Корпусные подшипники ISB

Корпусные подшипники ISB: конструкция, типы, применение и монтаж в электротехнике и энергетике

Корпусные подшипники ISB (Insulated Sleeveless Bearing) представляют собой готовые узлы, состоящие из подшипника качения, установленного в цельнометаллический или чугунный корпус, с интегрированной электрической изоляцией. Ключевая особенность — изоляция расположена непосредственно на наружном кольце подшипника в виде слоя оксида керамики (чаще всего Al2O3), напыленного плазменным методом. Это отличает их от подшипников с изолирующими фланцевыми втулками или корпусов с внешними изоляционными прокладками. Основное назначение — предотвращение протекания паразитных токов через подшипниковый узел в электрических машинах, что является частой причиной преждевременного выхода из строя подшипников из-за электрической эрозии (пitting-а).

Принцип действия и необходимость изоляции

В электродвигателях, генераторах, особенно с частотным регулированием, в обмотках статора и ротора возникают асимметрии магнитного поля и паразитные емкостные связи. Это приводит к появлению циркулирующих токов (токов синхронизации, токов заземления) или высокочастотных токов, вызванных быстрыми переключениями силовых ключей инвертора. Разность потенциалов между ротором и статором может достигать нескольких вольт. Если эта разность потенциалов находит путь через подшипник (через шарики/ролики и дорожки качения), происходит пробой тонкой масляной пленки, возникает микродуговой разряд. Повторяющиеся разряды вызывают локальный перегмотр, выплавление микрообъемов металла, что проявляется в виде кратеров, канавок (флейтинга) и повышенной вибрации, в конечном итоге приводя к разрушению подшипника.

Изолирующее покрытие на наружном кольце подшипника ISB, имеющее сопротивление порядка 10^6 – 10^9 Ом, разрывает электрическую цепь, блокируя прохождение тока через подшипник. Ток вынужден искать альтернативный, безопасный путь, например, через заземляющие щетки.

Конструктивные особенности и материалы

Стандартный узел ISB включает следующие компоненты:

• Подшипник: Чаще всего это радиальный шарикоподшипник с глубокими канавками (тип 6000, 6200, 6300 серий). Для тяжелых нагрузок могут использоваться роликовые подшипники. Класс точности обычно соответствует P6 или P5. Подшипник поставляется с консистентной смазкой, стойкой к воздействию электрических полей.
• Изоляционное покрытие: Наносится методом плазменного напыления на предварительно обработанную поверхность наружного кольца. Толщина слоя составляет 100-400 мкм. Основной материал — оксид алюминия (Al2O3), обладающий высоким удельным сопротивлением, отличной адгезией к стали и хорошей теплопроводностью. Покрытие является неотъемлемой частью кольца, что исключает риск смещения или потери изоляционных свойств, как в случае с прокладками.
• Корпус: Изготавливается из серого чугуна (марки GG20, GG25) или стали. Имеет стандартизированные присоединительные размеры согласно ISO, DIN или ANSI. Наиболее распространены типы корпусов: SN (с двумя лапами для крепления), SD (с фланцем круглым), SAF (с фланцем квадратным). Корпус обеспечивает защиту подшипника от загрязнений, удержание смазки и простой монтаж на раму машины.
• Уплотнения: Применяются контактные (например, NBR или FKM лабиринтные уплотнения) или комбинированные уплотнения для эффективной защиты от попадания влаги и абразивных частиц, что критически важно для энергетического оборудования.

Типы и обозначения корпусных подшипников ISB

Номенклатура формируется на основе стандартных обозначений корпусов и подшипников с добавлением индекса, указывающего на наличие изоляции. Пример обозначения: SN 520 ISB.

• SN — тип корпуса (с двумя лапами).
• 5 — серия корпуса (размерная).
• 20 — диаметр отверстия вала в мм, умноженный на 5 (20*5=100 мм).
• ISB — указание на изолированный подшипник с покрытием.

Также встречаются обозначения с указанием материала корпуса (например, SNH для чугунного корпуса) и типа подшипника внутри.

