1. Einleitung
Auf einem der Werke des schwere Maschinenbaus in der Ukraine wurde während einer geplanten Inspektion des Hauptantriebs einer technologischen Linie ein vorzeitiger Ausfall eines zylindrischen Kugelrollenlagers des Wechselstrommotors festgestellt. Das Gerät arbeitete im Zusammenspiel eines modernisierten Komplexes unter der Steuerung eines Servokontrollers Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN. Die Laufzeit des Bauteils betrug lediglich 4 200 Stunden statt des projektierten Ressourcenwerts MTBF von 40 000 Stunden. Der Charakter der Zerstörung der Laufbahnen und der Rollkörper deutete auf einen elektrochemischen Verschleiß (EDM – Electrical Discharge Machining) hin, der durch hochfrequente gemeinsam wirkende Spannungen aus der Breitenimpulsmodulation (PWM) Antriebssystem ausgelöst wurde.
2. Überblick über den Komponenten
Servokontroller Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN ist ein hochleistungsfähiger Frequenzumrichter (FU), der zum Steuern von industriellem Synchron- und Asynchronmotor eingesetzt wird. Er erzeugt die Ausgangsleistung mithilfe von IGBT-Transistoren mit hoher Steigungsrate der Spannungsspitzen (dv/dt), die häufig über 10 kV/µs liegen. In dieser Architektur geraten die Motorlager in ein Risikobereich durch das Entstehen von kapazitiver Kopplung zwischen der Statorwicklung, dem Rotor und der geerdeten Maschinenfundament.
Betriebsbedingungen des untersuchten Baugruppen:
- Nennspannung der Gleichstromschleife: 700 V DC.
- Schaltfrequenz des Inverters: 8 kHz.
- Betriebstemperatur des Lagergehäuses: +75°C.
- Radiallast: 12 kN.
3. Nachweis der Ausfälle
Die Diagnosegruppe führte eine spektralanalyse der Vibrationen und einen Überblick über den abmontierten Lager. Die folgenden Symptome wurden festgestellt:
- Schwingungsdaten: Im Schwingungsspektrum (Beschleunigungssensor mit einem Frequenzbereich bis 10 kHz) sind hochfrequente Harmonischen und Modulationen auf der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters (8 kHz) im Bereich der hohen Frequenzen (HFE) aufgetreten. Die Schwingungsintensität im Bereich 5–10 kHz ist im Vergleich zu den Referenzwerten um den Faktor 4,5 gestiegen.
- Visueller Oberflächenblick: Auf den Laufbahnen des äußeren und inneren Ringes wurden mikroskopische Krater (Pitting) mit einer Dichte bis zu 50 Stück/mm² festgestellt. Die Rollenoberflächen haben einen matte graue Schattierung („wellenförmiger“ Verschleiß oder Gофrierung).
- Ölanalyse: In dem Schmieröl wurden metallischer Staub (Teilchengröße unter 5 µm) sowie Anzeichen der thermischen Zersetzung der Grundöle durch lokale elektrische Durchschläge der Schmierschicht festgestellt.
4. Ursachenanalyse
Zur Bestimmung der Kette von Ereignissen, die zur Katastrophe führten, wurde die Ishikawa-Diagramm-Methode (Ishikawa-Diagramm) und die Fehlertreem-Analyse verwendet. Die Hauptfaktoren wurden in vier Kategorien unterteilt: elektrische Parameter, mechanische Konstruktion, Zustand der Schmierung und Erdung.
Die Spannungsanstiegsrate (dv/dt) erzeugt auf der Welle einen kapazitiven Potentialausfall. Wenn die Spannung auf der Welle die Durchschlagfestigkeit des Schmierfilms im Lager (in der Regel zwischen 10 V und 30 V, abhängig von der Dicke des Films und der Viskosität) überschreitet, tritt ein Mikroentladung auf. Dieser Prozess wiederholt sich Millionenmal pro Stunde und schmilzt Metall auf mikroskopischer Ebene.
5. Definierte Ursachen
Aufgrund der Bewertung wurden drei Schlüsselursachen mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit identifiziert:
- Fehlende effektive Hochfrequenzpotentialausgleichung und Stromleitende Schleifringe (Wahrscheinlichkeit: 60%). Hochfrequente Strome der Lager fanden ihren Weg durch die Rollkörper statt durch spezielle Entladungssysteme.
- Ungeeignete Filterparameter an der Ausgangsseite der Antrieselektronik (Wahrscheinlichkeit: 25%). Fehlende Motorfilter (dv/dt-Filter oder Sinusfilter) an der Ausgangsseite von Rexroth HMS01 führten zu einem kritischen Wert der Steigung des Impulsfronts.
- Fehlerhafte Geometrie der Schutzleiterverbindung (Wahrscheinlichkeit: 15%). Der Kabelschirm des Motors wurde mit einer „Kosik“ angeschlossen anstelle eines runden 360°-EMC-Verbindungsanschlusses, was die Effizienz der Schirmung gegenüber Hochfrequenzstörungen verringerte.
