Cuscinetti isolati elettricamente per la prevenzione di danni dovuti al passaggio di corrente elettrica. Informazione tecnica

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1 Cuscinetti isolati eletticamente pe la pevenzione di danni dovuti al passaggio di coente elettica Infomazione tecnica

2 Danni dovuti al passaggio di coente elettica e loo conseguenze Cuscinetti isolati eletticamente come misua peventiva Danni dovuti al passaggio di coente elettica e loo conseguenze Utilizzando i cuscinetti volventi pe: assili e motoi di tazione (veicoli feoviai) motoi a coente continua ed altenata (tecnica di comando) geneatoi (enegia eolica) è possibile che si veifichi un passaggio di coente. In pesenza di condizioni sfavoevoli ciò può povocae danni alle piste di otolamento ed ai copi volventi, potando così ad un danneggiamento pecoce ed inaspettato del motoe o del geneatoe. Ciò aumenta i tempi di manutenzione, ed implica costi aggiuntivi dovuti al danneggiamento delle macchine o della poduzione. Dal punto di vista economico è utile pevedee in fase di pianificazione l utilizzo di cuscinetti isolati eletticamente. Il cliente può usufuie così di maggioi vantaggi gazie a costi di manutenzione idotti e ad un elevata affidabilità della macchina. Spesso è sufficiente montae cuscinetti isolati eletticamente su una o entambe le sedi, a seconda della installazione, pe inteompee il cicuito ta alloggiamento e albeo. Genealmente i cuscinetti isolati eletticamente (ivestiti in ceamica od in vesione ibida) oppongono una elevatissima esistenza al passaggio di coente ispetto ai cuscinetti standad. Cuscinetti isolati eletticamente come misua peventiva. Eliminae le cause che sono all oigine della diffeenza di potenziale ta i due anelli del cuscinetto è spesso complicato. Tuttavia i danni ai cuscinetti possono essee evitati se si iesce a impedie il flusso di coente od a idulo significativamente. Pe questo motivo sono disponibili divese tipologie di cuscinetti volventi isolati eletticamente. Il componente da isolae dipende dal tipo di tensione pesente. Tensione indotta lungo l albeo Essa compota una coente cicolae che si chiude sul cuscinetto 1, sull alloggiamento e sul cuscinetto 2. La causa di tali tensioni all inteno del albeo è spesso iconducibile alla distibuzione asimmetica del flusso magnetico nel motoe, ed è paticolamente evidente nei motoi con numeo idotto di coppie polai. In questo caso è sufficiente inteompee il flusso di coente isolando uno dei due cuscinetti. Tensione ta albeo e alloggiamento Le coenti scoono nella medesima diezione attaveso entambi i cuscinetti. La causa pimaia è la tensione sincona dell azionamento. In questo caso potebbe essee necessaio isolae entambi i cuscinetti. Il fattoe dominante pe la scelta dell isolamento elettico è appesentato dal compotamento delle tensioni pesenti nel coso del tempo. 1

