1. Inleiding
Bij een van de zware technische bedrijven in Oekraïne werd tijdens een routine-inspectie van de hoofdaandrijving van de productielijn voortijdig falen van het cilindrische rollager van de wisselstroommotor geregistreerd. De apparatuur werkte als onderdeel van een gemoderniseerd complex onder controle van de Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN servocontroller. De bedrijfstijd van het knooppunt bedroeg slechts 4.200 uur, in plaats van de verwachte MTBF-bronindicator van 40.000 uur. De aard van de vernietiging van de loopbanen en rolelementen duidde erop dat EDM (Electrical Discharge Machining) hoogfrequente in-fase spanningen induceerde van het pulsbreedtemodulatie (PWM) aandrijfsysteem.
2. Overzicht van het onderdeel
De Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN servocontroller is een krachtige frequentieomvormer (IF) die is ontworpen om industriële synchrone en asynchrone motoren te besturen. Het genereert uitgangsvermogen met behulp van IGBT-transistoren met een hoge pulssnelheid (dv/dt) die vaak hoger is dan 10 kV/μs. In deze architectuur lopen de motorlagers gevaar vanwege de capacitieve koppeling tussen de statorwikkeling, de rotor en het geaarde machineframe.
Bedrijfsomstandigheden van het bestudeerde knooppunt:
- Nominale spanning van de gelijkstroomverbinding: 700 V DC.
- Schakelfrequentie van de omvormer: 8 kHz.
- Bedrijfstemperatuur van het lagerschild: +75°C.
- Radiale belasting: 12 kN.
3. Bewijs van weigering
Het diagnoseteam voerde een trillingsspectrale analyse uit en inspecteerde het gedemonteerde lager. De volgende symptomen werden geregistreerd:
- Trillingsgegevens: In het trillingsspectrum (versnellingsmeter met een bereik van maximaal 10 kHz) verschenen hoogfrequente harmonischen en modulaties op de schakelfrequentie van de IF (8 kHz) in het hoogfrequente bereik (HFE). Het trillingsniveau in de 5-10 kHz-band nam 4,5 keer toe vergeleken met de basiswaarden.
- Visuele inspectie: Op de loopbanen van de buitenste en binnenste ringen werden microscopisch kleine kraters (pitting) met een dichtheid van maximaal 50 stuks/mm² gevonden. Het oppervlak van de rolelementen heeft een matgrijze tint gekregen ("golvende" slijtage of golving).
- Smeermiddelanalyse: Metaalstof (deeltjesgrootte kleiner dan 5 μm) en tekenen van thermische vernietiging van de basisolie als gevolg van lokale elektrische storingen van de smeerfilm werden gedetecteerd in het proliter-smeermiddel.
4. Onderzoek naar de grondoorzaken
De Ishikawa-diagrammethode en de faalboomanalyse werden gebruikt om de reeks gebeurtenissen te bepalen die tot het ongeval hebben geleid. De belangrijkste factoren zijn onderverdeeld in vier categorieën: elektrische parameters, mechanisch ontwerp, smeerconditie en aarding.
De spanningsstijging (dv/dt) creëert een capacitief potentieel op de as. Wanneer de spanning op de as de doorslagsterkte van de vetwig in het lager overschrijdt (meestal 10 V tot 30 V, afhankelijk van de filmdikte en viscositeit), treedt er een micro-ontlading op. Dit proces wordt miljoenen keren per uur herhaald, waardoor het metaal op microniveau smelt.
5. Geïdentificeerde grondoorzaken
Volgens de resultaten van het onderzoek werden drie belangrijke redenen met een verschillende waarschijnlijkheid van voorkomen geïdentificeerd:
- Gebrek aan effectieve hoogfrequente egalisatie van potentiëlen en stroomvoerende borstels (waarschijnlijkheid: 60%). Hoogfrequente lagerstromen vonden hun weg door rollende lichamen in plaats van door speciale systemen voor het verwijderen van lading.
- Inconsistentie van filterparameters aan de uitgang van de IF (waarschijnlijkheid: 25%). De afwezigheid van motorfilters (dv/dt-filters of sinusfilters) aan de uitgang van de Rexroth HMS01 leidde tot een kritische waarde van de stijgende snelheid van het pulsfront.
- Onjuiste aardingsgeometrie van de voedingskabel (waarschijnlijkheid: 15%). De motorkabelafscherming was aangesloten met behulp van een "pigtail" in plaats van een 360 graden ronde EMC-klem, waardoor de effectiviteit van de afscherming van HF-interferentie werd verminderd.
