Lagerströme; Generelles; Schadensbilder In Wälzlagern - Siemens SIMOTICS GP Projektierungshandbuch

1 Umrichterbetrieb
1.2 Lagerströme
1.2.1

Generelles

Wie in Abschnitt 1.1.1 beschrieben führt die inhärente Gleichtaktspannung und die
hohe Spannungssteilheit des Umrichters, zu einem Eintrag von hochfrequenten
Strömen in das gesamte Antriebssystem, bestehend aus Umrichter, Motor und
Anlagenerdung. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise Isolationen und Luftspalte
als parasitäre Kapazitäten wirken und so ein Netzwerk aufbauen, in welchem sich
Streuströme entsprechend ausbreiten können. In Abhängigkeit von den
Bedingungen im Gesamtsystem treten dabei Spannungen an Wälzlagern der
Motoren auf, welche bei Überschreitung der Durchbruchfeldstärke im Schmierspalt,
in Form von Lichtbogenentladungen einen Ausgleich suchen und damit Ströme an
und über die Wälzlager des Elektromotors und der nachfolgenden Arbeitsmaschine
fließen lassen können. Die beschriebenen Entladungen im Schmierfilm der
betroffenen Lagerung führen zu Materialveränderungen an den Laufflächen der
Lager. Diese können sich in Form einer Querriffelung ausprägen und so einen
vorzeitigen, ungeplanten Stillstand des Antriebes herbeiführen. Ziel ist es, im
gesamten Antriebssystem Maßnahmen durchzuführen, welche zu einer deutlichen
Reduzierung dieser parasitären Ströme und damit zu einer Verminderung der
elektrischen Lagerbelastung führen.
1.2.2 Schadensbilder in Wälzlagern
Der im Lagerschmierspalt entstehende Lichtbogen und der nachfolgende
Stromfluss hat unter anderem folgende Auswirkungen:
1. Die durch den Lichtbogen freigesetzte Energie führt zu
Materialaufschmelzungen im Bereich der Lastzone der Wälzlager, welche sich
in Abhängigkeit der Laufzeit über den gesamten Umfang ausbreiten können.
2. Der Schmierstoff verändert seine Zusammensetzung und verliert an
Schmierfähigkeit
Die unter 1. genannten Aufschmelzungen (Größe ca. 1...5 µm) führen in erster
Linie zur Ausbildung einer Kraterstruktur, welche die typische „Mattiertheit"
stromdurchgangsbelasteter Laufbahnoberflächen ausbildet. In Abbildung 1-4 (b)
sind die Verhältnisse makroskopisch und mikroskopisch in Form einer REM
(Rasterelektronenmikroskop)-Aufnahme dargestellt. Eine mattierte Laufbahn ist in
der Regel ohne Einfluss auf die Lagerlebensdauer. Als weitaus problematischer
erweist sich allerdings die Riffelbildung („washboarding") die durch eine Vielzahl
verschiedenfarbiger grauer Linien quer zur Laufbahn gekennzeichnet ist
(Abbildung 1-4 (c)). Diese Linien werden gebildet durch eine quasi periodische
Berg- und Talstruktur der Laufbahnoberfläche. Dieses „Waschbrett" regt den
Wälzkörper dynamisch zu Schwingungen an, welche einen stark erhöhten
Verschleiß der Lagerkomponenten bewirken. Ermüdungsausbrüche mit
Lagerausfall können die Folge sein [2, 3].
Wie unter 2. angegeben, verändert der Schmierstoff seine Zusammensetzung und
verliert an Schmierfähigkeit. Das Grundöl mit den dazugehörigen Additiven ist
innerhalb eines sogenannten Seifengerüsts gebunden. Aufgrund der hohen
Temperaturen reagieren diese Stoffe: das Seifengerüst und das Grundöl
verbrennen oder verkoken, und die Additive zersetzen sich oftmals schnell.
Schließlich ist der Schmierstoff schwarz verfärbt und verhärtet (Abbildung 1-4 (a)).
Zerstörung des Schmierstoffs ist ein typischer Schaden bei Stromdurchgang durch
das Lager. Dieser Effekt kann vor allem bei dauergeschmierten
Wälzlageranordnungen, ohne Nachschmiereinrichtung, Auswirkungen zeigen.
Projektierungshandbuch SIMOTICS GP/SD/DP
Beitrags-ID: 109759451, V 2.1, 03/2019
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