3 Cuscinetti isolati eletticamente come pevenzione del passaggio di coente Tipici guasti ai cuscinetti in pesenza di passaggio di coente In pesenza di tensione continua o tensione altenata a bassa fequenza, la scelta dipende dalla esistenza ohmica del cuscinetto, mente con tensione altenata ad alta fequenza (es. azionamento con invete) dalla eattanza capacitiva. Fondamentalmente un cuscinetto isolato agisce come una esistenza ed un condensatoe collegati in paallelo. Pe ottenee un buon isolamento la esistenza deve essee la più elevata possibile, mente la capacità la più bassa. Solo gazie ad un micoscopio a scansione elettonica (fig. 2) è possibile iconoscee se entambe le supefici danneggiate (figg. 1 e 2) pesentano una fitta distibuzione dei caatteistici catei di fusione e delle gocce di saldatua di dimensioni dell odine del μm. Questo pova definitivamente l avvenuto passaggio di coente. Guasti tipici ai cuscinetti in pesenza di passaggio di coente Indipendentemente dal fatto che un cuscinetto sia stato sottoposto a coente continua od altenata (con fequenze compese nel campo dei MHz), i danneggiamenti supeficiali che si pesentano sono sempe i medesimi: opacità unifome e tacce gigie sulle piste di otolamento (fig. 1) e sulle supefici dei copi volventi. Questo quado non è specifico pe danneggiamenti da passaggio di coente, ma può avee anche influenze divese. 3: Micogafia SEM della stuttua danneggiata 2 1: Tacce opache e gigie sulle piste a sinista pista di otolamento dell anello esteno, a desta pista di otolamento dell anello inteno Le cosiddette ondulazioni sono tacce che si sviluppano sulla supeficie nella diezione di otolamento (fig. 2). Queste tacce identificano il passaggio di coente. 2: Fomazione di ondulazioni a sinista pista di otolamento dell anello esteno, a desta pista di otolamento dell anello inteno I catei di fusione e le gocce di saldatua, si ceano a causa delle scaiche elettiche ta le ceste di ugosità delle piste di otolamento e dei copi volventi. In pesenza di un velo di lubificante ben fomato la scintilla si scaica nel punto più sottile del velo (esempio in pesenza di un difetto localizzato), causando la fusione tempoanea del mateiale adiacente. In pesenza di attito misto (contatto metallo su metallo) le supefici vengono fuse, spezzandosi e sepaandosi nuovamente a causa della otazione del cuscinetto. In entambi i casi il mateiale viene stappato dalle supefici solidificandosi immediatamente in gocce di saldatua. Queste in pate confluiscono nel lubificante ed in pate si depositano sulle supefici metalliche. Mediante un azione continua di otolamento i catei e le gocce di saldatua vengono ullate ed appiattite. Nel tempo con un flusso continuo di coente i sottili stati supeficiali vengono ipetutamente fusi. La causa più comune dei danni ai cuscinetti è l ondulazione (fig. 2). Queste ondulazioni nelle piste di otolamento e nei copi volventi si deteminano con l inteazione ta flusso continuo di coente e vibazioni dei componenti dei cuscinetti.

4 Tipici guasti ai cuscinetti in pesenza di passaggio di coente Cuscinetti ivestiti di ceamica Ogni volta che un copo volvente inconta un catee sufficientemente gande subisce uno spostamento adiale, la cui entità dipende dalla geometia intena, dalla velocità di otazione e dal caico sul cuscinetto. Come il copo volvente itona nella sua posizione oiginale, iduce lo spessoe del velo lubificante, consentendo in questo punto nuove scaiche elettiche avviando così un pocesso a catena. Dopo qualche tempo la pista di otolamento dell anello può essee completamente icopeta da ondulazioni. Queste potano ad oscillazioni del cuscinetto sempe più macate, compotando infine la ottua dello stesso. Si è dimostato che un citeio affidabile pe valutae la peicolosità del passaggio di coente è la densità di coente teoica, appoto ta l intensità di coente effettiva e l aea di contatto ta copi volventi e l anello inteno o esteno del cuscinetto. Ciò dipende dal tipo di cuscinetto e dalle condizioni di caico. Con densità di coente infeioi a cica 0,1 A eff /mm 2 non esiste alcun peicolo di fomazione di ondulazioni, stando allo stato attuale delle conoscenze. Questo genee di danneggiamento si pesenta invece facilmente con valoi uguali o supeioi ad 1 A eff /mm 2. Influenza del lubificante Anche il lubificante subisce effetti negativi a causa del passaggio di coente. L olio base e gli additivi vengono ossidati e pioscissi. Tutto ciò è facilmente dimostabile con uno spetto a aggi infaossi. A causa dell invecchiamento pecoce e dell accumulo di paticelle feose le popietà lubificanti peggioano, potando così ad un suiscaldamento del cuscinetto. Cuscinetti ivestiti di ceamica 4: Cuscinetti adiali igidi a sfee ivestiti di ceamica Vantaggi dei cuscinetti FAG ivestiti I ivestimenti in ossidi ceamici offono un elevata potezione isolante (J20..). Questi vengono applicati sulle supefici del cuscinetto con il pocedimento di deposizione al plasma (fig. 5). Gazie ad uno speciale sigillante la copetua J20AA è in gado di esecitae un azione isolante anche in ambienti umidi. Lo stato di ossido ceamico è molto duo, esistente all usua e ha buone capacità di conduzione del caloe. Le dimensioni estene del cuscinetto volvente ad isolamento elettico coispondono alle dimensioni indicate nella DIN 616 (ISO 15). I cuscinetti ad isolamento elettico possono essee sostituiti quindi con cuscinetti di tipo standad. Pe applicazioni paticolai, ad esempio in pesenza di un anello esteno otante, è pefeibile isolae l anello inteno (suffisso J20C). E possibile ichiedee cuscinetti adiali igidi a sfee ivestiti della seie 62 con esecuzione apeta e con tenuta a labbo su uno o entambi i lati. In questo modo l utilizzatoe può sfuttae i vantaggi di una lubificazione pemanente. 3