- Onmiddellijke oplossing: Er is een met koolstofvezel gecoate asgrondborstel geïnstalleerd om de spanning veilig van de rotor naar het motorhuis over te brengen. De hermontage van de stroomkabelafscherming werd uitgevoerd in overeenstemming met de vereisten van de EN 60204-1-norm (gebruik van EMC-afdichtingen met volledig cirkelvormig contact).
- Langetermijnpreventie: Er is een dv/dt-filter gemonteerd op de uitgang van de Rexroth-servocontroller om de spanningsstijging te verminderen tot onder 500 V/μs volgens de aanbevelingen van IEC/TS 60034-25.
- Onderhoudsintervallen: Inspecteer de staat van de aardingsborstels van de as elke 2000 bedrijfsuren.
- Conditiemonitoring: Implementeer continue monitoring van hoogfrequente trillingen (Envelope Analysis) om putjes in een vroeg stadium te detecteren (mate van schade volgens ISO 13373).
- Modernisering van het ontwerp: Wanneer u nieuwe motoren kiest die met Rexroth-omvormers werken, moet u wikkelingen vereisen die voldoen aan de IEC 60034-18-41-normen (weerstand tegen impulsspanningen) en het gebruik van geïsoleerde lagers (met keramische rollichamen of ringcoating van aluminiumoxide).
- IEC/TS 60034-25: Roterende elektrische machines — Deel 25: Elektrische wisselstroommachines ontworpen voor de voeding van frequentieomvormers.
- EN 60204-1: Veiligheid van machines — Elektrische uitrusting van machines — Deel 1: Algemene eisen.
- ISO 10816-3: Mechanische trillingen — Evaluatie van machinetrillingen door metingen aan niet-roterende onderdelen.
- Bosch Rexroth AG: Technische documentatie voor HMS01 servoaandrijvingen, handleiding DOK-INDRV*-HMS01******-PR03-EN-P.
- IEEE Std 43-2000: IEEE aanbevolen praktijk voor het testen van de isolatieweerstand van roterende machines.
6. Corrigerende acties
Er is een complex van onmiddellijke en langetermijnmaatregelen ontwikkeld om de geïdentificeerde defecten te elimineren en herhaalde ongevallen te voorkomen:
7. Snelle diagnosekaart voor buitendienstmonteurs
Deze tabel-checklist is bedoeld voor technische specialisten die rechtstreeks in de werkplaats een audit van aandrijfsystemen uitvoeren:
| № | Validatieparameter | Methode/Hulpmiddel | Normatieve waarde |
|---|---|---|---|
| 1 | Spanning op de motoras | Oscilloscoop + koolborstel-neustrekker | < 15 V (piekwaarde) |
| 2 | Aardingsweerstand van de behuizing van de omvormer | Micro-ohmmeter (ISO 27668) | < 0,1 Ohm |
| 3 | EMC-kwaliteit van de kabelverbinding | 360° visuele inspectie van klemmen | Volledig rond contact zonder "pigtails" |
| 4 | Hoogfrequente trillingen van lagers | Vibroanalyzer (envelopspectrum) | Versnelling < 0,5 g in het bereik van 5-10 kHz |
| 5 | Staat van smering | Valtest / analyse van slijtagedeeltjes | Afwezigheid van deeltjes > 5 μm en metaalachtige glans |
| 6 | Lagermontagetemperatuur | Pyrometer / thermokoppel (ISO 10816) | < 85°C (afhankelijk van de isolatieklasse) |
| 7 | De aanwezigheid van filters op de IF-uitgang | Inspectie van het bedieningspaneel | Beschikbaarheid van dv/dt- of sinusfilter voor kabellengte > 15 m |
| 8 | Isolatieweerstand van motorwikkelingen | Megohmmeter (1000 V DC) | > 100 MΩ (volgens IEEE 43) |
8. Preventiestrategie
Om de betrouwbaarheid van apparatuur bij Oekraïense industriële ondernemingen te garanderen, is het noodzakelijk om de volgende stappen in de onderhoudsvoorschriften te integreren:
9. Conclusie
Voortijdige lagerstoringen als gevolg van EDM-stromen zijn een systemisch probleem bij het gebruik van moderne snelle PWM-omvormers zoals de Rexroth HMS01. Een alomvattende benadering van het ontwerp van de elektrische aandrijving, die een goede afscherming, filtering van het uitgangssignaal en het gebruik van apparaten voor het verwijderen van de lading van de as omvat, stelt u in staat elektro-erosieve slijtage volledig te elimineren. Raadpleeg onze catalogus om compatibele componenten, filters en beveiligingsapparatuur te selecteren. Bekijk het volledige assortiment in de sectie UNITEC-D E-Catalog.
