Témata
Reklama

Elektrická izolační a protipožární hybridní ložiska pro motory ventilá

15. 06. 2005

Elektromotory pro ventilátory jsou ve stále větší míře používány ve ventilačních systémech s proměnným objemem přiváděného vzduchu ve spojení s měniči kmitočtu. Jejich ložiska musí být za normálních provozních podmínek odolná proti elektrické erozi i proti vysokým teplotám při požáru.

Nové či zmodernizované ventilační systémy s proměnným objemem přiváděného vzduchu (VAV) zajišťují pružné, spolehlivé a hospodárné větrání a nahrazují systémy s konstantním objemem přiváděného vzduchu. Každá zóna, která má být větrána kontrolovaným způsobem, má často vlastní ventilátory na vstupu i výstupu. Lopatky ventilátoru jsou přímo upevněny na hřídel elektromotoru a otáčky jsou regulovány měničem kmitočtu. Tím je umožněna přesná regulace průtoku vzduchu do určité zóny, jak je to vyžadováno např. v nemocnicích, moderních výrobních závodech apod. Systémy s proměnným objemem vzduchu rovněž zajišťují hospodárné a přesné větrání velkých budov se složitými půdorysy, jako např. letišť, nákupních středisek, trajektů, námořních lodí atd.
Další požadavky na systém mohou zahrnovat velmi vysokou provozní spolehlivost, která je nutná v operačních sálech, nebo potřebné zdvojení systému, např. pro ventilační systémy pro odvod kouře a tepla (systémy SHEVS), které jsou používány ve velkých objektech výrobních závodů a v tunelech, kde oheň představuje velké riziko. V takových případech musí být rovněž splněny požárně-bezpečnostní předpisy podle nové normy EN 12101-3, která platí pro poháněné systémy SHEVS, přičemž musí být současně splněn požadavek na dlouhou životnost za běžných provozních podmínek. Pokud mají systémy VAV a SHEVS splňovat požadavky na nízké náklady po celou dobu životnosti, hybridní ložiska a jiná speciální ložiska budou mít stále větší význam.
Reklama
Reklama
Reklama

Elektrická izolační ložiska

Nové systémy VAV se většinou skládají z několika stovek elektromotorů, které se musí vyznačovat vysokou spolehlivostí. Ve ventilátorech jsou ložiska motoru zpravidla jediné vysoce zatížené pohybující se díly, v nichž může dojít ke styku kov na kov. Z tohoto důvodu představují nejkritičtější část z hlediska spolehlivosti a nízkých provozních nákladů. V současné době je přibližně 50 % havárií elektromotorů způsobeno přímo poškozením ložiska. Vzhledem ke stále širšímu využití měničů kmitočtu lze očekávat nárůst poruchovosti malých elektromotorů pro nepřerušovaný provoz s výkonem 0,15 až 15 kW. Měniče kmitočtu, jako např. měniče s impulzovou šířkovou modulací (PWM), podle zkušeností způsobují poškození standardních celoocelových ložisek elektroerozí.
U menších motorů dochází k havárii s větší pravděpodobností, protože jsou vybaveny standardními ložisky, která nechrání proti elektrickému výboji v místě styku oběžné dráhy a valivého tělesa. Naproti tomu větší motory jsou běžně osazovány elektricky izolovanými ložisky SKF Insocoat nebo jsou opatřeny polymerovou vrstvou, která takovou izolaci zajišťuje. Hybridní ložiska představují nejschůdnější řešení, které umožňuje u menších motorů dosáhnout srovnatelné ochrany proti průchodu elektrického proudu.

Příznaky poškození

K výboji dochází, protože součtové napětí není rovno nule a vznikají koncové jehlové impulzy, způsobené velmi krátkou dobou přepnutí u měničů kmitočtu. Toto lze změřit po připojení vhodného osciloskopu na svorky uzemnění hřídele u příslušného motoru (obr. 1). Typickými příznaky tohoto typu poškození jsou mikrokrátery a pitting na oběžných drahách a valivých elementech, zešednutí valivých prvků, vlnové prohlubeniny, které se pravidelně opakují (tzv. valcha), a zčernání plastického maziva. Takové poškození se projevuje nedostatečným mazáním, vysokými vibracemi a v konečném důsledku zadřením ložisek.
Elektroeroze ve ventilačních systémech s proměnným objemem přiváděného vzduchu VAV zkracuje trvanlivost ložisek. To lze poznat podle vzrůstajícího počtu předčasných havárií a vyšší poruchovosti. Nedávný příklad pochází ze švédské nemocnice postavené před čtyřmi lety, která je vybavena novým systémem s měniči kmitočtu typu PWM. Statistická analýza údajů o údržbě napovídá, že základní trvanlivost L10h (90% spolehlivost) klesla na pouhých 30 % předpokládané hodnoty (obr. 2).
Ložiska byla namazána na celou dobu trvanlivosti. Statistická analýza ukázala ještě prudší pokles trvanlivosti v provozních hodinách L50h (50% spolehlivost), způsobený vyšší poruchovostí. Přítomnost elektrického proudu v ložisku byla zjištěna přímými diagnostickými měřeními (napětí hřídele proti zemi) na motorech a analýzou havarovaných ložisek (zčernání plastického maziva a zápach ozónu). Analýza podobná výše uvedené může být provedena na omezeném počtu ložisek ve větších systémech VAV, protože statistický výsledek je lepší v případě několika málo havárií systémů ve velkém vzorku než v případě mnoha havárií v malém vzorku.

