1. Introduzione
In una delle imprese di ingegneria pesante in Ucraina, durante un'ispezione di routine dell'azionamento principale della linea di produzione, è stato registrato un guasto prematuro del cuscinetto a rulli cilindrici del motore CA. L'attrezzatura ha funzionato come parte di un complesso modernizzato sotto il controllo del servocontrollore Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN. Il tempo di funzionamento del nodo è stato di sole 4.200 ore invece dell'indicatore delle risorse MTBF previsto di 40.000 ore. La natura della distruzione delle piste e degli elementi volventi indica che l'EDM (Electrical Discharge Machining) ha indotto tensioni in fase ad alta frequenza dal sistema di azionamento a modulazione di larghezza di impulso (PWM).
2. Panoramica del componente
Il servocontrollore Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN è un convertitore di frequenza (IF) ad alte prestazioni progettato per controllare motori industriali sincroni e asincroni. Genera potenza di uscita utilizzando transistor IGBT con un'elevata frequenza di impulsi (dv/dt) che spesso supera i 10 kV/μs. In questa architettura, i cuscinetti del motore sono a rischio a causa dell'accoppiamento capacitivo tra l'avvolgimento dello statore, il rotore e il telaio della macchina messo a terra.
Condizioni operative del nodo studiato:
- Tensione nominale del collegamento in corrente continua: 700 V DC.
- Frequenza di commutazione dell'inverter: 8 kHz.
- Temperatura di esercizio dello scudo del cuscinetto: +75°C.
- Carico radiale: 12 kN.
3. Prova del rifiuto
Il team diagnostico ha effettuato un'analisi spettrale delle vibrazioni e ha ispezionato il cuscinetto smontato. Sono stati registrati i seguenti sintomi:
- Dati sulle vibrazioni: Nello spettro delle vibrazioni (accelerometro con una gamma fino a 10 kHz), sono apparse armoniche e modulazioni ad alta frequenza alla frequenza di commutazione dell'IF (8 kHz) nella gamma ad alta frequenza (HFE). Il livello di vibrazione nella banda 5–10 kHz è aumentato di 4,5 volte rispetto ai valori di base.
- Ispezione visiva: Sulle tracce di scorrimento degli anelli esterno ed interno sono stati trovati crateri microscopici (pitting) con una densità fino a 50 pezzi/mm². La superficie degli elementi volventi ha acquisito una tonalità grigio opaco (usura o ondulazione "ondulata").
- Analisi del lubrificante: Nel lubrificante Proliter sono stati rilevati polvere metallica (dimensione delle particelle inferiore a 5 μm) e segni di distruzione termica dell'olio base dovuti a guasti elettrici locali del film lubrificante.
4. Studio delle cause profonde
Per determinare la catena di eventi che hanno portato all'incidente sono stati utilizzati il metodo del diagramma di Ishikawa e l'analisi dell'albero dei guasti. I fattori principali sono suddivisi in quattro categorie: parametri elettrici, progettazione meccanica, condizioni di lubrificazione e messa a terra.
La velocità di aumento della tensione (dv/dt) crea un potenziale capacitivo sull'albero. Quando la tensione sull'albero supera la resistenza alla rottura del cuneo di grasso nel cuscinetto (tipicamente da 10 V a 30 V a seconda dello spessore e della viscosità della pellicola), si verifica una microscarica. Questo processo viene ripetuto milioni di volte all'ora, fondendo il metallo a livello micro.
5. Cause profonde identificate
Secondo i risultati dell’esame, sono state identificate tre ragioni principali con diversa probabilità di accadimento:
- Mancanza di un'efficace equalizzazione ad alta frequenza dei potenziali e delle spazzole che trasportano corrente (probabilità: 60%). Le correnti dei cuscinetti ad alta frequenza si sono fatte strada attraverso i corpi rotanti anziché tramite speciali sistemi di rimozione della carica.
- Incoerenza dei parametri di filtraggio all'uscita dell'IF (probabilità: 25%). L'assenza di filtri motore (filtri du/dt o filtri sinusoidali) all'uscita del Rexroth HMS01 ha portato ad un valore critico della velocità di salita del fronte degli impulsi.
- Geometria di messa a terra del cavo di alimentazione non corretta (probabilità: 15%). La schermatura del cavo motore è stata collegata utilizzando un "codino" anziché un morsetto EMC circolare a 360 gradi, il che ha ridotto l'efficacia della schermatura delle interferenze HF.
