fallas en el rotor del motor de inducción tipo jaula de ...montealegre, titulada (análisis de...
TRANSCRIPT
FALLAS EN EL ROTOR DEL MOTOR DE INDUCC¡ÓN TIPO JAULA DE
ARDILLA: CAUSAS, ANÁLISIS Y METODOS DE DETECCIÓN
JESÚS MARIA BEDOYA ARANGO
JAVIER IÓPEZ TELLO
lrrlv.rtldrd tutónom¡ d¡ 0c¡it¡al¡sEOctuN EiSrt0rtc^
02'7539
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
DIMSIÓN DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERíN EIECTRICA
SANTTAGO DE CAL| c1ee7 Ñ
f ql ",3rYd3, o
ró' ilil¡üüijilililfril¡nilril BF_
I
FALIáS EN EL ROTOR DEL MOTOR DE INDUCCIÓN T|PO JAULA DE
ARDILLA: CAUSAS, ANALISIS Y MÉTODOS DE DETECCIÓN
JESÚS MARíA BEDOYA ARANGO
JAVIER LÓPEZTELLO
Director
ENRIQUE CIRO QUISPE OQUEÑA
lngeniero Eledricista M. Sc.
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
DMSIÓN DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERÍN CIECTRICA
SANTIAGO DE CALI
1997
I
6Zt. 3JoqZó?Qa ¡"lC-J
rI
c,/\
t
\
Nota de Aceptación
Aprobado por el comité de grado encumplimiento de los requisitos exigidospor la Corporación UniversitariaAutónoma de Occidente para optar altitulo de Ingeniero Electric¡sta.
'a{c>Z>
Jurado
ñV\C/
onq(11\l
op\
dl-\
I
-¡\
clJ
Uñ
¡
rII
Santiago de Cali, Diciembre de 1997
ul
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos:
A: Enrique Ciro Quispe Oqueña, 1.E., M. Sc., profesor de la Corporación
Universitaria Autónoma de Occidente (C.U.A.O.).
A: Todas las personas que de una u otra forma colaboraron en el
desanollo de nuestro trabajo de grado.
A: DORIS PAREJA BEDOYA por su valiosa colaboración.
lv
DEDICATORIA
Hoy, que tengo la grande Victoria en mis manos, se la dedico con mucho
Amor a mi querido padre, JOSÉ OMAR BEDOYA, que desde el comienzo
de mi carrera me brindo su amor, apoyo y fe los cuales contribuyeron a mi
formación, a mi madre ISABEL ARANGO, aunque no esté en este
momento conmigo, ni pueda hacerlo durante mi existencia, por que
Nuestro Dios Padre Todopoderoso y el destino así lo determinaron, quiero
que sepa que todo el esfuezo y empeño que coloqué para lograr este
triunfo se lo debo al Amor que siempre nos profesó.
A mis hermanos FHARIDE y OMAR ANDRÉS quienes con paciencia y sin
perder nunca las esperanzas me brindaron su apoyo durante toda mi
carera.
A mis hijos, INGRID VIVIANA y JUAN DAVID, les brindo mi esfuerzo,
dedicación y Victoria. Siembren sus estudios en el presente, y cosechen
sus triunfos y Victorias para el futuro, de sus vidas.
Jesús Marfa.
DEDICATORIA
A mi madre MARY TELLO BECERRA, y a mi padre JAVIER LÓPEZ
SÁtlCHfZ que con su apoyo, dedicación y sacrificios brindados
contribuyeron a que llevara afeliz término esta canera.
A mis hermanos MARTBEL LOPEZ TELLO y JUAN CARLOS LÓqEZ
TELLO.
A mi novia ALEXANDRA OBANDO HERNANDEZ.
A mis parientes y amigos que fueron fieles testigos de mis esfuezos y
triunfos.
A todas las personas que de una u otra forma contribuyeron a la
culminación de este trabajo.
vl
JAVIER.
0.
0.1
o.2.
0.3.
1.
1.1.
1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.