5 Pocesso di ivestimento Resistenza elettica Il pocesso di ivestimento Con il pocesso di deposizione al plasma (fig. 5) si cea un aco voltaico ta due elettodi pe ionizzae un gas inete emesso da una tocia. Il flusso di plasma isultante è utilizzato pe taspotae la polvee di ossido di alluminio. Questa si fonde e viene spuzzata ad alta velocità sull anello esteno o inteno. Lo stato di ossido così applicato adeisce pefettamente al mateiale di base. Viene infine sigillato e ettificato a misua. Resistenza elettica I ivestimenti soddisfano al 100% il contollo qualità, gaantendo una esistenza al passaggio di coente di almeno 1000 VDC (J20AA, J20C) o 500 VDC (J20B). Al di sotto di questa tensione lo stato isolante consente solo idotti flussi di coente nel cuscinetto. Pe questo è possibile diffeenziae due meccanismi. Resistenza alla coente continua A tempeatua ambiente si aggiungono valoi da 1 a 10 GOhm a seconda delle dimesioni del cuscinetto. Con l aumento della tempeatua la esistenza diminuisce in modo esponenziale, di cica il 40 50% pe ogni 10 K. Tuttavia si ha ancoa una esistenza di paecchi MOhm anche a tempeatue di esecizio di 60 o 80 C. Secondo la legge di Ohm (I = U/R), pe tensioni fino a 1000 V si ottengono coenti sensibilmente infeioi ad 1 ma, quindi non citiche pe il cuscinetto. 5: Pocesso di deposizione al plasma Resistenza alla tensione altenata L unità isolata appesenta una capacità C ed è in gado di accumulae caiche. In pesenza di tensione altenata si genea una coente altenata che attavesa l aea di contatto ta copo volvente e pista di otolamento. In caso di coenti sinusoidali con velocità angolae ω i valoi efficaci di coente e tensione sono calcolati secondo la seguente fomula: I = U ω C. In modo analogo alla legge di Ohm si definisce con Z = 1/ωC la eattanza capacitiva del cuscinetto. La capacità di un cuscinetto con ivestimento in ossidi ceamici si attesta su valoi compesi ta 2 e 20 nf a seconda delle dimensioni del cuscinetto. Quindi la eattanza capacitiva si attesta su valoi compesi ta 0,15 e 1,5 MOhm (alla fequenza di 50 Hz), decisamente infeioi ispetto alla sua esistenza con tensione continua. A fequenze elevate questo valoe diminuisce ulteiomente. Nella maggio pate dei casi la esistenza saà comunque molto supeioe ispetto a quella di un cuscinetto non isolato, che pe tensioni maggioi o uguali ad 1 V è molto bassa (1 Ohm o infeioe). 4

