedoch auch möglich, dass der Stromfluss über ein angeschlossenes Gerät oder eine Vorrichtung erfolgt. Zum Beispiel ist es bei Elektromotoren mit direkt angetriebenen Tachogeneratoren sehr häufig, dass der fließende Strom zuerst die Lager des Tachogenerators beschädigt, da sie kleiner sind und daher einen geringeren vorübergehenden Widerstand bieten.
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| Abbildung: Mögliche Wege für den Stromfluss auf dem Elektromotor und dem angeschlossenen Gerät [Quelle: CSI] |
Die Schmierung der Lager spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Durch ihre Isolationswirkung kann ein statisches Aufladen des Wellendurchmessers entstehen. Wenn diese Spannung die Durchschlagspannung des Lagerfetts überschreitet, entsteht ein Funkenüberschlag, der die Oberflächen der metallischen Bauteile beschädigt und zur Oxidation des Schmierstoffs führt. Dieser Prozess wiederholt sich periodisch in Form von weiteren Lichtbögen. Das Durchschlagspannungsniveau hängt vom Typ, Zustand und Verschmutzungsgrad des Schmierstoffs, der Umgebungsnässe, der Temperatur und dem Lagerluftspalt ab.
Jede elektrisch angetriebene Maschinenwelle weist eine Wechsel- und/oder Gleichstromkomponente auf, die nur dann zu einem Problem wird, wenn ein bestimmtes Maß überschritten wird. Sobald die elektrische Schädigung begonnen hat, beschleunigt sich der mechanische Lagerverschleiß durch die wiederholten Lichtbögen erheblich. Die Lebensdauer kann zwischen einigen Monaten und mehreren Jahren liegen, abhängig von der Wellenspannung, dem Lagertyp, dem vorübergehenden Widerstand, den Spalten und der Schmierung. Es ist jedoch unbedingt zu betonen, dass die Lebensdauer im Vergleich zu Lagern, die nur mechanischem Verschleiß ausgesetzt sind, erheblich verkürzt wird.
Die Bedingungen, die die Entstehung und den Fluss von Kriechströmen erleichtern
Die Quelle der Wellenspannung bzw. -ströme kann sein:
Elektromagnetische Spannungen und Ströme entstehen, wenn vorhanden sind
Durch Spannungsinduktion entsteht ein umlaufender Strom, der vom Motorwellendurchmesser über eines der Lager durch das Motorgehäuse und dann durch das andere Lager zurückfließt. Elektrostatische Spannungen und Ströme entstehen aus Ladungsansammlungen, die beispielsweise bei Dampfturbinen, Nassgasverdichtern, Riemenantrieben und Papiermaschinen beobachtet werden können. Hier wird die Spannung über eines der Lager zur Erdpotentialleitung vom Motorwellenende abgeleitet.
Externe Spannungen werden in der Regel durch die Anregungs- und Steuerungseinrichtungen des Elektromotors verursacht und führen häufig zu Rillenbildung. Eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung spielen:
Rillenbildung durch externe Spannungen ist häufig zu beobachten:
Die Erkennbarkeit des Stromübergangs an den Lagern
Die visuelle Inspektion ist das wichtigste Mittel zur Feststellung des Vorhandenseins eines Stromübergangs. Oft ist die Lagerbeschädigung so stark, dass die Lagerkomponenten miteinander verschweißt sind. Es ist jedoch ratsam, jedes ausgebaut Lager zu überprüfen.
Typische Anzeichen für durch Stromübergang verursachte Schäden sind:
Diese Phänomene treten am äußeren und inneren Ring des Lagers auf, sind aber auch an den Rollen zu finden. Am häufigsten ist jedoch der äußere Ring betroffen.
