www.przemysl-polska.com
13
'22
Written on Modified on
NSK
Prace rozwoje nad łożyskami prowadzone przez NSK pomagają zmaksymalizować wydajność i efektywność energetyczną napędów przemysłowych
Uważa się, że silniki stosowane w maszynach odpowiadają za 40-50 % globalnego zużycia energii elektrycznej, co czyni te niezbędne w przemyśle urządzenia kluczowym celem w zakresie redukcji strat energii. Mając to na uwadze, producenci wprowadzają na rynek coraz więcej silników przemysłowych, które mogą zaoferować lepszą wydajność energetyczną. Najnowsze silniki inwerterowe również przyczyniają się do mniejszego zużycia energii, ponieważ dostosowują swoją prędkość obrotową do warunków pracy. Ponadto rośnie zapotrzebowanie na serwosilniki nowej generacji, które zazwyczaj znajdują zastosowanie w robotach przemysłowych ze względu na fakt, że mogą zmieniać kierunek obrotów w celu dokładnego pozycjonowania. Wszystkie te trzy typy silników (o wysokiej sprawności, inwerterowe i serwonapędy) wykorzystują jeden wspólny element, który pomaga zmaksymalizować wydajność i zminimalizować zużycie energii - są nim łożyska.
Próby zmniejszenia zużycia energii na całym świecie doprowadziły do wprowadzenia przepisów wymagających zwiększenia sprawności silników. Straty energii silnika są spowodowane główne przez trzy czynniki: straty w stali (wytwarzanie ciepła w rdzeniu); straty w miedzi (wytwarzanie ciepła w uzwojeniu) oraz straty mechaniczne (np. z powodu obrotów łożysk). Chociaż straty mechaniczne odpowiadają za zaledwie ok. 1 % zużycia energii przez silnik, stanowią one 0,4-0,5 % światowego zużycia energii elektrycznej, co oznacza, że ogólnoświatowy wpływ nawet najmniejszej redukcji w tym zakresie byłby znaczący.
Łożyska o niskim momencie obrotowym do silników o wysokiej sprawności
Firma NSK przeprowadziła ocenę strat mechanicznych w łożyskach przy użyciu silników o wysokiej sprawności w rzeczywistych warunkach pracy. Firma starała się zidentyfikować możliwości zmniejszenia zużycia energii, opracowując metodę testową, która pozwala na bezpośrednią ocenę strat mechanicznych w łożyskach. Wyniki tych testów zostaną uwzględnione w programie rozwoju łożysk NSK dla silników o wysokiej sprawności. Na przykład ocena dwubiegunowego silnika o wysokiej sprawności, pracującego z prędkością 3000 obr/min wykazała, że przyczyną ok. 80 % strat mechanicznych była nieodpowiednia odporność na ścinanie i mieszanie smaru pomiędzy częściami łożyska. Z tego powodu firma NSK rozpoczęła prace projektowe w zakresie optymalizacji rodzaju i ilości smaru, a także kształtu koszyka łożyska.
Kolejne testy wykazały, że odpowiedni dobór ilości smaru zmniejszył straty mechaniczne o 60 % w porównaniu z łożyskami standardowymi. Należy również podkreślić, że zmniejszenie zawartości smaru w łożyskach standardowych zwykle prowadzi do przerwania filmu olejowego i przyspiesza proces zatarcia łożysk. W przeciwieństwie do tego, łożyska o niskim momencie obrotowym opracowane przez NSK wykorzystują specjalny smar, który w testach wykazał ponad 2,7-krotny wzrost odporności na zatarcie. Kolejne próby wykazały, że specjalnie opracowany koszyk z tworzywa sztucznego zmniejszył straty mechaniczne o połowę w porównaniu z koszykami stalowymi, głównie dlatego, że wersja z tworzywa sztucznego ogranicza opór mieszania smaru między koszykiem a kulkami.
Łożyska NSK o niskim momencie obrotowym, które zmniejszają straty mechaniczne i zapewniają wyższą odporność na zatarcie w silnikach o wysokiej sprawności, są dostępne w rozmiarach średnicy zewnętrznej od 16 do 170 mm.
