1. Introducción
En una de las empresas de maquinaria pesada en Ucrania, durante un control programado del sistema de transmisión principal de la línea tecnológica, se detectó un fallo prematuro del rodamiento cilíndrico de rodillos del motor de corriente alterna. El equipo operaba como parte de un complejo modernizado bajo control de un controlador servomotor Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN. La vida útil del nodo fue de solo 4 200 horas en lugar del indicador de recursos proyectado MTBF de 40 000 horas. El carácter del deterioro de las rutas de rodaje y los cuerpos rodantes indicaba un desgaste por erosión eléctrica (EDM — Electrical Discharge Machining), provocado por tensiones de fase alta frecuencia de la sistema de modulación por ancho de pulso (PWM) del sistema de transmisión.
2. Vista del componente
Controlador servo Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN es un convertidor de frecuencia (CF) de alta productividad, diseñado para controlar motores sincrónicos y asincrónicos de uso industrial. Genera potencia de salida mediante transistores IGBT de alta velocidad de subida de impulso (dv/dt), que suelen superar los 10 kV/µs. En esta arquitectura, los rodamientos del motor quedan en zona de riesgo debido a la aparición de acoplamiento capacitivo entre la bobina del estator, el rotor y la carcasa a tierra de la máquina.
Condiciones de explotación del nodo investigado:
- Tensión nominal de la sección de corriente continua: 700 V DC.
- Frecuencia de conmutación del inversor: 8 kHz.
- Temperatura de trabajo del carcasa de los cojinetes: +75°C.
- Carga radial: 12 кН.
3. Pruebas de fallo
El grupo de diagnóstico realizó un análisis espectral de vibración y una inspección del rodamiento desmontado. Se detectaron los siguientes síntomas:
- Datos de vibración: En el espectro de vibración (acelerómetro con rango hasta 10 kHz) aparecieron armónicos de alta frecuencia y modulaciones en la frecuencia de conmutación del inversor de frecuencia (8 kHz) en el rango de frecuencias altas (HFE). El nivel de vibración en la banda de 5–10 kHz aumentó 4,5 veces en comparación con los valores base.
- Inspección visual: Se detectaron cráteres microscópicos (pitting) con densidad hasta 50 piezas/mm² en las ranuras del anillo exterior y interior. La superficie de los elementos rodantes adquirió un tono gris opaco ("desgaste ondulado" o "gofrados").
- Análisis del aceite: Se detectó polvo metálico (tamaño de partículas menor de 5 µm) y signos de degradación térmica del aceite base debido a descargas eléctricas locales en la película de lubricante.
4. Investigación de las causas raíz
Para determinar la secuencia de eventos que condujo a la falla, se utilizó el método de la diagrama de Ishikawa (Ishikawa diagram) y el análisis del árbol de fallos. Los factores principales se dividieron en cuatro categorías: parámetros eléctricos, construcción mecánica, estado del aceite y puesta a tierra.
La velocidad de elevación de voltaje (dv/dt) crea un potencial de origen capacitivo en el eje. Cuando el voltaje en el eje supera la resistencia dieléctrica del anillo de lubricante en el cojinete (normalmente entre 10 V y 30 V dependiendo de la espesor de la película y la viscosidad), se produce un microdescarga. Este proceso se repite millones de veces por hora, fundiendo el metal a nivel microscópico.
5. Causas raíz definidas
Según los resultados de la evaluación, se han identificado tres causas principales con diferente probabilidad de ocurrencia:
- Ausencia de un eficiente aislamiento de potencial y escobillas conductivas de alta frecuencia (Probabilidad: 60%). Los corrientes de alta frecuencia de los cojinetes encontraron su camino a través de los cuerpos rodantes en lugar de sistemas especiales de descarga de carga.
- Desviación de los parámetros de filtrado en la salida del inversor de frecuencia (Probabilidad: 25%). La ausencia de filtros motores (filtros dv/dt o filtros sinusoidales) en la salida de Rexroth HMS01 provocó un valor crítico de la velocidad de subida del frente del impulso.
- Geometría incorrecta de la puesta a tierra del cable de potencia (Probabilidad: 15%). La pantalla del cable del motor fue conectada mediante "cinta" en lugar de un soporte circular de EMC de 360 grados, lo que redujo la eficacia de la pantalla contra interferencias de alta frecuencia.