Ключевые технические характеристики

При выборе узла ISB необходимо учитывать следующие параметры:

• Электрическое сопротивление изоляции: Измеряется мегомметром (500 В постоянного тока) между наружным кольцом подшипника (или корпусом) и валом. Должно быть не менее 100 МОм при 25°C и относительной влажности 50%. Фактическое сопротивление качественных изделий превышает 1 ГОм.
• Пробивное напряжение: Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляционного слоя. Для стандартных ISB составляет 2-4 кВ (постоянного тока), для исполнений High Voltage (HV) — до 8 кВ и более.
• Динамическая (C) и статическая (C0) грузоподъемность: Определяются типом и размером установленного подшипника.
• Допустимая скорость вращения: Зависит от типа подшипника, смазки и системы уплотнений. Указывается для консистентной смазки.
• Температурный диапазон: Рабочий диапазон определяется смазкой и материалом уплотнений. Стандартно от -30°C до +120°C. Изоляционное покрытие сохраняет свойства до температур свыше 300°C.

Сравнительная таблица типовых исполнений корпусных подшипников ISB

Типоразмер (пример)	Диаметр вала, мм	Тип корпуса	Динамическая нагрузка C, кН	Ограничение скорости (с консистентной смазкой), об/мин	Сопротивление изоляции (мин.), МОм
SN 506 ISB	30	С двумя лапами	19.5	8000	100
SN 520 ISB	100	С двумя лапами	108	3600	100
SD 312 ISB	60	С круглым фланцем	55.3	5600	100
SAF 225 ISB	125	С квадратным фланцем	124	3400	100

Области применения в энергетике и электротехнике

Корпусные подшипники ISB являются стандартным решением для следующих видов оборудования:

• Электродвигатели среднего и высокого напряжения: Асинхронные и синхронные двигатели, работающие от частотных преобразователей (ЧПУ). Устанавливаются как со стороны привода (DE), так и со стороны противопривода (NDE).
• Генераторы: Турбогенераторы, гидрогенераторы, генераторы для ветроэнергетических установок. Особенно критичны в зонах, подверженных воздействию магнитной асимметрии.
• Мотор-редукторы и редукторные приводы: Для защиты подшипников в быстроходных и тихоходных валах.
• Насосное и вентиляторное оборудование с электроприводом большой мощности.
• Оборудование для горнодобывающей и металлургической промышленности, где используются мощные приводы.

Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание

Правильный монтаж определяет эффективность и срок службы узла ISB.

• Проверка перед установкой: Обязательно проверить сопротивление изоляции мегомметром на 500 В DC. Замер производится между корпусом (или наружным кольцом) и внутренним кольцом/валом. Значение должно соответствовать паспортным данным.
• Монтаж на вал: Вал должен быть чистым, без забоин и окислов. Монтаж внутреннего кольца на вал производится с натягом, предпочтительно термическим способом (нагрев подшипника в масляной ванне до 80-100°C). Запрещается прямой нагрев горелкой или ударный монтаж, так как это может повредить изоляционное покрытие на наружном кольце.
• Крепление корпуса: Корпус крепится к раме или плите стандартными крепежными элементами. Необходимо обеспечить чистоту и ровность посадочной поверхности. Не допускается использование дополнительных изолирующих прокладок между корпусом и рамой, так как это ухудшает теплоотвод и механическую стабильность. Изоляционная функция уже выполнена покрытием.
• Электрическое соединение: Для обеспечения безопасного стечения паразитных токов на валу со стороны, противоположной приводу, часто устанавливают заземляющие щетки (токосъемные устройства). Их необходимо регулярно проверять на износ.
• Обслуживание: Заключается в периодической проверке вибрации, температуры узла и контроле сопротивления изоляции (во время плановых остановок). Пополнение смазки осуществляется через пресс-масленки в соответствии с регламентом, используя только рекомендованные типы смазочных материалов.