Łożyska z powłoką ceramiczną do silników inwerterowych
Silniki inwerterowe, sterowane za pomocą optymalnej częstotliwości obrotowej, oszczędzają energię w pompach i dmuchawach. Ogólny trend rozwojowy polega na tym, że częstotliwość sterująca (tzw. częstotliwość nośna) wzrasta, dzięki czemu silnik może pracować z większą dokładnością. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości nośnej może wystąpić korozja elektrolityczna z powodu przepływu prądu o wysokiej częstotliwości w łożysku.
Korozja elektrolityczna to zjawisko polegające na generowaniu iskier w obrębie filmu olejowego pomiędzy powierzchnią bieżni a elementami tocznymi, powodujące miejscowe topnienie i nierówności. Efekt ten prowadzi również do powstawania nieprawidłowych odgłosów pracy i przedwczesnego zatarcia.
Niektóre łożyska do małych silników są wyposażone w kulki ceramiczne, które nie przewodzą prądu, co zapewnia ochronę przed korozją elektrolityczną, ale w przypadku kulek ceramicznych o większej średnicy, wymaganych w przypadku średnich i dużych silników inwerterowych, powstają problemy z wydajnością. Aby wyeliminować tego typu niepożądane zjawiska firma NSK opracowała dla tych silników łożyska z natryskiwaną na pierścień zewnętrzny izolacyjną powłoką ceramiczną, która zapobiega korozji elektrolitycznej.
Nowo opracowane łożyska charakteryzują się doskonałą izolacją elektryczną, a testy wykazały ok. dziesięciokrotnie wyższą izolacyjność (przy użyciu zasilania prądem stałym) w porównaniu do standardowych łożysk z powłoką ceramiczną. Warto zauważyć, że łożyska NSK wykazują również równoważną lub nieco lepszą izolacyjność przy zasilaniu prądem przemiennym w warunkach impedancji o wartości 100 Ω lub wyższej i częstotliwości 1 MHz.
Pod względem parametrów mechanicznych udarność powłoki jest ok. trzykrotnie większa niż w przypadku standardowych łożysk z powłoką ceramiczną. Niewystarczająca efektywność odprowadzania ciepła, stanowiąca wadę powłok ceramicznych, została poprawiona przy użyciu stosunkowo gęstej powłoki w porównaniu do tych stosowanych w łożyskach standardowych, co wydłuża zarówno żywotność smaru, jak i silnika. Testy wykazały wzrost temperatury podczas pracy łożyska o ok. 10°C niższy niż w przypadku łożysk standardowych. Gęsta powłoka oznacza również mniej pustych przestrzeni i lepszą trwałość.
Antykorozyjne łożyska NSK z powłoką ceramiczną, przeznaczone dla średnich i dużych silników falownikowych, są dostępne w rozmiarach średnicy zewnętrznej od 130 do 230 mm.
Łożyska ze smarem o niskiej emisji cząstek stałych przeznaczone dla serwomotorów
Precyzyjna zdolność pozycjonowania serwomotoru opiera się o transmisję lub odbijanie sygnału światła diody LED zgodnie ze wzorcem wygrawerowanym na płytce enkodera i przesyłanie odebranego sygnału z powrotem do sterownika silnika. Zanieczyszczenie powierzchni płytki enkodera olejem lub inną substancją uniemożliwia odbiór sygnału i przesłanie informacji zwrotnej o położeniu do sterownika silnika, uniemożliwiając normalne działanie.
W serwosilniku do robota konieczna jest możliwość zatrzymania ramienia i przedmiotu obrabianego za pomocą hamulca elektromagnetycznego. Zanieczyszczenie tarczy hamulcowej olejem lub innym materiałem powoduje poślizg hamulca. Serwosilniki stosowane w robotach przemysłowych i robotach współpracujących (cobotach) muszą być wysoce niezawodne, dlatego łożyska powinny charakteryzować się niską emisją cząstek, aby uniknąć zanieczyszczenia enkoderów lub hamulców.
Firma NSK opracowała łożysko do serwosilników, które wykorzystuje smar o zoptymalizowanym składzie. Łożysko zostało wyposażone również w firmowe uszczelnienie DW z lekkim stykiem, które zapewnia doskonałą ochronę przed zanieczyszczeniami, ograniczając również wymagany poziom momentu rozruchowego.
