1. Introdução
Em uma das empresas de engenharia pesada da Ucrânia, durante uma inspeção de rotina do acionamento principal da linha de produção, foi registrada uma falha prematura do rolamento de rolos cilíndricos do motor CA. O equipamento funcionou como parte de um complexo modernizado sob o controle do servocontrolador Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN. O tempo de operação do nó foi de apenas 4.200 horas, em vez do indicador de recurso MTBF projetado de 40.000 horas. A natureza da destruição das pistas e dos elementos rolantes indicou que a EDM (Electrical Discharge Machining) induziu tensões em fase de alta frequência do sistema de acionamento de modulação por largura de pulso (PWM).
2. Visão geral do componente
O servocontrolador Rexroth HMS01.1N-W0030-A-07-NNNN é um conversor de frequência (IF) de alto desempenho projetado para controlar motores industriais síncronos e assíncronos. Ele gera potência de saída usando transistores IGBT com alta taxa de pulso (dv/dt) que geralmente excede 10 kV/μs. Nesta arquitetura, os mancais do motor estão em risco devido ao acoplamento capacitivo entre o enrolamento do estator, o rotor e a carcaça da máquina aterrada.
Condições operacionais da unidade estudada:
- Tensão nominal do link de corrente contínua: 700 V DC.
- Frequência de comutação do inversor: 8 kHz.
- Temperatura de operação da blindagem do mancal: +75°C.
- Carga radial: 12 kN.
3. Provas de recusa
A equipe de diagnóstico realizou uma análise espectral de vibração e inspecionou o rolamento desmontado. Os seguintes sintomas foram registrados:
- Dados de vibração: No espectro de vibração (acelerômetro com faixa de até 10 kHz), surgiram harmônicos de alta frequência e modulações na frequência de chaveamento do IF (8 kHz) na faixa de alta frequência (HFE). O nível de vibração na banda de 5–10 kHz aumentou 4,5 vezes em comparação com os valores basais.
- Inspeção visual: Nas pistas de corrida dos anéis externo e interno, foram encontradas crateras microscópicas (pitting) com densidade de até 50 peças/mm². A superfície dos corpos rolantes adquiriu uma tonalidade cinza fosca (desgaste ou ondulação “ondulada”).
- Análise de lubrificante: Pó de metal (tamanho de partícula inferior a 5 μm) e sinais de destruição térmica do óleo base devido a falhas elétricas locais do filme lubrificante foram detectados no lubrificante proliter.
4. Estudo das causas raízes
O método do diagrama de Ishikawa e a análise da árvore de falhas foram utilizados para determinar a cadeia de eventos que levou ao acidente. Os principais fatores são divididos em quatro categorias: parâmetros elétricos, projeto mecânico, condição de lubrificação e aterramento.
A taxa de aumento de tensão (dv/dt) cria um potencial capacitivo no eixo. Quando a tensão no eixo excede a resistência à ruptura da cunha de graxa no rolamento (normalmente 10V a 30V dependendo da espessura e da viscosidade do filme), ocorre uma microdescarga. Este processo é repetido milhões de vezes por hora, derretendo o metal em um nível micro.
5. Causas raiz identificadas
De acordo com os resultados do exame, foram identificados três motivos principais com diferentes probabilidades de ocorrência:
- Falta de equalização eficaz de alta frequência de potenciais e escovas condutoras de corrente (Probabilidade: 60%). Correntes de rolamento de alta frequência encontraram seu caminho através de corpos rolantes em vez de sistemas especiais de remoção de carga.
- Inconsistência dos parâmetros de filtragem na saída do IF (Probabilidade: 25%). A ausência de filtros de motor (filtros dv/dt ou filtros senoidais) na saída do Rexroth HMS01 levou a um valor crítico da velocidade de subida da frente de pulso.
- Geometria de aterramento do cabo de alimentação incorreta (Probabilidade: 15%). A blindagem do cabo do motor foi conectada usando um "pigtail" em vez de uma braçadeira EMC circular de 360 graus, o que reduziu a eficácia da blindagem de interferência HF.
