Aktualności

Ciecze jonowe  - innowacyjny „piorunochron” dla e-mobilności

11. May 2020

Ciecze jonowe - innowacyjny „piorunochron” dla e-mobilności

Elektroerozja w łożyskach tocznych silników elektrycznych to zjawisko znane od dawna. Ze względu na bardzo dynamiczny rozwój e-mobilności zagadnienie to nabiera nowego wymiaru.

W przyszłości ta kwestia zyska dodatkowe znaczenie, gdyż przetworniki częstotliwości w nowoczesnych układach napędowych będą coraz częściej stosowane do ciągłej regulacji prędkości obrotowej silników i generatorów. Będzie to prowadzić do większych szkód spowodowanych erozją elektryczną. Również obecne tendencje do stosowania wyższych napięć, np. w układach napędowych pojazdów samochodowych, spowodują w przyszłości większe wyładowania energii. Klüber Lubrication, specjaliści w dziedzinie trybologii, od ponad 20 lat prowadzą badania nad wykorzystaniem cieczy jonowych w innowacyjnych formulacjach środków smarnych.  Nasza nowoczesna koncepcja przekształca środek smarny w "piorunochron" tak, aby zapobiec tworzeniu się szkodliwych wyładowań. Ta nowa generacja specjalistycznych środków smarnych, oprócz optymalizacji parametrów istotnych dla pojazdu, takich jak prędkość obrotowa, płynna praca i wydłużona żywotność, zajmuje się również kwestią przewodności elektrycznej.

Uszkodzenia spowodowane elektroerozją

Elektroerozja w łożyskach tocznych silników elektrycznych lub innych elementów elektrycznych spowodowana jest niepożądanym przepływem prądu przez strefę styku pomiędzy elementem tocznym, a bieżnią. W ten sposób generowane jest ciepło, które miejscowo topi powierzchnię. Powstają małe wgłębienia o wielkości kilku mikrometrów. W dalszej eksploatacji, jako uszkodzenia wtórne, mogą powstać rowki w poprzek bieżni.  Oba rodzaje uszkodzeń prowadzą najpierw do wytworzenia niepożądanego hałasu w łożysku, a w końcu do przedwczesnej awarii.

Istnieje kilka podejść projektowych do rozwiązania tego problemu, np. poprzez izolację pierścieni wewnętrznych lub zewnętrznych, czy też zastosowanie ceramicznych elementów tocznych. Środki te nie zawsze jednak przynoszą sukces, mimo wysokich kosztów, jakie się z nimi wiążą. Prostszym, ale bardziej obiecującym podejściem jest zastosowanie środka smarnego o niskiej impedancji (który i tak jest elementem konstrukcyjnym elementu) w celu rozproszenia generowanych prądów.

Zasadniczo jednak środki smarne są izolatorami. Blokując przepływ prądów elektrycznych, zwiększają przyrost napięcia w elementach łożysk wykonanych z metalu. Tradycyjne rozwiązania polegają na stosowaniu czarnych środków smarnych na bazie grafitu i węgla, które z jednej strony mogą również zapobiegać powstawaniu niepożądanych prądów. Z drugiej natomiast strony, zawierają one czarne, stałe cząstki grafitu, które utrudniają płynną pracę. Ponieważ takie cząstki z upływem czasu przemieszczają się do różnych punktów styku i podlegają zmianom pod wpływem obciążenia mechanicznego, przewodność elektryczna tych smarów stale maleje.

Obiecujące innowacje w zakresie środków smarnych

Sprawienie, by środek smarny charakteryzował się przewodnością poprzez dodanie cieczy jonowych w celu rozproszenia generowanych prądów, wykazuje wyraźną przewagę nad stosowaniem "czarnych środków smarnych". Szczególnie prądy elektroerozyjne o wysokiej częstotliwości (obróbka elektroerozyjna) mogą być neutralizowane dzięki odpowiednio zaprojektowanym środkom smarnym.

Klüber Lubrication jest obecnie jedynym producentem, który może zaoferować takie rozwiązanie i posiada aż trzy patenty na stosowanie cieczy jonowych w formulacjach środków smarnych. Jeden z tych patentów zakłada ich zastosowanie jako oleju bazowego, dwa pozostałe odnoszą się do dodatków uszlachetniających.