Die matten Oberflächen ähneln einem symmetrischen Sandstrahlen oder Bearbeitungsbild. Ein Bild zeigt einen äußeren Lageraußenring mit einer solchen Beschädigung. Unter dem Mikroskop sehen wir, dass die Oberfläche voller kleiner Krater ist, deren glänzendes Aussehen auf die durch elektrische Entladung verursachte Schmelze hinweist. Manchmal wird dies fälschlicherweise als chemische Schädigung erkannt: In diesem Fall wären jedoch kleinere Krater mit matter Oberfläche vorhanden. Radiale Lager zeigen oft Spuren von Funken, die als Kratzer auf der Lageroberfläche erscheinen. Im Gegensatz zum Bild eines unzureichend geschmierten Lagers treten diese Schäden unregelmäßig und schräg zur Drehrichtung auf. Unter dem Mikroskop können wir auch Schmelzspuren am Boden der Kratzer sehen.
Auf den folgenden Bildern zeigt die Rillenbildung ein Bild, das an eine Bearbeitung erinnert, und kann daher am einfachsten als Schaden durch Stromübergang identifiziert werden. Die betroffenen Oberflächen sind sehr schmal und klar abgegrenzt.
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| Abbildung: Äußerer Lageraußenring mit matter Oberfläche (linkes Bild), starken Rillen (mittleres Bild), Ausbrüchen (rechtes Bild) [Quelle: CSI] |
Identifizierung der Rillenbildung durch Schwingungsanalyse
Schäden durch Stromübergang können mit einer hochauflösenden Spektrumanalyse erkannt werden. Dieser Fehler tritt in Form hochfrequenter modulierter Vibrationen als "Spitzen" der Schwingungsamplituden im Frequenzbereich von 2000 bis 4000 Hz im Spektrum auf.
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| Abbildung: Schwingungsspektrum eines Elektromotors mit Rillenbildung im Lager [Quelle: CSI] |
In der Amplituden-Spitze oder den Seitenbändern mit Modulationsfrequenz des äußeren bzw. inneren Rings oder deren Kombination sind vorhanden. Meistens tritt die Modulation der Frequenz des äußeren Rings auf.
Wie auf dem obigen Bild zu sehen ist, sind in einem frühen Stadium dieses Fehlers die üblichen Lagerfehlfrequenzen im niedrigen Frequenzbereich des Spektrums noch nicht sichtbar. Erst bei fortschreitendem Lagerzustand - wenn der allgemeine Verschleiß des Lagers bereits verstärkt ist - treten auch die Lagerfehlfrequenzen auf. Es wird erwartet, dass sich die frühen Schäden bereits sehr früh in den Schwingungsamplituden-Spektrumkurven zeigen lassen. Die Schwingungsanalyse kann daher nur Schäden durch Stromübergang bestätigen, ist jedoch nicht zur Erkennung kritischer Spannungspotenziale oder Schäden durch Kriechströme vor deren Auftreten geeignet. Andere elektromagnetische Phänomene, die zu Kriechströmen führen können - wie asymmetrische Feldstärke, Probleme durch Oberwellen - können jedoch durch Schwingungsanalyse erkannt werden.
Identifizierung von Stromübergängen durch Strom- und Spannungsmessungen
Vor der Bildung von Rillen durch Stromübergänge - effektiver bei der Schwingungsdiagnose - kann die Messung des aktuellen Achsenvoltages und des auftretenden Kriechstroms angewendet werden. Dies sollte idealerweise nahe an den Lagern direkt mit einem Bürstenkontakt oder einem anderen Schleifkontakt durchgeführt werden. Um die Wahrscheinlichkeit der Rillenbildung sicherer beurteilen zu können, sollten die folgenden Ströme und Spannungen gemessen werden:
Diese Daten geben zusammen ein Bild der Prozesse im System.