6 Rivestimenti Campi dimensionali J20B / J20A / J20AA J20C Rivestimenti Campi dimensionali J20B J20A *) J20AA J20C Tensione di scaica disuptiva 500 VDC 1000 VDC 1000 VDC 1000 VDC Ambito di applicazione Asciutto Asciutto Asciutto/umido Asciutto/umido Spessoe del ivestimento <100 μm >200 μm W200 μm W200 μm Possibile mm mm mm mm Dimensioni Diameto esteno Diameto esteno Diameto esteno Foo anello inteno *) Applicazione accomandata a patie da un diameto esteno di 500 mm. Le supefici d appoggio degli anelli da ivestie devono essee cilindiche e non devono essee inteotte da foi di lubificazione o scanalatue. Esecuzioni con ivestimento in ceamica: -2RSR -2Z solo con ivestimento J20C Su ichiesta, alla divisione competente, è possibile avee alte esecuzioni con ivestimenti divesi. Cuscinetti volventi FAG con ivestimento in ceamica, pagine Esempi di odinazione: RSR-J20AA-C3 Cuscinetti adiali igidi a sfee con anello esteno ivestito con tenute ad entambi i lati e gioco adiale C3. NU214-E-M1-F1-J20B-C4 Cuscinetti adiali a ulli cilindici con anello esteno ivestito e gioco adiale C J20C Cuscinetti adiali igidi a sfee con anello inteno ivestito 5

7 Cuscinetti a sfee con ivestimento in ceamica D d d 1 D 1 D 2 B B Cuscinetti a sfee con ivestimento in ceamica d mm Sigla Massa Dimensione Coefficienti di caico din. stat. Caico di fatica Velocità di otazione Velocità di otazione temica di ifeimento m d D B D 1 D 2 d 1 C C 0 C u n G n B min W W FAG kg mm kn kn kn min 1 min M-J20B-C4 0, ,5 95,6 76, , J20B-C ,5 103,1 82, ,5 2, M-J20AA-C5 2, ,1 117,5 88, , RSR-J20AA-C3 1, ,5 110,7 86, , M-J2B-C4 1, ,5 112,8 92,5 65,5 49 3, M-P6-J20AA-R , ,5 112,8 92,5 65,5 49 3, M-J20AA-C3 3, ,1 133,2 101, ,5 4, M-J20AA 0, , ,5 40 2, J20AA-C3 1, ,3 98, , J20AA-C3 3, ,1 141,8 108, ,5 5, M-J20B-C4 4, ,1 141,8 108, ,5 5, F J20AA 3, ,1 141,8 108, ,5 5, M-J20AA-C3 5, ,6 114, ,5 5, J20AA-C3 2, ,4 112,3 96,5 72 4, M-J20AA-C3 6, ,1 123, , M-J20AA-C4 7, ,9 129, , J20C-C3 3, ,1 154,8 124, , M-J20AA-R , ,1 154,8 124, , M-J20AA-C3 8, , , M-J20AA-C5 1, ,2 124, , M-J20AA-C3 11, ,4 153, , M-J20AA-C ,9 165, M-J20AA-C3 18, ,2 178, , J20AA 10, ,1 191, , M-J20AA-C , ,

8 Cuscinetti adiali a ulli cilindici con ivestimento in ceamica 1 1 s s D 1 d F D D 1 F d d 1 D B B NU NJ Cuscinetti adiali a ulli cilindici con ivestimento in ceamica d mm Sigla Massa Dimensione Coefficienti di caico din. stat. Caico di fatica Velocità Velocità di otazione temica di otazione di ifeimento m d D B 1 s 1) F D 1 d 1 C C 0 C u n G n B min min W W FAG kg mm kn kn kn min 1 min 1 NJ312-E-M1-F1-J20B-C4 2, ,1 2,1 1, ,6 84, , NU214-E-M1-F1-J20B-C4 1, ,5 1,5 1,6 83,5 109, NU314-E-M1-F1-J20B-C4 3, ,1 2,1 1, , NU215-E-TVP2-J20AA-C3 1, ,5 1,5 1,2 88,5 114, , NU215-E-M1-F1-J20B-C4 1, ,5 1,5 1,2 88,5 114, , NU216-E-M1-F1-J20B-C4 1, ,3 95,3 122, , NJ316-E-M1-F1-J20B-C4 4, ,1 2,1 0, ,9 110, NU218-E-TVP2-J20AA-C3 2, , , , NUP218-E-TVP2-J20AA-C3 2, ,7 114, NJ219-E-TVP2-J20AA 2, ,1 2,1 112,5 148,6 120, , NU219-E-M1-F1-J20B-C4 3, ,1 2,1 0,7 112,5 148, NU220-E-TVP2-J20AA-C3 3, ,1 2,1 1, , , NU320-E-M1-F1-J20AA-C4 8, ,2 127, NU224-E-TVP2-J20AA-C3 5, ,1 2,1 1,4 143,5 187, F NU228-E-J20AA 9, , ) spostamento assiale 7