Преимущества и ограничения по сравнению с альтернативными решениями

Преимущества ISB:

• Надежность изоляции: Покрытие, нанесенное плазменным способом, не стареет, не трескается и не отслаивается при вибрациях и перепадах температур.
• Компактность: Не требуют дополнительного пространства для изолирующих втулок или прокладок, в отличие от решений с внешней изоляцией корпуса.
• Стандартизация: Имеют идентичные присоединительные размеры с обычными корпусными подшипниками, что позволяет проводить модернизацию без изменения конструкции рамы.
• Теплоотвод: Керамическое покрытие обладает хорошей теплопроводностью, обеспечивая эффективный отвод тепла от подшипника через корпус.
• Защита от дугового пробоя: Высокое пробивное напряжение надежно защищает от импульсных перенапряжений от ЧПУ.

Ограничения:

• Стоимость: Выше, чем у стандартных корпусных подшипников или узлов с внешними изоляционными прокладками.
• Ремонтопригодность: При повреждении изоляционного слоя наружного кольца подшипник не подлежит восстановлению — требуется замена всего узла.
• Чувствительность к монтажу: Неправильный монтаж (удары, перекосы) может привести к сколам керамического слоя на кромках.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем ISB отличается от подшипника с изолирующими фланцевыми втулками (INSOCOAT, INCE?) от SKF?

Подшипники INSOCOAT имеют изоляционное покрытие (оксид алюминия или эпоксидную смолу), нанесенное на наружную или внутреннюю поверхность кольца. Они поставляются как отдельные подшипники, которые затем могут быть установлены в любой корпус. ISB — это готовый узел (подшипник + корпус), где покрытие также нанесено на наружное кольцо, но узел уже собран и смазан. Концепция изоляции идентична, но ISB предлагает удобство в виде предсобранного блока.

Можно ли заменить обычный корпусной подшипник на ISB без переделок?

Да, в абсолютном большинстве случаев. Поскольку корпуса ISB имеют стандартизированные габаритные и присоединительные размеры согласно ISO, прямая замена возможна. Это делает ISB идеальным решением для модернизации существующего оборудования с целью защиты от токов повреждения.

Как часто нужно проверять сопротивление изоляции ISB?

Первая проверка — перед монтажом. В дальнейшем — в рамках планового технического обслуживания оборудования, обычно раз в 6-12 месяцев или во время капитальных ремонтов. Резкое падение сопротивления (например, ниже 10 МОм) указывает на повреждение изоляционного покрытия, загрязнение или попадание влаги и требует investigation.

Нужно ли заземлять корпус подшипника ISB?

Корпус подшипника ISB должен быть механически закреплен на раме/станине оборудования, которая, в свою очередь, должна быть надежно заземлена в соответствии с правилами электробезопасности. Это не влияет на изолирующую функцию покрытия между кольцами подшипника. Изоляция предотвращает протекание тока между валом и корпусом через тела качения.

Что делать, если при проверке сопротивление изоляции низкое?

1. Убедиться, что измерительные щупы чистые и обеспечивают хороший контакт.
2. Проверить, не попала ли смазка или влага на пути измерения. Очистить поверхности.
3. Если низкое сопротивление сохраняется, вероятно, изоляционное покрытие повреждено механически (скол, удар при монтаже) или произошел электрический пробой. Узел подлежит замене.

Применимы ли ISB для оборудования без частотного преобразователя?

Да, применимы. Паразитные токи могут возникать и в сетевых двигателях из-за магнитной асимметрии, явнополюсной конструкции и других факторов. Установка ISB является эффективной превентивной мерой для повышения надежности ответственного оборудования, работающего непосредственно от сети.

Можно ли использовать ISB в агрессивных средах?

Керамическое покрытие Al2O3 химически инертно и устойчиво к большинству агрессивных сред. Однако корпус, уплотнения и смазка должны быть подобраны соответствующим образом. Существуют исполнения корпусов из нержавеющей стали и с уплотнениями из стойких материалов (FKM), что позволяет использовать ISB в химической, пищевой промышленности или в условиях повышенной влажности.