Elektrische Durchschläge in Wälzlagern und anderen Maschinenelementen

Funkenerosive Entladungen als Problem elektrischer Antriebe

Umrichter-gesteuerte Motoren werden in zahlreichen technischen Bereichen eingesetzt. Das generierte elektrische Feld nimmt Einfluss auf die kapazitiv koppelnden Lagerungen der Antriebswelle. Die Schmierstoffe der verwendeten Lager werden infolge dessen nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch belastet.

Um einen passenden Schmierstoff auswählen zu können, ist die Kenntnis seiner elektrischen Eigenschaften erforderlich. Von hoher Bedeutung ist hier vor allem die elektrische Leitfähigkeit und daraus resultierend die Durchschlagsfestigkeit. Letztere Größe gibt an, ab welcher äußeren Spannung ein Stromfluss im Medium entsteht. Dieser Stromfluss führt dazu, dass die Laufflächen der Lager geschädigt (siehe unten) und zudem der Schmierstoff verunreinigt werden. Die elektrische Belastung der Schmierstoffe führt somit zu einer frühzeitigen Alterung und zu einem erhöhten Wartungsaufwand.

Bild: Typische elektrisch initiierte Verschleißerscheinungen in der Lagerlaufbahn – (1) Pittingschäden (Kraterbildung), (2) Riffelbildung, (3) Grey frosting

Die auftretenden parasitären Lagerströme können dabei in kapazitive Umladeströme, Entladeströme (sog. Electrical Discharge Machining- oder EDM-Ströme), Rotor-Erdströme und Zirkular-Lagerströme kategorisiert werden, wobei bekannt ist, dass nur die drei letztgenannten Lagerströme eine schädigende Wirkung auf das Lager haben.

Bei der Art des auftretenden Schädigungsphänomens spielt die Wechselwirkung zwischen dem tribologischen System, definiert durch den Schmierungs-/Reibungszustand, und dem sich daraus ergebenden elektrischen Verhalten eine entscheidende Rolle.

Der kausale Zusammenhang zwischen dem im Wälzlager vorhandenen Schmierungszustand und der Art der sich einstellenden Lagerströme wurde bereits von Wissenschaftlern der RPTU Kaiserslautern-Landau [Maschinenelemente und Getriebetechnik Berichte Bd. 20/2016, ISBN 978-3-95974-029-6] untersucht und lässt sich anhand folgender Abbildung veranschaulichen:

 

 

Bild: Schmierungszustände im Wälzlager und EDM-Entladungshäufigkeit (aus „How Shaft Voltage Causes Bearing And Lubricant Degradation“, Hausner, Simon: flucon’s Dual Approach @ STLE Annual Meeting 2024, Minneapolis, USA)

Hieran wird die Temperatur-Abhängigkeit der Häufigkeit  von Entladeströmen (rot) bei ansonsten konstanten mechanischen Randbedingungen deutlich.

Eine Temperaturerhöhung im ansonsten konstanten System geht mit einer Reduktion der Schmierstoff-Viskosität und somit mit einer Verringerung der Schmierspalthöhe einher. Infolge dessen geht das untersuchte Wälzlager vom Vollschmierungs- in den Mischreibungszustand über, was anhand des exemplarischen Schmierspaltverlaufs (grau) verdeutlicht wird.

Neben der Temperatur bzw. Viskosität sind auch die Drehzahl sowie die Last relevante Einflussgrößen für die Durchschlaghäufigkeit.

 

Neuartige Prüfung: gezielte EDM-Analysen mit flucon

Mit dem diektrischen Tribometer E-Lub Tester kann die elektrische Belastung eines Lagers gezielt eingestellt werden und es können spezifische EDM-Häufigkeiten in Abhängigkeit der variablen Betriebsgrößen (Temperatur, Drehzahl, mechanische Last, elektrische Spannung) erfasst werden.

Bild: EDM-Analyse mit flucons E-Lub Tester (Software-Ausschnitt: Funktion „Breakdown Test“)

 

Da unser Team bereits seit vielen Jahren spezielle Analysen der Viskosität und der elektrischen Fluid-Kenngrößen in Abhängigkeit von Temperatur und Druck durchführt, ist es uns möglich, den Zustand im Schmierspalt bestmöglich zu erfassen.

Die Grundlage hierzu bilden neben den Kenndaten aus unserem einzigartigen Hochdruck-Labor die neuartigen Untersuchungen mit dem Messaufbau E-Lub Tester am Vierkugelapparat.

Inzwischen hat flucon eine patentierte Methode entwickelt, die auf Basis der gemessenen Impedanz auf den Schmierungszustand sowie auf die minimale Schmierfilmhöhe schließt.

Als Indikator wird für jeden Betriebspunkt eine Schmierungsampel (Abb. links) ausgegeben.