Electric discharge damaging in lubricated rolling contacts

Abstract

Elektrische Maschinen (Motoren und Generatoren), die einen Frequenzumrichter zur Steuerung verwenden, sind häufig von Lagerschäden durch elektrischen Strom betroffen. Ohne passende Gegenmaßnahmen fallen diese Lager in vielen Anwendungen vorzeitig aus. Da viele Gegenmaßnahmen lediglich in der Lage sind die elektrische Belastung der Lager zu reduzieren (jedoch nicht auszulöschen), ist es notwendig die Wirkung von bestimmten Lagerströmen auf die Wälzlager zu verstehen, um schlussendlich den Einfluss und die Wirksamkeit bestimmter Gegenmaßnahmen beurteilen zu können. Basierend auf detailliertem Verständnis könnte ein Modell zur Abschätzung der verbleibenden Lebensdauer entwickelt werden.<br />Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Einflusses bestimmter elektrischer Regime auf Standard-Kugellager. Das Hauptaugenmerk liegt auf Frequenzumrichter-verursachten Effekten (wie zum Beispiel Entladungs- und dV/dt-Ströme). Die elektrischen Eigenschaften von anwendungsrelevanten Rillenkugellagern (und isolierten Rillenkugellagern) werden unter speziellen elektrischen Randbedingungen (wie zum Beispiel kapazitiver Stromfluss, Strom-Spannungskennlinien etc.) untersucht. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Fähigkeit des Lagers einen isolierenden Schmierfilm aufzubauen. Verschiedenste mechanische Parameter und experimentelle Schmierstoffe, von verschiedener chemischer Zusammensetzung, werden auf ihren Einfluss hin untersucht.<br />Typische elektrisch verursachte Schadensbilder, wie Mikrokrater und Waschbrett-Muster, werden anhand einer Vielzahl von unterschiedlichen Versuchen mit Axial- und Radial-Rillenkugellagern untersucht. Sowohl unterschiedliche mechanische Einflussgrößen, als auch verschiedene Fette werden dabei berücksichtigt.<br />Abschließend werden spezielle leitfähige Fette (Kohlenstoff-basierende und ionische Flüssigkeits-basierende), welche der Lagerschädigung durch Stromdurchgang vorbeugen sollten, untersucht. Die elektrische Leitfähigkeit von solchen Fetten wird beurteilt und Schlüsse bezüglich Effektivität und möglicher Anwendungen werden gezogen.<br />

Electric machines (motors and generators) utilising frequency converters are very commonly affected by electric current damage to their bearings. Without proper mitigating measures in many applications the bearings are likely to fail prematurely. Since most countermeasures are just capable of reducing (not eliminating) the electric stress onto the bearings, the effects of specific current passage on the bearings need to be understood in order to judge the impact and efficiency of any countermeasure. Based on detailed knowledge a model to estimate the resulting bearing lifetime could be developed.<br />This work deals with the investigation on the influence of specific electric regimes on standard ball bearings. The main focus is on frequency converter-induced effects (such as discharge and dV/dt-currents). Electrical properties of application-relevant deep groove ball bearings (and insulated deep groove ball bearings) are investigated under specific electrical regimes (e.g. capacitive current flow, voltage-current relations ...). Special emphasis is on the bearing's capability to build up an electrically insulating lubricant film. The influence of various mechanical parameters is investigated and experimental lubricants of different chemical compositions are screened for their influence.<br />A multitude of tests using thrust ball bearings and deep groove ball bearings is carried out to investigate on the common electric damage patterns, microcratering and fluting. Various mechanical parameters and different greases are taken into account.<br />Finally, specific conductive greases (carbon-based and ionic liquid-based) that are intended to prevent electric current damage of the bearings are investigated. The electrical conductivity of such greases is assessed and conclusions for effectiveness and possible applications are drawn.