Hybridní ložiska

Četnost výskytu závad v systému v nemocnici, tzn. pravděpodobnost předčasné havárie, se rychle zvyšuje po uplynutí čtyř let (obr. 3). Zvýšení rizika havárie zařízení, která jsou určena pro zóny se zásadním významem, jako např. operační sály, je však nepřijatelné. Jestliže je nutné předejít takovým rizikům, je nanejvýš vhodné osadit tento typ motoru ventilátoru dvěma hybridními ložisky. Ložiska, která nejsou citlivá na průchod elektrického proudu, poskytují ochranu proti rozdílům součtového napětí, jehlovým impulzům a dalším příčinám poškození ložisek elektrickým proudem.
Je však třeba zdůraznit, že jedno hybridní ložisko, zpravidla na volné straně motoru, by mohlo zajišťovat dostatečnou ochranu. Použití elektricky izolačních ložisek, jako např. hybridních ložisek, by mělo být navrženo ve spolupráci s odborníky na motorové proudy a ložiska a ověřeno měřeními v praktickém provozu. Jakékoli konstrukční změny elektrických zařízení by však měly být projednány s výrobci původního zařízení.

Řešení izolací

Skupina SKF pokračuje v rozšiřování skladové nabídky hybridních ložisek pro elektrické stroje, aby mohla zkrátit dodací lhůty. Ze skladu jsou nabízena především kuličková ložiska řady 60, 62 a 63 s průměrem díry od 5 do 70 mm. Ložiska větších rozměrů jsou rovněž nabízena přímo ze skladu nebo jsou vyráběna na objednávku a dodávána ve velmi krátké dodací lhůtě. Hybridní kuličková ložiska pro motory ventilačních systémů s proměnným objemem přiváděného vzduchu (VAV) jsou zpravidla vybavena těsněními s nízkým třením (2RZ nebo 2RSL), lisovanou klecí z polyamidu zesíleného skelnými vlákny, která je vedena valivými tělesy (TN9), keramickými kuličkami (HC5), mají větší vůli než je normální (C3) a jsou namazána výkonným plastickým mazivem pro široký rozsah teplot (WT) s charakteristikou pro elektromotory. Typické označení takového ložiska je 6004-2RSLTN9/HC5C3WT nebo 6208-2RZTN9/HC5C3WT.

Protipožární ložiska

Spolehlivá ochrana proti požáru velkých stavebních objektů, jako např. tunelů, letišť, obchodních domů, velkých veřejných objektů atd. je naprosto nezbytná. Mnoho takových staveb je vybaveno větracími systémy pro odvod tepla a kouře, které jsou určeny k ochlazování a čištění vzduchu v případě požáru. Takové systémy s dvojím způsobem využití, které mohou mít životně důležitý význam (větrání za běžných podmínek a odtah kouře), musí dlouhodobě zaručovat spolehlivou funkci i v případě nouze.
Poslední evropská norma EN 12101-3 uvádí, že ventilátory pro systémy SHEVS a související motory přímo poháněných ventilátorů by měly být klasifikovány pro použití v případě nouze za teplot odpovídajících požáru. V současné době představuje třída F400 (400 °C) nejdůležitější aplikovanou úroveň a mnoho instalovaných a zmodernizovaných evropských systémů SHEVS pro tunely a budovy tuto normu splňuje. Nově vyvíjené konstrukce motorů budou podle předpokladů splňovat požadavky třídy F600 (600 °C). Systémy SHEVS by se měly vyznačovat nízkými provozními náklady, protože běží nepřetržitě celý den, aby vytvářely příjemné prostředí. Spolehlivé větrání, které zajišťuje potřebný komfort, má v mnoha případech zásadní význam pro bezpečné odstraňování toxických spalin z osobních a nákladních vozidel a omezení negativních vlivů na dopravu.