9 Cuscinetti a ulli conici con ivestimento in ceamica D d d 1 T Cuscinetti a ulli conici con ivestimento in ceamica d 89, mm Sigla Massa Dimensione Coefficienti di caico din. stat. Caico di fatica Velocità di otazione m d D T/2B *) 1, 2 3, 4 d 1 C C 0 C u n G min min W FAG kg mm kn kn kn min 1 F TR1-J20B 2,64 89, , ,6 1, F A-J20B 3, , F TR1-J20B 9,4 117, ,725 63,5 8,1 3,3 162, F ,32224-A-J20B 9, ,5 3 2,5 175, F TR1-J20B 10, , F TR2S-J20B 1) 6, ,5 150, Z TR2S-J20B 1) 13, , , Z A-J20B 8, , K J20B 3,18 177,8 227,012 30,162 1,5 1,5 203, F TR1-J20AA 2) 9,34 198, ,575 46,038 3,6 3, Z TR1-J20AA 9,28 199, ,575 46,038 3,6 3, F TR1-J20B 8, F TR1-J20AA 18, ,55 65,088 6,4 3, F TR1-J20AA 17,2 240,5 336,55 65,088 6,4 3, F TR1-J20B 17,2 240,5 336,55 65,088 6,4 3, Z TR1-J20AA 22, ,775 71,438 3,3 1,5 302, Z ,02.TR1-J20AA 22, ,775 71,438 3,3 1,5 302, *) Laghezza complessiva pe cuscinetti a ulli conici accoppiati. 1) Cuscinetti a ulli conici accoppiati con disposizione ad O (anello distanziale ta gli anelli inteni ed esteni). 2) Flangia sull anello esteno. 8

10 Cuscinetti ibidi I cuscinetti ibidi FAG appesentano un altenativa ai cuscinetti volventi ivestiti: i loo anelli sono in acciaio pe cuscinetti volventi, i copi volventi sono in ceamica. I cuscinetti ibidi hanno il pefisso HC. I copi volventi sono esistenti all usua e assumono la funzione di isolante elettico. Olte ai cuscinetti a sfee (fig. 6) sono anche disponibili cuscinetti a ulli cilindici (fig. 7) nella vesione ibida. Vantaggi dei cuscinetti ibidi FAG Massima esistenza al passaggio di coente La esistenza alla coente continua è invaiata anche ad alte tempeatue nel campo dei GOhm. Un valoe tipico di capacità si attesta a 40 pf, ovveo infeioe al fattoe 100 ispetto ai cuscinetti ivestiti di ceamica. Maggioe velocità di otazione con mino attito e tempeatue più basse Miglioi caatteistiche di funzionamento in condizioni esteme I cuscinetti ibidi pesentano una maggioe duata d esecizio del gasso ispetto ai cuscinetti standad con una lubificazione a vita (v. TPI WL ). Pe taglie piccole le esecuzioni ibide sono economicamente più vantaggiose ispetto ai cuscinetti ivestiti di ceamica. 6: Cuscinetti adiali igidi a sfee con copi volventi in ceamica Esempi di odinazione: HC6214-M-P6-C3 cuscinetti adiali igidi a sfee con sfee in ceamica; gabbia massiccia in ottone; maggioe pecisione P6 e gioco adiale C3. HCN1020-K-M1-SP cuscinetti adiali a ulli cilindici con ulli in ceamica; foo conico; gabbia massiccia in ottone; maggioe pecisione SP I nosti ingegnei del sevizio tecnico vi offianno tutto il suppoto pe le esecuzioni più adatte e convenienti. Popietà dei mateiali ceamica/acciaio pe cuscinetti volventi Paameti di confonto Unità Ceamica Acciaio (Nituo di silicio Si 3 N 4 ) (100C6) Resistenza elettica specifica Ω mm 2 /m Densità g/cm 3 3,2 7,8 Coefficiente di dilatazione temica 10 6 /K 3,2 11,5 Modulo E MPa Coefficiente di Poisson 0,26 0,3 Duezza HV : Cuscinetti adiali a ulli cilindici con copi volventi in ceamica 9