W serii testów symulacyjnych zbadano zależność między łożyskami a tarczami hamulcowymi enkodera w odniesieniu do rozprysków smaru. Badania potwierdziły, że wielkość rozrzutu zmniejsza się w przypadku stosowania łożysk z uszczelnieniem bezstykowym i niskoemisyjnego smaru LGU firmy NSK (w porównaniu z łożyskami z uszczelnieniem bezstykowym i smarem standardowym). Ponadto łożyska ze smarem LGU i lekko-stykowym uszczelnieniem DW nie generowały prawie żadnych rozprysków smaru, co stanowi również skuteczny środek zaradczy przeciwko korozji enkodera.
Łożyska NSK o niskiej emisji cząstek stałych, wyposażone w smar LGU i lekko-stykowe uszczelnienie DW, są dostępne w rozmiarach średnicy zewnętrznej od 26 do 120 mm, pasując do wszystkich popularnych serwosilników.
Łożyska o niskim momencie obrotowym do silników o wysokiej sprawności
Firma NSK przeprowadziła ocenę strat mechanicznych w łożyskach przy użyciu silników o wysokiej sprawności w rzeczywistych warunkach pracy. Firma starała się zidentyfikować możliwości zmniejszenia zużycia energii, opracowując metodę testową, która pozwala na bezpośrednią ocenę strat mechanicznych w łożyskach. Wyniki tych testów zostaną uwzględnione w programie rozwoju łożysk NSK dla silników o wysokiej sprawności. Na przykład ocena dwubiegunowego silnika o wysokiej sprawności, pracującego z prędkością 3000 obr/min wykazała, że przyczyną ok. 80 % strat mechanicznych była nieodpowiednia odporność na ścinanie i mieszanie smaru pomiędzy częściami łożyska. Z tego powodu firma NSK rozpoczęła prace projektowe w zakresie optymalizacji rodzaju i ilości smaru, a także kształtu koszyka łożyska.
Kolejne testy wykazały, że odpowiedni dobór ilości smaru zmniejszył straty mechaniczne o 60 % w porównaniu z łożyskami standardowymi. Należy również podkreślić, że zmniejszenie zawartości smaru w łożyskach standardowych zwykle prowadzi do przerwania filmu olejowego i przyspiesza proces zatarcia łożysk. W przeciwieństwie do tego, łożyska o niskim momencie obrotowym opracowane przez NSK wykorzystują specjalny smar, który w testach wykazał ponad 2,7-krotny wzrost odporności na zatarcie. Kolejne próby wykazały, że specjalnie opracowany koszyk z tworzywa sztucznego zmniejszył straty mechaniczne o połowę w porównaniu z koszykami stalowymi, głównie dlatego, że wersja z tworzywa sztucznego ogranicza opór mieszania smaru między koszykiem a kulkami.
Łożyska NSK o niskim momencie obrotowym, które zmniejszają straty mechaniczne i zapewniają wyższą odporność na zatarcie w silnikach o wysokiej sprawności, są dostępne w rozmiarach średnicy zewnętrznej od 16 do 170 mm.
Łożyska z powłoką ceramiczną do silników inwerterowych
Silniki inwerterowe, sterowane za pomocą optymalnej częstotliwości obrotowej, oszczędzają energię w pompach i dmuchawach. Ogólny trend rozwojowy polega na tym, że częstotliwość sterująca (tzw. częstotliwość nośna) wzrasta, dzięki czemu silnik może pracować z większą dokładnością. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości nośnej może wystąpić korozja elektrolityczna z powodu przepływu prądu o wysokiej częstotliwości w łożysku.
Korozja elektrolityczna to zjawisko polegające na generowaniu iskier w obrębie filmu olejowego pomiędzy powierzchnią bieżni a elementami tocznymi, powodujące miejscowe topnienie i nierówności. Efekt ten prowadzi również do powstawania nieprawidłowych odgłosów pracy i przedwczesnego zatarcia.
Niektóre łożyska do małych silników są wyposażone w kulki ceramiczne, które nie przewodzą prądu, co zapewnia ochronę przed korozją elektrolityczną, ale w przypadku kulek ceramicznych o większej średnicy, wymaganych w przypadku średnich i dużych silników inwerterowych, powstają problemy z wydajnością. Aby wyeliminować tego typu niepożądane zjawiska firma NSK opracowała dla tych silników łożyska z natryskiwaną na pierścień zewnętrzny izolacyjną powłoką ceramiczną, która zapobiega korozji elektrolitycznej.