Požadavky na protipožární ložiska

Je třeba zdůraznit, že normy EN ponechávají na úvaze výrobců, vlastníků a provozovatelů, zda budou zajištěny nízké celkové náklady u ventilátorů se dvěma způsoby použití, které jsou určeny pro každodenní provoz. Ani schopnost pracovat v nouzovém režimu po celodenním provozu není specifikována. Pro další technický vývoj a zajištění odbytu na trhu stanovila skupina SKF požadavky na ložiska určená pro třídu F400 a vyšší podle standardu EN, jakož i další potřeby uživatelů:
  • schopnost provozu za nouzových podmínek při teplotě 400 °C (dvě hodiny) nebo 600 °C (jednu hodinu) podle normy;
  • možnost zastavení a opětovného spuštění při teplotě nouzového chodu podle normy;
  • dlouhodobě spolehlivá funkce při nouzovém chodu;
  • velmi dlouhá životnost (náplň plastického maziva na celou dobu trvanlivosti) při normální teplotě motoru (+70 až +120 °C);
  • uspokojivý výkon za nízkých teplot;
  • tichý chod motoru;
  • možnost domazávání otevřených ložisek.
  • Na základě těchto požadavků skupina SKF zvolila a předběžně odzkoušela různá provedení ložisek pro vývoj elektromotorů, která by splňovala třídu F400 a vyšší.

    Nové zkušební zařízení

    Skupina SKF navrhla a uvedla do provozu nové zkušební zařízení HEAT1 (Heat Emergency Approval Test, tj. schvalovací test pro nouzový chod za vysoké teploty) pro třídění ložisek a jejich zkoušení v podmínkách nouzového běhu při teplotách až do 600 °C. HEAT1 umožňuje provádět zkoušky při zatížení a za podmínek uvedených v EN 12101-3 pro elektromotory. Jako první krok byl proveden vylučovací test případných provedení ložisek s různými kombinacemi materiálů, maziv a klecí, a to včetně ložisek s náplní maziva pro vysoké teploty (obr. 5).
    Při vylučovacím testu prokázala tři provedení ložisek SKF s náplní plastického maziva pro elektromotory (A, B a C) vynikající provozní vlastnosti v nouzových podmínkách na rozdíl od provedení s náplní plastického silikonového maziva nebo maziva PTFE pro vysoké teploty (D, E a F). Bylo toho dosaženo volbou vhodnější kombinace materiálu kroužků a valivých těles. Následné funkční zkoušky (podle zkušebního programu převzatého z EN 12101-3 pro motory pro měření času, otáček a teploty) dopadly dobře pro první dva hlavní "kandidáty" (jedno ložisko ze speciální oceli a jedno hybridní ložisko). Oba typy ložisek lze používat v elektromotorech, které musí splnit požadavky F400 a F600 (tabulka 1). Funkční zkoušky prokázaly, že požadavky třídy F600 lze splnit i bez ložiska ve speciálním provedení. Omezujícím faktorem je však odolnost vinutí motoru proti ohni, která je obvykle do teploty 400 °C.
    Ložiska SKF používaná v zařízeních v protipožární úpravě jsou zpravidla dodávána a certifikována spolu s elektromotorem. Stávající elektromotory lze dodatečně osadit ložisky s vysokoteplotním plastickým mazivem, pokud je třeba snížit provozní náklady a hlučnost a zvýšit bezpečnost. SKF pro zjednodušení tohoto úkolu nabízí znalosti z oblasti zkoušení a konstrukce, které usnadní opětovnou certifikaci bez opakovaných zkoušek celé řady ventilátorů a elektromotorů.
    Lars Kahlman, Linus Svensson a Fredrik Fränding
    Reklama
    Vydání #6
    Kód článku: 50692
    Datum: 15. 06. 2005
    Rubrika: Inovace / Ložiska
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Ložiska pro velká zatížení

    Společnost Coroll jako významný dodavatel ložisek do všech hutních provozů včetně kontinuálního lití, válcoven, výroby surového železa, přepravy a úpravy rud i dalších materiálů využívá zázemí japonského výrobce ložisek NSK a jeho vývoj speciálních produktů pro hutní průmysl.

    Prémiové nástroje pro výpočet ložisek

    Společnost SKF své lety nabyté zkušenosti a znalosti předává svým zákazníkům nejen prostřednictvím seminářů, brožur či katalogů, ale také poskytováním výpočetních nástrojů.

