1. Introducción
La fiabilidad del equipo industrial moderno en Ucrania a menudo disminuye debido a fallos prematuros de rodamientos de rodadura en motores controlados por convertidores de frecuencia (VFD). En talleres de combinados metálicos y fábricas de maquinaria de nuestro país, los ingenieros de fiabilidad se enfrentan a un síntoma típico: un fallo catastrófico de los rodamientos ocurre tras 3 000 – 8 000 horas de funcionamiento en comparación con el MTBF nominal (tiempo medio entre fallos) del motor eléctrico de 40 000 horas. Un típico desencadenante para una investigación es la aparición de un sonido de alta frecuencia en la zona del casco de rodamientos, seguido de un aumento brusco de la vibración en las frecuencias de giro y un pico de temperatura por encima de +90°C en el anillo exterior.
2. Vista del componente
En los nodos críticos de los equipos de maquinaria y en los sistemas de transmisión pesados, suelen utilizarse elementos de soporte de alta precisión, incluyendo guías lineales y unidades de precisión basadas en componentes de la clase FIBRO 2487.12.00350.025. Estos componentes trabajan dentro de cadenas cinemáticas, donde la presencia de corrientes eléctricas errantes provoca la destrucción no solo de los rodamientos del motor, sino también de la transmisión hacia los nodos mecánicos relacionados.
Los rodamientos de los motores eléctricos y de los reductores adyacentes funcionan bajo las siguientes condiciones nominales:
- Temperatura de trabajo: de -20°C a +110°C (valor límite del aceite).
- Cargas radiales y axiales según el cálculo ISO 281.
- Velocidades de giro: hasta 4 500 rpm para tamaños medios.
- Ambiente artificial con gradientes altos de voltaje $du/dt$ provenientes de la modulación por ancho de pulso (PWM) de los inversores modernos IGBT.
3. Pruebas de fallo
Durante la desmontaje del nodo en la máquina herramienta o en el stand de inspección, el personal técnico registra los defectos característicos:
- Daño por erosión eléctrica (EDM): Rutas de rodadura cubiertas con microcavidades (pitting) de diámetro de 5–15 micrómetros, que se forman debido a descargas eléctricas de la película lubricante.
- Corrosión por fretting y mezcla grasa "café marrón": la grasa de base se pierde por completo, convirtiéndose en pasta abrasiva con óxidos de hierro y complejo de aditivo quemado.
- Espectro vibratorio: picos en frecuencias no sincrónicas de defectos del rodamiento (BPFO, BPFI) acompañados de un alto nivel de ruido de alta frecuencia (HFE) en el rango de 5 kHz a 40 kHz.
4. Investigación de las causas raíz
Para determinar la secuencia de eventos se utilizó el método de expansión del árbol de fallos (Fault Tree Analysis). La rápida pulsación de la tensión de salida del inversor ($du/dt \gt 5$ kV/µs) crea un acoplamiento capacitivo entre la bobina del estator y el rotor. Como resultado, aparece una tensión de corriente alterna (shaft voltage) en el eje. Cuando esta tensión supera la resistencia dieléctrica de la película lubricante en el cojinete (normalmente menor de 15–30 V), se produce un microdescarga.
5. Causas raíz definidas
Sistematización de los factores que conducen a fallos, se presenta así:
- Ausencia de pantalla de alta frecuencia del cable de alimentación del motor (Probabilidad: 45%). El uso de cables no simétricos sin pantalla común simétrica de cobre o aluminio aumenta las corrientes en fase.
- Falta de puesta a tierra adecuada o de alta resistencia del carcasa del motor y de la caja del VFD (Probabilidad: 30%). Las corrientes de alta frecuencia buscan la ruta más corta hacia el circuito de puesta a tierra a través de los cojinetes del mecanismo.
- Ausencia de cepillos de descarga del eje o de cojinetes aislados (Probabilidad: 25%). La instalación de cojinetes de acero estándar sin cepillos conductores en condiciones de operación con inversores PWM garantiza la erosión eléctrica.