Ciecze jonowe - wprowadzenie

Ciecze jonowe są płynnymi solami. Z powodu delokalizacji ładunku i efektów sterycznych nie posiadają one stabilnej struktury krystalicznej. Z definicji temperatura topnienia tych soli wynosi poniżej 100 °C, a w wielu przypadkach nawet znacznie poniżej tej temperatury, co powoduje, że sole te są ciekłe już w temperaturze pokojowej. Właściwości cieczy jonowych można zmieniać w zależności od wymagań poprzez modyfikację kationów lub anionów. Dlatego są one przeznaczone do stosowania w wielu dziedzinach chemicznej inżynierii procesowej.

Ciecze jonowe i ich właściwości są znane już od ponad stu lat, jednak przez długi czas poświęcano im niewiele uwagi i nie były one stosowane w produktach i procesach.  Dzięki swojej przewodności elektrycznej ograniczają one niepożądany przepływ prądu, co czyni je interesującym rozwiązaniem dla łożysk w silnikach elektrycznych.

Standardowy smar do łożysk tocznych, prądy EDM mierzone w A jako funkcja prędkości i temperatury (TU Darmstadt)

Klüberlectric BQ 72-72, prądy EDM mierzone w A jako funkcja prędkości i temperatury (TU Darmstadt)

Dzięki odpowiedniej ilości kationów i anionów ciecze jonowe charakteryzują się również doskonałą odpornością na utlenianie. Są one stabilne termicznie i mogą być stosowane w temperaturach do 150 °C. Są prawie niepalne, nietoksyczne i wykazują wysoki stopień rozpuszczalności. Ich wyjątkowo niskie ciśnienie pary jest kolejną zaletą. W przeciwieństwie do specjalistycznych środków smarnych, zawierających cząstki przewodzące prąd, ciecze jonowe nie mają negatywnego wpływu na poziom hałasu. Kilka smarów dowiodło już swojej przydatności w zastosowaniach o dużych prędkościach. Obecnie osiągają one współczynniki prędkości obrotowej przekraczające 1 milion n x dm. Klüber Lubrication dąży do osiągnięcia współczynników prędkości obrotowych > 2 mln n x dm.

Ciecze jonowe znacznie zwiększają żywotność łożysk i tym samym przyczyniają się do osiągania celów w dziedzinie zrównoważonego rozwoju. Wpływ energetyczny niepożądanych prądów elektrycznych powoduje nie tylko uszkodzenia łożysk, ale również wpływa na wydajność środka smarnego i rozkłada go przez ekstremalnie wysokie temperatury szczytowe. Ciecze jonowe zapobiegają temu negatywnemu efektowi i pomagają przez to przedłużyć żywotność smaru.

Wszechstronne badania na stanowisku badawczym, po których następują analizy trybologiczne, dostarczają informacji o stanie użytego środka smarnego oraz łożyska. Ważną rzeczą w tym kontekście jest wzajemne oddziaływanie wyników odnoszących się do łożyska i do środka smarnego. Dzięki szczegółowym badaniom każdego elementu można z dużą dokładnością zidentyfikować ewentualne uszkodzenia.

Wyniki uzyskane na stanowisku badawczym wykazały, że uszkodzenia łożysk i środka smarnego wynikające z prądów elektrycznych są znacznie mniejsze przy stosowaniu cieczy jonowych.

Ciecze jonowe - perspektywy

We współpracy z wiodącymi partnerami z branży Klüber Lubrication pracuje obecnie nad dalszą optymalizacją przewodności środków smarnych przy jednoczesnym zachowaniu ich trybologicznych właściwości za pomocą cieczy jonowych. W przypadku bardzo wysokiego poziomu przepływu energii, na tym etapie nie jest jeszcze możliwe rozwiązanie problemu niepożądanego przepływu prądu jedynie za pomocą środka smarnego.  Byłoby to jednak rozwiązanie bardzo pożądane przez przemysł, jako że mogłoby ono wpłynąć na zmniejszenie rozmiaru łożysk. Interesującym podejściem jest połączenie łożysk izolacyjnych z dodatkowymi elementami rozładunkowymi zawierającymi środki smarne przewodzące prąd elektryczny.

Wniosek

Jako element konstrukcyjny środek smarny jest decydującym czynnikiem, jeśli chodzi o efektywność i niezawodność elementów mechanicznych. Specjaliści, tacy jak Klüber Lubrication prowadzą badania nad ciągłym rozwojem środków smarnych, które mają kluczowe znaczenie dla wydłużenia żywotności elementów konstrukcyjnych i zwiększenia zarówno efektywności energetycznej, jak i osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju.|

Kontakt
Klüber Lubrication Polska Sp. z o.o.
ul. Pilotów 19, Janikowo
62-006 Kobylnica

NIP (VAT): 782-198-61-29
DUNS: 366091218

Tel.: +48 61 656 39 60
Fax: +48 61 8 793 805