- Corrección inmediata: Se ha instalado un cepillo de masa del eje con recubrimiento de carbón fibroso para el desvío seguro de la tensión del rotor al carcasa del motor. Se ha realizado el reensamblaje de la pantalla del cable de potencia según las exigencias del estándar EN 60204-1 (uso de sellos EMC con contacto circular completo).
- Prevención a largo plazo: Se instaló un filtro dv/dt en la salida del controlador servomotor Rexroth para reducir la velocidad de subida de voltaje por debajo de 500 V/µs según las recomendaciones IEC/TS 60034-25.
- Intervalos de mantenimiento: Realizar la verificación del estado de los cepillos de masa cada 2 000 horas de funcionamiento.
- Monitoreo del estado: Implementar un control continuo de vibración de alta frecuencia (Análisis de Envelope) para detectar el picado en etapas tempranas (grado de daño según ISO 13373).
- Modificación de la construcción: Durante la selección de nuevos motores para trabajar con convertidores Rexroth, se requiere cumplir con los estándares IEC 60034-18-41 (resistencia a tensiones impulsivas) y el uso de cojinetes aislados (con cuerpos de rodadura cerámicos o recubrimiento de anillos con óxido de aluminio).
- IEC/TS 60034-25: Máquinas eléctricas de rotación — Parte 25: Máquinas eléctricas de corriente alterna diseñadas para suministro de convertidores de frecuencia.
- EN 60204-1: Seguridad de las máquinas — Equipos eléctricos de máquinas — Parte 1: Requisitos generales.
- ISO 10816-3: Vibración mecánica — Evaluación de la vibración de la máquina mediante mediciones en partes no giratorias.
- Bosch Rexroth AG: Documentación técnica para los Motores de Servo HMS01, Manual DOK-INDRV*-HMS01******-PR03-EN-P.
- IEEE Std 43-2000: IEEE Recomendación para la Prueba de Resistencia a la Aislación de Máquinas Rotativas.
6. Acciones correctivas
Para eliminar los defectos detectados y prevenir repetidas averías se ha desarrollado un conjunto de medidas inmediatas y a largo plazo:
7. Carta diagnóstica rápida para ingenieros de campo
Esta tabla de verificación está diseñada para técnicos que realizan auditorías de sistemas de transmisión directamente en el taller:
| № | Parámetro de verificación | Método/Instrumento | Valor normativo |
|---|---|---|---|
| 1 | Tensión en el eje del motor | Osciloscopio + cepillo de carbón - toma de punta | < 15 V (valor pico) |
| 2 | Resistencia de tierra del gabinete del convertidor de frecuencia | Micrómetro (ISO 27668) | < 0.1 Ω |
| 3 | Calidad del acoplamiento EMC del cable | Visión 360° de los sujetadores | Contacto circular completo sin "rizos" |
| 4 | Vibración de alta frecuencia de los rodamientos | Análizador de vibraciones (espectro envolvente) | Aceleración < 0.5 g en el rango de 5-10 kHz |
| 5 | Estado del aceite | Prueba de gota / análisis de partículas de desgaste | Ausencia de partículas > 5 µm y brillo metálico |
| 6 | Temperatura del nodo de cojinetes | Pirometro / termopar (ISO 10816) | < 85°C (dependiendo del grado de aislamiento) |
| 7 | Presencia de filtros en la salida del inversor de frecuencia | Inspección de la caja de control | Presencia de dv/dt o filtro sinusoidal en caso de longitud de cable > 15 m |
| 8 | Resistencia de aislamiento de las bobinas del motor | Megóhmetro (1000 V DC) | > 100 MOм (según IEEE 43) |
8. Estrategia de prevención
Para garantizar la fiabilidad del equipo en las empresas industriales ucranianas es necesario integrar los siguientes pasos en el régimen de mantenimiento técnico:
9. Conclusión
Fallas prematuras de los rodamientos debido a corrientes EDM son un problema sistémico al utilizar los modernos inversores de frecuencia de alta velocidad, como Rexroth HMS01. Un enfoque integral en el diseño del motor eléctrico, que incluye la correcta pantalla, filtrado del señal de salida y el uso de dispositivos de descarga del eje, permite eliminar completamente el desgaste electroerosivo. Para la selección de componentes compatibles, filtros y medios de protección, consulte nuestro catálogo. Familiarícese con el completo catálogo en la sección UNITEC-D E-Catalog.