- Correção imediata: instalação de uma escova de aterramento do eixo revestida com fibra de carbono para transferir com segurança a tensão do rotor para a carcaça do motor. A remontagem da blindagem do cabo de potência foi realizada de acordo com os requisitos da norma EN 60204-1 (utilização de vedações EMC com contato totalmente circular).
- Prevenção de longo prazo: Montado um filtro dv/dt na saída do servocontrolador Rexroth para reduzir a taxa de aumento de tensão abaixo de 500 V/μs de acordo com as recomendações IEC/TS 60034-25.
- Intervalos de manutenção: Realizar a verificação do estado dos escovas de aterramento a cada 2 000 horas de funcionamento.
- Monitoramento de condição: Implemente o monitoramento contínuo de vibração de alta frequência (Análise Envelope) para detectar corrosão nos estágios iniciais (grau de dano de acordo com ISO 13373).
- Modernização da construção: Durante a seleção de novos motores para operação com conversores Rexroth, é necessário cumprir os padrões IEC 60034-18-41 (resistência a tensões impulsivas) e utilizar mancais isolados (com corpos de rolagem cerâmicos ou revestimento de anéis com óxido de alumínio).
- IEC/TS 60034-25: Máquinas elétricas de rotação — Parte 25: Máquinas elétricas AC projetadas para alimentação de conversor de frequência.
- EN 60204-1: Segurança de máquinas — Equipamento elétrico de máquinas — Parte 1: Requisitos gerais.
- ISO 10816-3: Vibração mecânica — Avaliação da vibração da máquina por meio de medições em partes não girantes.
- Bosch Rexroth AG: Documentação técnica para drives servo HMS01, Manual DOK-INDRV*-HMS01******-PR03-EN-P.
- IEEE Std 43-2000: Prática Recomendada da IEEE para Teste da Resistência de Isolamento de Máquinas Rotativas.
6. Ações corretivas
Foi desenvolvido um conjunto de medidas imediatas e de longo prazo para eliminar os defeitos identificados e prevenir acidentes repetidos:
7. Cartão de diagnóstico rápido para engenheiros de campo
Esta tabela de lista de verificação foi projetada para especialistas técnicos que realizam uma auditoria de sistemas de acionamento diretamente na oficina:
| № | Parâmetro de validação | Método/Ferramenta | Valor normativo |
|---|---|---|---|
| 1 | Tensão no eixo do motor | Osciloscópio + extrator de ponta de escova de carbono | < 15 V (valor de pico) |
| 2 | Resistência de aterramento da carcaça do inversor | Microohmímetro (ISO 27668) | < 0,1 Ohm |
| 3 | Qualidade EMC da conexão do cabo | Inspeção visual de 360° dos grampos | Contato circular completo sem "pigtails" |
| 4 | Vibração de rolamentos de alta frequência | Vibroanalisador (espectro envelope) | Aceleração <0,5 g na faixa de 5-10 kHz |
| 5 | Condição de lubrificação | Teste de queda/análise de partículas de desgaste | Ausência de partículas > 5 μm e brilho metálico |
| 6 | Temperatura de montagem do rolamento | PIROMETRO / TERMOPARE (ISO 10816) | < 85°C (dependendo da classe de isolamento) |
| 7 | A presença de filtros na saída IF | Inspeção do painel de controle | Disponibilidade de filtro dv/dt ou senoidal para comprimento de cabo > 15 m |
| 8 | Resistência de isolamento dos enrolamentos do motor | Megôhmetro (1000 V DC) | 100 МОм (conforme IEEE 43) |
8. Estratégia de prevenção
Para garantir a confiabilidade do equipamento nas indústrias ucranianas é necessário integrar os seguintes passos ao regulamento de manutenção técnica:
9. Conclusão
Falhas prematuras de rolamentos devido a correntes EDM são um problema sistêmico na utilização de inversores modernos e rápidos, tais como o Rexroth HMS01. Abordagem abrangente no projeto do motor elétrico, que inclui o correto blindagem, filtragem do sinal de saída e uso de dispositivos de descarga do eixo, permite eliminar totalmente o desgaste eletroerosivo. Para seleção de componentes compatíveis, filtros e meios de proteção, consulte nosso catálogo. Conheça o completo catálogo no capítulo UNITEC-D E-Catalog.