- Correzione immediata: installata una spazzola di messa a terra dell'albero rivestita in fibra di carbonio per trasferire in sicurezza la tensione dal rotore all'alloggiamento del motore. Il riassemblaggio della schermatura del cavo di alimentazione è stato effettuato in conformità con i requisiti dello standard EN 60204-1 (utilizzo di guarnizioni EMC con contatto completamente circolare).
- Prevenzione a lungo termine: è stato montato un filtro du/dt sull'uscita del servocontrollore Rexroth per ridurre la velocità di aumento della tensione al di sotto di 500 V/μs secondo le raccomandazioni IEC/TS 60034-25.
- Intervalli di manutenzione: ispezionare le condizioni delle spazzole di messa a terra dell'albero ogni 2.000 ore di funzionamento.
- Monitoraggio delle condizioni: Implementare il monitoraggio continuo delle vibrazioni ad alta frequenza (analisi dell'inviluppo) per rilevare la vaiolatura nelle fasi iniziali (grado di danno secondo ISO 13373).
- Ammodernamento del design: Quando si scelgono nuovi motori da utilizzare con i convertitori Rexroth, richiedere avvolgimenti secondo gli standard IEC 60034-18-41 (resistenza alle tensioni impulsive) e l'uso di cuscinetti isolati (con corpi volventi in ceramica o rivestimento dell'anello in ossido di alluminio).
- IEC/TS 60034-25: Macchine elettriche rotanti — Parte 25: Macchine elettriche CA progettate per l'alimentazione con convertitore di frequenza.
- EN 60204-1: Sicurezza del macchinario - Equipaggiamento elettrico delle macchine - Parte 1: Requisiti generali.
- ISO 10816-3: Vibrazioni meccaniche: valutazione delle vibrazioni della macchina mediante misurazioni su parti non rotanti.
- Bosch Rexroth AG: Documentazione tecnica per servoazionamenti HMS01, manuale DOK-INDRV*-HMS01******-PR03-EN-P.
- IEEE Std 43-2000: Pratica raccomandata IEEE per testare la resistenza di isolamento delle macchine rotanti.
6. Azioni correttive
È stato sviluppato un complesso di misure immediate e a lungo termine per eliminare i difetti identificati e prevenire il ripetersi di incidenti:
7. Scheda diagnostica rapida per ingegneri sul campo
Questa tabella-checklist è destinata ai tecnici specializzati che effettuano un audit dei sistemi di azionamento direttamente in officina:
| № | Parametro di convalida | Metodo/Strumento | Valore normativo |
|---|---|---|---|
| 1 | Tensione sull'albero motore | Oscilloscopio + estrattore per naso-spazzola in carbone | < 15 V (valore di picco) |
| 2 | Resistenza di terra dell'involucro dell'inverter | Microohmmetro (ISO 27668) | <0,1 Ohm |
| 3 | Qualità EMC del collegamento del cavo | Ispezione visiva delle fascette a 360° | Contatto circolare completo senza "pigtail" |
| 4 | Vibrazioni ad alta frequenza dei cuscinetti | Vibroanalizzatore (spettro dell'inviluppo) | Accelerazione < 0,5 g nell'intervallo 5-10 kHz |
| 5 | Condizione di lubrificazione | Test di caduta/analisi delle particelle di usura | Assenza di particelle > 5 μm e lucentezza metallica |
| 6 | Temperatura del gruppo cuscinetto | Pirometro/termocoppia (ISO 10816) | < 85°C (a seconda della classe di isolamento) |
| 7 | La presenza di filtri sull'uscita IF | Ispezione del pannello di controllo | Disponibilità di filtro du/dt o sinusoidale per lunghezza cavo > 15 m |
| 8 | Resistenza di isolamento degli avvolgimenti del motore | Megaohmmetro (1000 V CC) | > 100 MΩ (secondo IEEE 43) |
8. Strategia di prevenzione
Per garantire l'affidabilità delle attrezzature nelle imprese industriali ucraine, è necessario integrare le seguenti fasi nelle norme di manutenzione:
9. Conclusione
I guasti prematuri dei cuscinetti dovuti alle correnti EDM sono un problema sistemico quando si utilizzano moderni inverter PWM ad alta velocità come il Rexroth HMS01. Un approccio completo alla progettazione dell'azionamento elettrico, che comprende un'adeguata schermatura, il filtraggio del segnale di uscita e l'uso di dispositivi per rimuovere la carica dall'albero, consente di eliminare completamente l'usura elettroerosiva. Consulta il nostro catalogo per selezionare componenti, filtri e dispositivi di protezione compatibili. Consulta la gamma completa nella sezione Catalogo elettronico UNITEC-D.