11 Tabella cuscinetti ibidi D d d 1 D 1 D d d 1 D 2 B B Cuscinetti adiali igidi a sfee ibidi d mm Sigla Massa Dimensione Coefficienti di caico Caico Velocità di otazione din. stat. di fatica m d D B D 1 D 2 d 1 C C 0 C u n G min W W W FAG kg mm kn kn kn min 1 HC6002-2Z 0, ,3 28,4 20, HC6003 0, ,3 29,5 22, HC6212-C4 0, ,5 95,6 76, HC6014 0, ,1 9,3 82, HC6214-M 1, , , F d E D s 10 Cuscinetti adiali a ulli cilindici ibidi d mm Sigla Massa Dimensione Coefficienti di caico Caico Velocità di otazione din. stat. di fatica m d D B 1 s 1) E C C 0 C u n G min FAG kg mm kn kn kn min 1 HCN1006-K-M1-SP 0, ,6 1,9 48, HCN1007-K-M1-SP 0, , HCN1008-K-M1-SP 0, ,6 2, ) spostamento assiale B Conicità 1:12

12 Esempio di montaggio 1. Motoe a coente tifase Cuscinetti adiali igidi a sfee con ivestimento J20AA Dati tecnici: Motoe tifase alimentato da invetitoe Potenza 375 kw Esecuzione quadipolae Sul lato di aeazione viene montato un cuscinetto adiale igido a sfee ad isolamento elettico 6316-J20AA-C3 e sul lato motoe un cuscinetto adiale igido a sfee 6320-C3. Entambi i cuscinetti vengono lubificati a gasso. E pevisto un dispositivo pe la ilubificazione. 2. Suppoto pe assile Cuscinetti adiali igidi a sfee con ivestimento J20B Suppoto pe uota libea di motici aticolate a pianale ibassato e scatamento metico di tipo Combino / Fibugo Dati tecnici: v max Diameto intemedio del otoe 70 km/h 560 mm Vengono montati cuscinetti a ulli conici (disposizione ad O) esteno Z A-J20B inteno F A-J20B Cuscinetto inteno Cuscinetto esteno 11

13 Esempio di montaggio 3. Suppoto pe il motoe di tazione di un automotice elettica Cuscinetti adiali igidi a sfee e cuscinetti adiali a ulli cilindici con ivestimento J20AA Motoe tifase con una potenza di 500 kw Sull albeo otoe vengono montati un cuscinetto adiale igido a sfee 6316-J20AA-C3 (lato aeazione) ed un cuscinetto adiale a ulli cilindici NU320-E-M1-F1-J20AA-C4 (lato motoe). Entambi i cuscinetti vengono lubificati a gasso e vengono potetti da spoco e contaminazioni ambientali gazie a tenute a labiinto. E possibile eseguie la ilubificazione. Motoe di tazione Lato aeazione Lato motoe 12

14 Tutti i dati sono stati edatti con la 99/10/07 Pinted in Gemany by Duckhaus WEPPERT GmbH Schaeffle Italia S..l. Stada Regionale 229 Km Momo (Novaa) Telefono Fax maketing.it@schaeffle.com Intenet massima attenzione e sono stati contollati accuatamente. Non possiamo petanto accettae alcuna esponsabilità pe eventuali eoi od omissioni. Ci iseviamo le modifiche tecniche. Schaeffle KG 2007, Ottobe La ipoduzione, anche solo paziale, è consentita soltanto pevia nosta autoizzazione. TPI WL /2 IB