1.1.4.
1.2.
1.2.1
1.2.2.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
ANTECEDENTES
PLANTEAMIENTO
OBJETIVOS
CAUSAS DE FALLAS EN EL ROTOR
ESFUEMOS TERMICOS
Sobrecargas térmicas
Desbalance térmico
Puntos calientes y pérdida excesiva
Chisponoteo del rotor
ESFUERZOS MAGNEICOS
Efectos e lectromagnéticos
Esfuerzo magnético desbalanceado
Pág.
1
2
2
3
5
5
5
7
10
12
16
16
18
1.2.3.
1.3
1.4.
1.4.1.
1.4.2.
1.5.
1.6.
2.
2.1.
2.1.1.
2.1.2.
2.2.
2.3.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
4.
4.1.
4.2.
Ruido y vibración electromagnética
ESFUEMOS RESIDUALES
ESFUERZOS DINAMICOS
Torques del eje
Esfuerzos cíclicos
ESFUERZOS DEL AMBIENTE
ESFUEMOS MECÁNICOS
CAUSAS DE FALIáS EN LOS RODAMIENTOS
FUENTES DE VOLTAJE DE EJE
Electromagnético
Falta de simetría magnética en un devanado eléctrico
I NSTALACIÓN I NADECUADA
ERRORES DE DISEÑO Y FABRICACIÓN
ANALISIS DE FALLAS EN EL ROTOR
CLASES DE FALLAS
PATRONES DE FALLA
APARIENCIA GENERAL DEL MOTOR
TIPO DE APLICACIÓN
HISTORIA DE MANTENI MI ENTO
ANÁLISIS DE FALLAS EN LOS RODAMIENTOS
DESCASCARILTADO
ATASCAMIENTO
19
20
21
21
22
23
24
25
25
25
26
29
30
32
32
u35
36
37
39
42
42
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
5.
5.1.
5.1.1.
5.1.2.
5.1.3.
5.1.4.
5.1.5.
5.1.6.
6.
6.1.
6.1.1.
6.1.2.
6.1.3.
AGRIETAMIENTO Y FORMACIONES DE MUESCAS 43
MANCHAS, Y ASPEREZAS SUPERFICIALES 44
OXIDACIÓN Y CORROSIÓN 44
DESGASTE POR ROZAMIENTO CORROSIVO 45(FRETING)
DESGASTE
CORROSIÓN ELECTROLITICA
ABOLLADUMS Y RAYADURAS
DESLIZAMI ENTO O ARRASTRAMI ENTO
TIPOS DE FALLAS
FALLAS EN EL ROTOR
Daños térmicos
Daños magnéticos
Daños dinámicos
Daños mecánicos
Daños por el medio ambiente
Daños diversos
ENSAYOS PARA LA DETECCIÓN DE FALLAS
DETECCIÓT.I OC FALLAS EN EL ROTOR
Técnica de detección de voltaje inducido porexploradora
Técnica de detección de coniente del estator
Técnicas de detección torque armónicos
46
46
47
47
48
48
48
50
53
55
57
59
63
63
bobina 63
70
73
ix lhlvaFld¡d A!¡lónomi rt. rl(t'ia¡¡|.SICClt]¡t b'iÜrl0; t: ¡
6.1.4.
6.2.
6.2.1.
6.2.2.
6.2.3.
6.2.4.
6.2.5.
6.2.6.
5.2.7.
7.
Detección de banas quebradas en los motores deinducción utilizando la estimación de estados yparámetros
DETECCIÓru OC FALLAS EN LOS RODAMIENTOS
Detección de daños en el cojinete del motor utilizandomonitoreo de la coniente del estator
Prueba para medir potencial de eje por conientescirculantes
Prueba para medir los niveles posibles de corrientes deeje
Prueba para medir la resistencia de aislamiento de los 91cojinetes
Grabaciones usando una bobina telefónica transductora 93
Mediciones de campo magnético 93
Reconocimiento de corrientes circulantes en el eje 94
CONCLUSIONES 98
B¡BLIOGRAFíA 1OO
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1O2
75
77
77
90
91
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Ff GURA 1. Máquina eléctrica generando corrientes de eje - la lalta 27de simetrías magnéticas en el estator o el rotor creanun potencial de voltaje de extremo a extremo del eje.
