Einfluss von Stromdurchgang auf Wälzlager und deren Lebensdauer

Bildquelle: Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT)

Elektrisch bedingte Vorschädigungen der Wälzlageroberflächen können zu einer Verringerung der Lebensdauer führen 

Kontinuierliche Stromdurchgänge in Wälzlagern können zu kritischen Schäden bis hin zum Ausfall führen. Doch was ist, wenn die Stromdurchgänge nur kurzzeitig auftreten und was für einen Einfluss haben unterschiedlich starke elektrische Belastungen? Durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass derartige Vorschädigungen einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer von Wälzlagern haben. 

Stromdurchgang in Wälzlagern ist kein völlig neues Phänomen, sondern wird bereits seit der Entwicklung der ersten Elektromotoren beobachtet [1]. In den letzten Jahren ist dieses Thema wieder in den Fokus der Forschung gerückt. Grund dafür ist der Einsatz moderner, schnell schaltender Frequenzumrichter, welche verschiedene Arten von Lagerströmen induzieren können. Diese werden unter anderem in der Elektromobilität und Windenergie eingesetzt [2].

Abbildung 1: Hertzscher Kontakt mit Ersatzschaltbild / Quelle: IMKT

Wie sehen mögliche Schädigungen aus?

Durch einen kapazitiven Spannungsteiler im Elektromotor liegt ein Anteil der, von den Frequenzumrichtern hervorgerufenen, Common-Mode-Spannung zwischen dem mit dem Gehäuse verbundenen Außenring und dem auf der Welle sitzenden Innenring vor. Je nach Betriebsbedingungen kann der dadurch induzierte elektrische Strom das Wälzlager allerdings nicht ungehindert passieren. Grund dafür ist der trennende Schmierfilm in den Kontaktstellen des Wälzlagers. Die Kontakte können wie in Abbildung 1 dargestellt idealisiert als Kapazitäten mit parallelem ohmschen Wiederstand betrachtet werden. Dabei wird zwischen den Kapazitäten des Hertzschen Kontakts CHertz und der außenliegenden Bereiche COutside unterschieden [3], [4], [5].

Abbildung 2: Grey Frosting am Beispiel eines Rillenkugellagers / Quelle: IMKT

Liegen Vollschmierungsbedingungen vor, so ist der parallele Widerstand RP sehr groß. Es findet nun eine Aufladung des Kontakts/Kondensators statt - die anliegende Spannung steigt an. Wird eine spezifische Durchschlagspannung überschritten, so kommt es jedoch zu einer Entladung über den Schmierspalt. Dann fließt ein Strom über den variablen Widerstand REDM und die Kapazität entlädt sich schlagartig. Dies geschieht innerhalb kürzester Zeit und kann lokal sehr hohe Temperaturen hervorrufen. Dies führt zu einem Aufschmelzen oder sogar einer Verdampfung des Materials und ruft infolgedessen Schäden hervor. Dabei sind drei typische Schadensbilder zu beobachten, das Grey Frosting, die Riffelbildung sowie Schädigungen des Schmierstoffs. In Abbildung 2 ist das Grey Frosting am Beispiel eines Wälzkörpers als für die Untersuchungen relevantes Schadensbild gezeigt [4], [6].

Abbildung 3: Beispielhafter Ermüdungsschaden nach elektrischer Vorschädigung / Quelle: IMKT

Am Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) wurde der Einfluss einer Vorschädigung in Form von Grey Frosting auf die Lebensdauer von Wälzlagern untersucht. Das Grey Frosting ist gekennzeichnet durch eine Aufrauhung der Oberfläche infolge der Aufschmelzung und Neuhärtung oberflächennaher Bereiche. Das Grey Frosting wird wie in Abbildung 2 dargestellt durch eine Mattierung der Oberfläche optisch erkennbar.

Untersuchungen zum Einfluss auf die Lebensdauer

In den durchgeführten Untersuchungen wurden in mehreren Versuchsreihen unterschiedlich stark ausgeprägte Vorschädigungen durch Grey Frosting erzeugt. Dabei wurden diverse Parameter variiert, wie beispielsweise die Zahl der Stahl-Wälzkörper im Vergleich zu den übrigen aus elektrisch isolierender Keramik ausgeführten Wälzkörpern des Versuchslagers. Außerdem wurden die Höhe der elektrischen Belastung, die Dauer der Bestromung und die mechanische Last variiert.

Im Anschluss an die Vorschädigung wurden die Wälzlager im Versuchsstand bis zum Ausfall gefahren und so auf ihre Gebrauchsdauer hin getestet. Die dabei entstandenen Schäden weisen eine hohe Ähnlichkeit zwischen den Versuchsreihen auf. In Abbildung 3 ist beispielhaft ein solcher Schaden dargestellt. Nach Auswertung der Ergebnisse der Versuchsreihen zeigen sich allerdings deutliche Unterschiede in der Gebrauchsdauer der Lager.