- Sofortige Reparatur: Eine Kugelwelle mit carbonfaserverstärktem Schutzschicht wurde installiert, um die Spannung vom Rotor zum Motorgehäuse sicher abzuleiten. Der Schirm des Stromkabels wurde gemäß den Anforderungen der Norm EN 60204-1 (Verwendung von EMC-Dichtungen mit vollständigem kreisförmigem Kontakt) neu montiert.
- Langfristige Wartung: Ein dv/dt-Filter wurde am Ausgang des Rexroth-Servokontrollers installiert, um die Spannungsanstiegsrate unter 500 V/µs zu senken, entsprechend den Empfehlungen IEC/TS 60034-25.
- Wartungsintervalle: Prüfen Sie den Zustand der Anschlussstifte alle 2 000 Betriebsstunden.
- Zustandsmonitoring: Einführen eines kontinuierlichen Hochfrequenz-Vibrationskontrollsystems (Envelope Analysis), um Pitting in frühen Stadien zu erkennen (Schadensgrad gemäß ISO 13373).
- Modernisierung der Konstruktion: Bei der Auswahl neuer Motoren für den Einsatz mit Reglern Rexroth ist die Ausführung der Wicklungen gemäß den Normen IEC 60034-18-41 (Spannungsbeständigkeit bei Impulsspannungen) sowie die Verwendung von isolierten Lagerungen (mit keramischen Rollkörpern oder Aluminiumpoxidbeschichteten Ringen) erforderlich.
- IEC/TS 60034-25: Drehende elektrische Maschinen — Teil 25: Wechselstrommaschinen, die für den Einsatz mit Frequenzumrichtern konzipiert sind.
- EN 60204-1: Sicherheit von Maschinen — Elektrische Ausstattung von Maschinen — Teil 1: Allgemeine Anforderungen.
- ISO 10816-3: Mechanische Schwingungen — Bewertung der MaschinenSchwingungen an nicht rotierenden Teilen.
- Bosch Rexroth AG: Technische Dokumentation für HMS01 Servodrives, Handbuch DOK-INDRV*-HMS01******-PR03-EN-P.
- IEEE Std 43-2000: IEEE Empfehlung zur Prüfung der Isolationswiderstand von Drehmaschinen.
6. Korrekturmaßnahmen
Um die identifizierten Defekte zu beheben und wiederkehrende Störungen zu verhindern, wurden ein umfassendes Programm an sofort umsetzbaren und langfristigen Maßnahmen entwickelt:
7. Schnelle Diagnosekarte für Feldingenieure
Diese Checkliste wurde für technische Spezialisten entwickelt, die eine Audits von Antriebssystemen direkt in der Werkstatt durchführen:
| № | Prüfparameter | Methode/Instrument | Normativwert |
|---|---|---|---|
| 1 | Spannung am Motorwelle | Oszilloskop + Kohlenstoffbürste-Nasenentferner | < 15 V (Spitzenwert) |
| 2 | Widerstand des Gehäuses der Frequenzumrichter | Mikroohmmeter (ISO 27668) | < 0,1 Ω |
| 3 | EMC-Qualität der Kabelverbindung | 360°-Blick auf die Halterungen | Vollständiger kreisförmiger Kontakt ohne „Kosikchen“ |
| 4 | Hochfrequente Schwingungen der Lager | Vibroanalyser (Spektrum-Überlagerung) | Beschleunigung < 0,5 g im Frequenzbereich 5–10 kHz |
| 5 | Schmierstoffstand | Tropftest / Partikelfallanalyse | Fehlen von Partikeln > 5 µm und metallischem Glanz |
| 6 | Temperatur des Lagerknotens | Pyrometer / Thermoelement (ISO 10816) | < 85°C (abhängig von der Isolationsklasse) |
| 7 | Anwesenheit von Filtern an der Ausgangseite der Antrieselektronik | Inspektion der Steuerungsbox | Anwesenheit von dv/dt oder Sinus-Filter bei Kabellänge > 15 m |
| 8 | Isolationswiderstand der Wicklungen des Motors | Megohmmeter (1000 V DC) | 100 MOhm (gemäß IEEE 43) |
8. Präventive Strategie
Um die Zuverlässigkeit der Anlagen auf ukrainischen industriellen Unternehmen zu gewährleisten, müssen folgende Schritte in den Wartungsplan integriert werden:
9. Schlussfolgerung
Frühe Ausfälle von Lagerungen durch EDM-Strom sind eine systematische Problematik bei der Verwendung moderner schneller Leistungsumrichter wie Rexroth HMS01. Ein umfassender Ansatz beim Entwurf eines Elektromotors, der korrekte Schirmung, Filterung des Ausgangssignals und die Verwendung von Entladegeräten am Wellenende umfasst, ermöglicht die vollständige Beseitigung des elektrochemischen Verschleißes. Für die Auswahl kompatibler Komponenten, Filter und Schutzmaßnahmen wenden Sie sich bitte an unseren Katalog. Einen umfassenden Sortiment finden Sie im Abschnitt UNITEC-D E-Catalog.