Nowo opracowane łożyska charakteryzują się doskonałą izolacją elektryczną, a testy wykazały ok. dziesięciokrotnie wyższą izolacyjność (przy użyciu zasilania prądem stałym) w porównaniu do standardowych łożysk z powłoką ceramiczną. Warto zauważyć, że łożyska NSK wykazują również równoważną lub nieco lepszą izolacyjność przy zasilaniu prądem przemiennym w warunkach impedancji o wartości 100 Ω lub wyższej i częstotliwości 1 MHz.
Pod względem parametrów mechanicznych udarność powłoki jest ok. trzykrotnie większa niż w przypadku standardowych łożysk z powłoką ceramiczną. Niewystarczająca efektywność odprowadzania ciepła, stanowiąca wadę powłok ceramicznych, została poprawiona przy użyciu stosunkowo gęstej powłoki w porównaniu do tych stosowanych w łożyskach standardowych, co wydłuża zarówno żywotność smaru, jak i silnika. Testy wykazały wzrost temperatury podczas pracy łożyska o ok. 10°C niższy niż w przypadku łożysk standardowych. Gęsta powłoka oznacza również mniej pustych przestrzeni i lepszą trwałość.
Antykorozyjne łożyska NSK z powłoką ceramiczną, przeznaczone dla średnich i dużych silników falownikowych, są dostępne w rozmiarach średnicy zewnętrznej od 130 do 230 mm.
Łożyska ze smarem o niskiej emisji cząstek stałych przeznaczone dla serwomotorów
Precyzyjna zdolność pozycjonowania serwomotoru opiera się o transmisję lub odbijanie sygnału światła diody LED zgodnie ze wzorcem wygrawerowanym na płytce enkodera i przesyłanie odebranego sygnału z powrotem do sterownika silnika. Zanieczyszczenie powierzchni płytki enkodera olejem lub inną substancją uniemożliwia odbiór sygnału i przesłanie informacji zwrotnej o położeniu do sterownika silnika, uniemożliwiając normalne działanie.
W serwosilniku do robota konieczna jest możliwość zatrzymania ramienia i przedmiotu obrabianego za pomocą hamulca elektromagnetycznego. Zanieczyszczenie tarczy hamulcowej olejem lub innym materiałem powoduje poślizg hamulca. Serwosilniki stosowane w robotach przemysłowych i robotach współpracujących (cobotach) muszą być wysoce niezawodne, dlatego łożyska powinny charakteryzować się niską emisją cząstek, aby uniknąć zanieczyszczenia enkoderów lub hamulców.
Firma NSK opracowała łożysko do serwosilników, które wykorzystuje smar o zoptymalizowanym składzie. Łożysko zostało wyposażone również w firmowe uszczelnienie DW z lekkim stykiem, które zapewnia doskonałą ochronę przed zanieczyszczeniami, ograniczając również wymagany poziom momentu rozruchowego.
W serii testów symulacyjnych zbadano zależność między łożyskami a tarczami hamulcowymi enkodera w odniesieniu do rozprysków smaru. Badania potwierdziły, że wielkość rozrzutu zmniejsza się w przypadku stosowania łożysk z uszczelnieniem bezstykowym i niskoemisyjnego smaru LGU firmy NSK (w porównaniu z łożyskami z uszczelnieniem bezstykowym i smarem standardowym). Ponadto łożyska ze smarem LGU i lekko-stykowym uszczelnieniem DW nie generowały prawie żadnych rozprysków smaru, co stanowi również skuteczny środek zaradczy przeciwko korozji enkodera.
Łożyska NSK o niskiej emisji cząstek stałych, wyposażone w smar LGU i lekko-stykowe uszczelnienie DW, są dostępne w rozmiarach średnicy zewnętrznej od 26 do 120 mm, pasując do wszystkich popularnych serwosilników.
1) Przedstawienie współczynnika strat mechanicznych w zależności od materiału koszyka zastosowanego w łożyskach kulkowych NSK o niskim momencie obrotowym do silników o wysokiej sprawności
2) Odporne na korozję elektrolityczną łożyska NSK z powłoką ceramiczną przeznaczone do silników inwerterowych
2) Odporne na korozję elektrolityczną łożyska NSK z powłoką ceramiczną przeznaczone do silników inwerterowych