Abbildung 4: Vergleich der berechneten und experimentell ermittelten Lebensdauern / Quelle: IMKT

Stärkere Stromdurchgänge bedeuten eine verringerte Gebrauchsdauer

Um nun Erkenntnisse aus den Versuchen ziehen zu können, werden die Versuchsreihen miteinander verglichen. Zusätzlich kann ein Vergleich mit ungeschädigten Wälzlagern aus Referenzversuchen erfolgen. Um die Versuchsreihen vergleichen zu können, muss die Stärke des Stromdurchgangs quantifiziert werden. Dazu wird hier die sogenannte Scheinleistung genutzt, welche von Tischmacher [6] eingeführt wurde. Dabei werden Stromstärke und Spannung während der Durchschläge aufgezeichnet und die jeweiligen Maxima betrachtet. Aus diesen wird die Scheinleistung mit der Einheit VA bestimmt. Da die Maxima nicht zeitgleich auftreten stellt dies keine tatsächliche, sondern eben nur eine scheinbare Leistung dar. Sie ist aber gut geeignet, um die elektrischen Belastungen zu vergleichen und in Bezug auf ihr Schädigungspotential einzuordnen, wie es auch Tischmacher in seiner Arbeit schon gemacht hat [6].

In den Versuchen zeigt sich, dass die Versuchsreihe mit der höchsten Scheinleistung die geringste Lebensdauer aufweist. Dies zeigt sich auch in einer deutlich stärker aufgerauten Oberfläche nach der Vorschädigung. Die Versuchsreihen mit eher geringen Scheinleistungen dagegen weisen eine deutlich höhere Lebensdauer auf. Wenn man nun einen Vergleich mit der theoretisch berechneten Lebensdauer nach DIN ISO 281 [7] anstellt, so ergibt sich die Verteilung wie sie in Abbildung 4 zu sehen ist. Hier ist in Blau die berechnete Lebensdauer über dem Viskositätsverhältnis K dargestellt. In Rot sind die Ergebnisse der Versuchsreihen gekennzeichnet, wobei Versuchsreihe 1 die höchste und Versuchsreihe 3 die niedrigste elektrische Belastung erfahren hat. Dabei wurden die Viskositätsverhältnisse der Versuchsreihen um die Rauheit korrigiert, damit sie ins Verhältnis zur Referenz zu setzen sind. Im Vergleich mit Referenzversuchen reduziert sich die Lebensdauer der stromgeschädigten Lager jedoch stark bei sonst ähnlichen Viskositätsverhältnissen. In grün ist ein Ergebnis aus Referenzversuchen eines vorangegangenen Projekts eingetragen. Es ist zu erkennen, dass dieser Referenzversuch deutlich über der Linie der berechneten Lebensdauer, sowie den Ergebnissen aus den Versuchen mit Vorschädigung liegt.

Umgang mit Stromdurchgangsschäden

Um die Schäden durch Stromdurchgang zu minimieren gibt es diverse Ansätze. Dazu gehören die Nutzung von isolierenden Hybridlagern (beispielsweise mit keramischen Wälzkörpern), Erdungsbürsten oder einer Anpassung der Gesamtkonstruktion, um Stromdurchgänge an einzelnen Bauteilen zu minimieren. Diese Abhilfemaßnahmen bringen jedoch auch immer Nachteile, wie beispielsweise hohe Kosten, Verschleiß oder eine Verlagerung des Problems in andere Bereiche, mit sich. Es kann daher sinnvoll sein, einen möglichen Stromdurchgang und die daraus resultierende Verringerung der Lebensdauer von vornherein in der Auslegung zu berücksichtigen. Bei der VDI-Fachkonferenz „Schadensmechanismen an Lagern“ werden genauere Untersuchungsergebnisse sowie ein Ansatz zur Berücksichtigung des Stromdurchgangs bei der Lebensdauerberechnung präsentiert. Die genauere Untersuchung von Abhilfemaßnahmen sowie weiterer Einflussfaktoren, wie beispielsweise eines Größeneinflusses, ist Gegenstand aktueller Untersuchungen am IMKT.
 

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben 20496 N (FVA 863 I) der Forschungsvereinigung für Antriebstechnik (FVA) wurde über die Allianz industrieller Forschung (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
 

Quellen

  1. P. L. Alger and H. W. Samson, “Shaft Currents in Electric Machines,” Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, vol. XLIII, pp. 235–245, Jan. 1924, doi: 10.1109/T-AIEE.1924.5060981.
  2. V. Hausberg, “Elektrische Lagerbeanspruchung Umrichtergespeister Induktionsmaschinen,” Leibniz Universität Hannover, Hannover, 2001.
  3. A. Furtmann, “Elektrisches Verhalten von Maschinenelementen im Antriebsstrang,” Dissertation, Leibniz Universität Hannover, Hannover, 2017.
  4. V. Schneider, H.-C. Liu, N. Bader, A. Furtmann, and G. Poll, “Empirical Formulae for the Influence of Real Film Thickness Distribution on the Capacitance of an EHL Point Contact and Application to Rolling Bearings,” 2021.
  5. Y. Gemeinder, “Lagerimpedanz und Lagerschädigung bei Stromdurchgang in umrichtergespeisten elektrischen Maschinen.,” TU Darmstadt, Darmstadt, 2016.
  6. H. Tischmacher, “Systemanalysen zur elektrischen Belastung von Wälzlagern bei umrichtergespeisten Elektromotoren,” Dissertation, Leibniz Universität Hannover, Hannover, 2017.
  7. “DIN ISO 281: Wälzlager – Dynamische Tragzahlen und nominelle Lebensdauer.” 2007.

Zu den Autoren:

Marius Krewer, M.Sc.

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für
Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) der Leibniz Universität Hannover

Volker Schneider, M.Sc.

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) der Leibniz Universität Hannover

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Poll

Leiter des Instituts für Maschinen-
konstruktion und Tribologie (IMKT) der Leibniz Universität Hannover

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