6. Acciones correctivas
Para eliminar los defectos detectados se aplican un conjunto de medidas inmediatas y a largo plazo:
- Reparación urgente: sustitución inmediata del rodamiento dañado para cumplir con los requisitos ISO 15243 (clasificación de daños en rodamientos de rodadura). Instalación de un rodamiento con cuerpos de rodadura cerámicos (rodamiento híbrido) o montaje del nodo con escobilla conductora Aegis.
- Modernización de la trayectoria de cables: sustitución de cables de potencia no blindados por cables simétricos del tipo 2XSLCHJ según los estándares de la serie EN 50141 y EN 60204-1.
- Filtración de salida VFD: montaje de filtros dV/dt o filtros sinusoidales en la salida del convertidor de frecuencia para reducir la velocidad de subida de voltaje.
7. Lista de verificación rápida para el personal técnico
Este checklist está destinado para su uso por técnicos en tabletas directamente en el taller de producción:
- [ ] Medir la tensión en el eje utilizando un osciloscopio con conexión capacitiva (valor máximo permitido: $\lt 1.5$ V pico a pico).
- [ ] Verificar la resistencia entre la base del motor y el circuito general de puesta a tierra (debe ser $\lt 0.1$ Ω).
- [ ] Realizar un análisis de vibración mediante el método de impulsos de impacto (SPM) para evaluar el estado de la película lubricante.
- [ ] Visually inspect cable connections for correct screen connection at 360 degrees in EMC seals.
- [ ] Verificar el estado del lubricante: tomar una muestra de grasa para comprobar la presencia de polvo metálico y oscurecimiento.
- [ ] Verificar la configuración de la frecuencia de conmutación (switching frequency) en los parámetros del VFD (la reducción de la frecuencia puede disminuir la corriente capacitiva).
- [ ] Realizar una inspección con termografía para detectar sobrecalentamiento de las tapas de los rodamientos ($T \gt +75^\circ ext{C}$).
- [ ] Verificar la presencia y la integridad de las barras de tierra en las uniones y en los nodos de cojinetes.
8. Estrategia de prevención
La prevención de fallos repetidos requiere un cumplimiento claro de los planes de mantenimiento técnico según ISO 13374 (monitoreo del estado de las máquinas). Se recomienda establecer los siguientes intervalos:
- Control mensual de espectros de vibración con énfasis en armónicas de alta frecuencia.
- Revisión trimestral de la resistencia de los sistemas de puesta a tierra y del estado de los nodos de escobillas. Descarga de tensión del eje.
- Uso de componentes originales y piezas de reemplazo de alta calidad. Para la selección de elementos certificados y componentes industriales, diríjase a UNITEC-D Catálogo Electrónico.
9. Conclusión
Las corrientes de los rodamientos inducidas por VFD son un problema sistémico de los actuadores eléctricos modernos, que requiere un enfoque ingenieril integral. La implementación de cables blindados, rodamientos híbridos y sistemas de monitoreo de voltaje del eje permite eliminar completamente el riesgo de fallo prematuro del equipo y alcanzar los índices de confiabilidad proyectados. Para buscar las piezas precisas y sus alternativas de los principales fabricantes, utilice UNITEC-D E-Catalog.
10. Referencia
- DSTU EN 60034-17:2016 — Máquinas eléctricas de rotación. Parte 17. Guía para la aplicación de motores asincrónicos alimentados por convertidores de frecuencia.
- ISO 15243:2017 — Cojinetes rodantes — Daños y fallos — Términos, características y causas.
- ISO 281:2007 — Cojinetes rodantes — Cargas dinámicas de diseño y vida de diseño.
- EN 50141 / EN 60204-1 — Seguridad de las máquinas. Equipos eléctricos de las máquinas.
- Manual Técnico sobre Voltajes en Ejes y Corrientes en Cojinetes en Motores AC Alimentados por Convertidores de Frecuencia, Guía de Ingeniería ABB.