Die Messung erfolgt in der Regel zwischen der Welle und der Masse (Motorgehäuse, Grundschraube usw.). Einige Unternehmen, die sich mit Maschinendiagnose befassen, bieten auch Messköpfe für die Messung von Achsenvoltages und Kriechströmen für ihre Schwingungsdiagnose-Handgeräte an. Die Messung erfolgt in zwei Schritten: Zuerst wird der Spannungsabfall über einem Widerstand von R = 1 Ohm gemessen. Dann wird die Messung über einem in Serie geschalteten Widerstand von R = 10 Ohm wiederholt. Es ist jedoch zu beachten, dass solange es auch andere Strompfade durch das Lager gibt, der mit dem Messkopf gemessene Wert nicht den gesamten Strom durch die Welle repräsentiert! Im Idealfall sollte der Übergangswiderstand des Lagers - unter der Annahme eines durchschnittlichen Schmierfilms - nicht kleiner als 1 Ohm sein. Wenn jedoch aufgrund von Stromübergängen die Schmierung zusammenbricht, kann mehr Strom durch das Lager fließen. Daher sind die mit dem Messkopf gemessenen Werte in der Regel niedriger als die tatsächlichen Ströme. Wenn das Verhältnis der gemessenen Stromwerte 10:1 oder größer ist (wie oben erwähnt 1 bzw.Bei der Anwendung von 10-Ohm-Widerständen haben wir bei unveränderter Drehzahl und Last fehlerhafte Daten festgehalten. Da jeder Elektromotor eine gewisse - möglicherweise sehr geringe - Wellenspannung und Schleppstrom hat, stellt sich die Frage, wo die kritische Grenze liegt. In der Literatur gibt es jedoch unterschiedliche Angaben dazu, was wahrscheinlich auf verschiedene Messmethoden, Ausrüstungen, Lagerarten, Schmierstoffarten, Lagerluftspalte, Drehzahlen, Luftfeuchtigkeit und vieles mehr zurückzuführen ist. Bis neue und genauere Erfahrungsdaten vorliegen, können die in der Tabelle unten zusammengefassten Grenzwerte für akzeptable Ströme und Spannungen als Richtwerte betrachtet werden.
| Messung | Amplituden | ||
| niedrig | zu prüfen | hoch | |
| Effektivwert oder Gleichspannung [V] | < 1 | 1 - 3 | >3 |
| Effektivwert oder Gleichstrom [mA] | Keine Daten | Keine Daten | Keine Daten |
| Spitzenwertspannung [V] | < 3 | 3 - 10 | > 10 |
Die in der Tabelle verwendeten Kennzeichnungen bedeuten: niedrig: geringe Wahrscheinlichkeit von Schäden zu prüfen: Korrekturmaßnahmen sind erforderlich, wenn das betroffene Gerät bereits durch Schleppströme verursachte Schäden aufweist hoch: die Daten sind als außergewöhnlich anzusehen, die Wahrscheinlichkeit von Schäden ist sehr hoch (Es gab jedoch auch Fälle, in denen durch Stromübergang verursachte Schäden an einem Gerät gefunden wurden, bei dem niemals Ströme oder Spannungen über dem niedrigen Niveau gemessen wurden.) Wo der Grenzwert derzeit noch nicht angegeben werden kann, muss der Wert aus vielen Messungen definiert werden, der basierend auf ersten Erfahrungen bei einem asynchronen Motor mit konstanter Drehzahl typischerweise kleiner als 1 mA ist. Die oben genannten Richtwerte in der Tabelle werden durch den Trend der Spannungs- und Stromwerte weiter unterstützt: Sowohl Anstieg als auch Abnahme können auf eine Verschlechterung des Zustands oder eine Art von Schaden hinweisen, der zu Wellenspannungen und Schleppströmen führt. Änderungen können auch auf unzureichende Erdung hinweisen. Je höher die Werte sind, desto wahrscheinlicher ist eine Lagerbeschädigung durch Stromübergang. Nach einer gewissen Beschädigung des Lagers kann der Spannungspegel erneut abnehmen. Die regelmäßige Überprüfung der Spannungs- und Stromwerte wird für die folgenden - als kritisch betrachteten - Maschinen empfohlen:
Prävention von Lagerbeschädigungen durch Stromübergang
Es ist unbedingt ratsam, präventive Maßnahmen zu ergreifen, wenn die Werte der Wellenspannung und Schleppströme früher oder später auf eine Art von Lagerbeschädigung hindeuten. Wenn die direkte Ursache nicht beseitigt werden kann, muss entweder der Strom durch Installation eines Erdungssystems abgeleitet oder der Stromweg durch Isolierung der Wellenkupplung oder der Lager unterbrochen werden. Bei der Erdung muss sichergestellt werden, dass alle Elemente im System, durch die Strom fließen kann (z. B. Rohre, Sensoren usw.), ebenfalls isoliert sind.
Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu
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