    Správné mazání předchází třetině selhání ložisek

    Domazávání ložisek je naprostou nutností, pokud ložiska nepoužíváte výhradně v aplikacích, které domazávání nevyžadují. Nestačí však pouze domazávat, je důležité provádět domazávání vhodným množstvím a způsobem. Z důvodu nevhodného domazávání totiž selhává 36 % ložisek. Jak tedy správně domazávat?

    Související články
    Ložiska pro velmi náročné podmínky

    Prostorové omezení představovalo pro firmu Papcel při navrhování nového papírenského stroje velký problém. Řešením byla unikátní toroidní ložiska CARB a inovativní mazací systém od společnosti SKF.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Optimalizace péče o ložiska zabraňuje odstávkám výroby

    Ložiska jsou vysoce namáhanými součástmi pohonů, které v průběhu času podléhají opotřebení. S ohledem na to je zvláště důležité zahrnout je do plánů údržby, protože tato strategie pomáhá prodloužit životnost strojů nebo zařízení.

    Monitoring stavu ložisek zlepšuje proces broušení

    Sledování stavu ložisek není jen způsob, jak včas zjistit potřebu jejich výměny, ale také způsob, jak si udělat obrázek o stavu celého stroje nebo zařízení. Pro ilustraci výhod služby CMS (Condition Monitoring Service) od firmy NSK budou uvedeny dva příklady jejího využití pro brousicí stroje.

    Inovace komponentů pro obráběcí stroje

    Firma Coroll již od roku 1995 zastupuje na českém trhu společnost NSK. Opírá se o technické zázemí tohoto japonského výrobce, který nepřetržitě investuje do inovací a vývoje svých produktů – ložisek, kuličkových šroubů a lineárních vedení.

    Průmysl 4.0 stojí i na ložiscích a datech

    Společnost SKF je známá především jako výrobce ložisek a dodavatel technických řešení pro rotační stroje. O tom, jak může přispět k zavádění Průmyslu 4.0, si s Davidem Poláčkem, generálním ředitelem české pobočky, povídal Michael Málek.

    Co se běžně neví o montáži ložisek

    „Jezdíme do firem ukazovat spolehlivé metody správné montáže ložisek,“ říká Julius Fiala z SKF.

    Nové simulační nástroje pro konstruktéry

    Návrh nových strojů je nyní nutné provádět rychleji a finančně efektivněji, než tomu bylo ještě v nedávné minulosti. Aby konstruktéři udrželi svou konkurenční výhodu v neustále se měnícím prostředí, využívají stále sofistikovanější software pro celý proces konstrukce. Umožňuje jim to nacházet nové konstrukční alternativy, mohou zvážit více parametrů a tím zkracují dobu, za kterou se produkty dostanou na trh.

    Pět nejčastějších příčin selhání ložisek v elektromotorech

    Valivá ložiska patří k nejdůležitějším součástem většiny strojů. Z tohoto důvodu jsou na jejich parametry (únosnost, přesnost chodu, hlučnost, tření, třecí teplo, trvanlivost a spolehlivost) kladeny vysoké nároky. Valivá ložiska se tedy zcela přirozeně stala velmi důležitou součástí strojů a postupem času také předmětem rozsáhlých výzkumů a neustálého zdokonalování.

    Automatizace a propojování procesů ve výrobě ložisek

    V olomouckém závodě na výrobu ložisek Koyo Bearings v průběhu minulého roku nakoupili tři nové výrobní linky na výrobu jehličkových ložisek pro zákazníka Mitec (Jaguar-Land Rover) s kapacitou 1,7 milionu kusů ročně. Po automatizovaných linkách pro zákazníka Schmidt (Mercedes-Benz) jsou dalším prvkem v procesu zavádění automatizace výroby a Průmyslu 4.0 v tomto moravském závodě.

    Projekt výrobní linky pro inovovaná ložiska do převodovek Porsche

    V souvislosti s vyššími požadavky odběratelů v automobilovém průmyslu na nižší výslednou hlučnost pro pasažéry plánuje olomoucký závod na výrobu ložisek Koyo Bearings zavedení technologických změn. Konkrétně se jedná o nákup nové linky, která umožní implementaci technologie vysoce přesných dokončovacích operací, mezi něž patří soustružení „za tvrda“, broušení a superfinišování pro ložiskové kroužky nově vyvinuté řady ložisek LNT (Low Noise Transmission).

    Lineární vedení v robotizovaných svařovacích linkách

    Výrobce dílů svařovaných z plechů hledal řešení, jak prodloužit krátkou životnost pohonů a vodicích prvků svých automatizovaných svařovacích zařízení, neboť lineární vedení robotizované svařovací pistole v jedné jeho výrobní lince muselo být vyměňováno každé dva nebo tři měsíce.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit