ЭЛЕКТРОИЗОЛИРОВАННЫЙ ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ И КОЛЬЦО ЭЛЕКТРОИЗОЛИРОВАННОГО ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ

Группа полезных моделей относится к области машиностроения, а именно к используемым в электродвигателях с регулированным приводом подшипникам качения и их конструктивным элементам.
При применении регулируемого привода в электродвигателях возникают блуждающие токи, в результате которых на телах качения и дорожках качения колец подшипников наблюдаются явления микросварки, перерастающие в видимые повреждения, приводящие к снижению срока службы подшипников и необходимости переборки двигателя с заменой подшипников. Реальным методом борьбы с этим является выполнение электроизоляции между корпусом электродвигателя и подшипником (внешним кольцом подшипника) или подшипником (внутренним кольцом подшипника) и валом двигателя. Так, мировыми лидерами в подшипниковой отрасли применяется нанесение электроизолирующего слоя на внешнее и/или внутреннее кольца подшипника.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявленной группе полезных моделей является, принятая за прототип, известная (патент №2319869, МПК F16C 33/06, F16C 33/12, опубликовано 20.03.2008) конструкция подшипника качения, содержащего внутреннее и внешнее кольца с размещенными между ними телами качения, при этом на внешнее кольцо подшипника методом плазменного напыления нанесено электроизолирующее покрытие из окиси алюминия.
Одним из недостатков получаемого по известному способу электроизолирующего покрытия является обусловленная его остаточной пористостью полная потеря электросопротивления при попадании на покрытие токопроводящей жидкости. Применение же в качестве напыляемого материала специального дорогостоящего порошка из окиси алюминия с уплотняющими добавками из окислов титана, иттрия или магния не исключает пористость покрытия в полном объеме, но увеличивает себестоимость изделия. Использование для нанесения покрытия сверхзвуковой установки приводит к большим трудозатратам, связанным с защитой (охлаждением) кольца подшипника от перегрева при нанесении на него электроизолирующего покрытия: нагрев более 150°С приводит к деформации кольца и снижению его прочностных свойств.
Задача, на решение которой направлено создание группы полезных моделей, состоит в увеличении срока службы электродвигателей за счет увеличения ресурса применяемых в них подшипников.
Основной единый технический результат, получаемый в результате осуществления группы полезных моделей, заключается в повышении надежности подшипника качения за счет улучшения свойств нанесенного на поверхности кольца/колец подшипника электроизолирующего покрытия.
Указанный технический результат для объекта «подшипник качения» достигается за счет того, что у подшипника качения, содержащего внешнее и внутреннее кольца с размещенными между ними телами качения, на наружную и боковую поверхности внешнего кольца подшипника и/или внутреннюю и боковую поверхности внутреннего кольца подшипника или на подслой (вспомогательный слой), которым предварительно покрыты вышеуказанные поверхности, методом газотермического напыления, с соблюдением температуры обрабатываемого кольца подшипника не более 150°С нанесено электроизолирующее покрытие в виде керамического слоя на основе оксида алюминия или его соединений, импрегнированного (пропитанного) электроизоляционным лаком.
Указанный технический результат для объекта «кольцо подшипника качения» достигается за счет того, что на боковые, наружную и/или внутреннюю поверхности кольца подшипника качения или на подслой, которым предварительно покрыты вышеуказанные поверхности кольца подшипника, методом газотермического напыления с соблюдением температуры кольца не более 150°С нанесено электроизолирующее покрытие в виде керамического слоя на основе оксида алюминия или его соединений, импрегнированного электроизоляционным лаком.
По данным лидеров подшипниковой отрасли (SKF, FAG и др.) для обеспечения защиты деталей подшипника от блуждающих токов требуется, чтобы электроизолирующее покрытие имело электросопротивление не ниже 1000 Ком при напряжении 1000 В.
После напыления керамического слоя на основе оксида алюминия или его соединений (далее - керамический слой) толщиной 100-150 мкм величина его электросопротивления достигает 500-900 Ком и более. Однако под действием влаги указанный показатель электросопротивления вследствие пористости керамического слоя со временем падает до нулевого значения. За счет последующего нанесения поверх керамического слоя электроизоляционного лака, который, заполняя поры, пропитывает керамический слой и, тем самым, надежно перекрывает доступ влаги к металлу кольца (или металлу подслоя), предотвращая возможность появления «мостика» для прохождения тока, окончательно ликвидируется пористость керамического слоя, а его электросопротивление при этом возрастает до 30000 Ком при 1000 В. Для импретирования керамического слоя используется, как правило, электроизоляционный лак с вязкостью 12-60 сек по В3 4.
Электросопротивление кольца подшипника можно было бы обеспечить исключительно за счет нанесенного на поверхность кольца подшипника слоя электроизоляционного лака, однако, лак обладает малой прочностью, поэтому при работе подшипника лаковый слой может быть поврежден. Именно керамический слой в этом случае дает прочность всей электроизоляции.
Для нанесения керамического слоя используется в основном плазменный метод, который является наиболее надежным и дает требуемое качество покрытия. Вопрос сохранения структуры металла путем предохранения изделия от перегрева (снижение трудозатрат - дополнительный технический результат) решается за счет применения в заявленных технических решениях метода газотермического и, в частности, электродугового плазменного напыления с соблюдением температуры обрабатываемого кольца подшипника не более 150°С. Толщина получаемого электроизолирующего керамического слоя для достижения необходимой прочности составляет, как правило, 100-150 мкм. С увеличением толщины напыляемого керамического слоя увеличивается его электросопротивление, что хорошо для обеспечения электрозащиты подшипника, однако, при этом повышается и хрупкость напыляемого слоя, что плохо для подшипника при его монтаже и производстве (подшипник требует более бережного обращения для предотвращения сколов). При этом методе обеспечиваются следующие структурные и прочностные показатели материала кольца подшипника: твердость металла кольца 60-62 HRC с пористостью 4-12% с сохранением первоначальной (до нанесения покрытия) структуры металла кольца.
С целью повышения надежности сцепления (для компенсации напряжения между металлом кольца и керамикой) керамического слоя с металлической поверхностью кольца подшипника, на поверхность кольца подшипника может быть предварительно (перед напылением керамического слоя) нанесен подслой (например, металлический или интерметаллический). Указанный вспомогательный слой не влияет на электроизоляционные свойства керамического слоя.
В качестве доказательства промышленного осуществления группы полезных моделей с достижением вышеуказанного технического результата приводятся описания конкретных конструкций электроизолированных подшипников качения:
Пример 1.
Подшипник качения 313 содержит внутреннее и внешнее кольца с расположенными между ними телами качения в виде шариков. На наружную и боковую поверхности внешнего кольца подшипника диаметром 140 мм (с покрытием) и шириной 33 мм (с покрытием) нанесено электроизолирующее керамическое покрытие, состоящее из электроизолирующего керамического слоя толщиной 100 мкм, импрегнированного после напыления электроизоляционным лаком вязкостью 16 сек. по В3-4. В качестве заготовки под напыление керамического слоя использовалось кольцо подшипника с заданными размерами: наружный диаметр 139,8 мм, ширина кольца 32,8 мм.
Характеристики полученного электроизолирующего покрытия:
- электросопротивление 4000 Ком
- прочность металла кольца 61 HRC
Пример 2.
Внутренняя и боковые поверхности внутреннего кольца подшипника качения 313 диаметром 65 мм и шириной 33 мм выполнены с электроизолирующим керамическим покрытием, в виде нанесенного на подслой из интерметаллида толщиной 80 мкм керамического слоя толщиной 120 мкм, импрегнированного после напыления электроизоляционным лаком вязкостью 18 сек. по В3-4. В качестве заготовки под напыление использовалось кольцо с внутренним диаметром 64,6 мм и шириной 32,6 мм.
Характеристики полученного электроизолирующего покрытия:
- электросопротивление 4000 Ком
- прочность металла кольца 61 HRC
Способ производства подобных описанным в примерах электроизолированных подшипников/колец подшипников заключается в создании прочного электроизолирующего покрытия на наружной и боковой поверхностях внешнего кольца и/или на внутренней и боковой поверхностях внутреннего кольца подшипника.
2
3
В качестве заготовки для изготовления электроизолированного кольца подшипника качения используют, как правило, кольцо стандартного подшипника (серийное кольцо стандартного подшипника с размерами по ГОСТ), хотя может быть применено и кольцо подшипника, выполненное на подшипниковом заводе по заказу в заданный размер под напыление керамического слоя. Подлежащие покрытию поверхности кольца подшипника предварительно занижают на величину наносимого керамического покрытия и величину подслоя, при его применении. Нанесение керамического слоя толщиной 100-150 мкм производят методом газотермического, в частности электродугового плазменного напыления с соблюдением температуры обрабатываемого кольца подшипника не более 150°С. В качестве напыляемого материала применяют оксид алюминия или другие виды керамики, например шпинель - смесь оксида алюминия с окисью магния (МgО - 28,2%: АlO - 71,8%). Далее керамический слой покрывают электроизоляционным лаком с вязкостью 12 - 60 сек по В3-4 для ликвидации пористости керамического слоя, а затем подвергают шлифовке до требуемого (размер стандартного подшипника по ГОСТ) размера. В итоге получают электроизолированное кольцо подшипника, с применением которого по обычной технологии на подшипниковых заводах можно собирать электроиэолированные подшипники.
Как показывает мировой опыт, электроизоляционным керамическим покрытием целесообразно защищать подшипники, начиная с диаметра вала двигателя 60 мм и выше. Для подшипников же с меньшим диаметром с целью обеспечения надежной электроизоляции целесообразно применять вместо металлических - керамические тела качения.