FIGURA 2. Generación de corriente de cojinete debido al flujo de 29eje axial causado por la falta de simetría magnética enlas máquinas eléctricas.
FfGURA 3. Distribución del campo a plena carga U
FIGURA.4 Voltaje de la punta del diente inducido en la bobina 67exploradora a 1760 rev/min, 460 V (L-L)
FIGURA 5. Voltaje inducido en la bobina exploradora de la cr.¡lata a 681760 rev/min, 460 V (L-L).
FIGURA 6. Voltaje inducido de la bobina exploradora extema a 691760 rev/min, 460 V (L-L)
F|GURA 7. Coniente del estator a 1760 rev/min, 460 V (L-L). 72
F|GURA 8. Oscilación del torque para un rotor libre de fallas y para 74un rotor con cinco banas.
FIGURA L Dimensiones de la bola del cojinete. 79
xt
FIGUM 10.
FIGUM 11.
FIGURA 12.
FIGURA 13.
FIGUM 14.
FIGURA 15.
Espectro de vibración (aceleración) de una maquina de g3inducción con c€lrga de cuatro polos con un orificio enla cuna externa del cojinete del final de eje (1OO-225Hz).
Espectro de corriente del estator de una máquina de g4inducción con carga de cuatro polos con un orificio enla cuna externa del cojinete delfinal de eje (30-155 Hz).
Espectro de coniente del estator de una máquina de g5inducción con carga de cuatro polos con un orificio enla cuna externa del cojinete del final de eje (155-280Hz).
Espectro de vibración (aceleración) de una máquina de 87inducción en vacío de 4 polos con brinelling de amboscojinetes (1 OO-225 Hz).
Especlro de coniente del estator de una máquina de 88inducción en vacío de 4 polos con brinelling de amboscojinetes (30-155 Hz).
Espectro de coniente del estator de una máquina de 89inducción en vacío de 4 polos con brinelling de amboscojinetes (1 55-280 Hz).
xll
RESUMEN
En este documento se estudian las fallas más comunes que ocurren en el
rotor del motor tipo jaula de ardilla, analizándolas y mencionando sus
causas. También se presenta una serie de pruebas prácticas que
permiten la detección de estas fallas y la identificación de sus causas.
Para una mejor comprensión del tema, en primer lugar se analizan las
causas de las fallas en el rotor y en los rodamientos, luego se presenta el
análisis de las fallas en el rotor, y en los rodamientos, finalmente se
mencionan algunas técnicas y ensayos para la detección de dichas fallas.
Este trabajo será de gran importancia y utilidad a ingenieros de planta que
tienen que realizar labores de mantenimiento y reparación de motores
eféctricos, con este trabajo se deja un precedente para las futuras
investigaciones a@rca de dichos temas en la medida que se realizan
nuevos estudios.
xlll
o. TNTRODUCCóN.
En los procesos industriales los motores de inducción de jaula de ardilla
cada vez se utilizan más debido a su gran aplicación y rendimiento, por lo
cual la producción depende en un alto grado de éstos,
La falla de una máquina eléctrica lleva a parar la producción y los
operarios, lo que representa pérdida de dinero para la industria; de los
diversos tipos de fallas, las fallas en el rotor son las más complicadas de
evaluar; por lo cr¡al este proyecto pretende hacer un estudio de las fallas
más frecuentes en el rotor del motor de inducción de jaula de ardilla, para
tener reconocimiento sobre el origen, detección y corrección de los
diferentes tipos de fallas. Este proyecto puede servir de ayuda en Ia
industria y a personas dedicadas al estudio de fallas en los motores de
inducción tipo jaula de ardilla.
0.1 ANTECEDENTES.
Las fallas en el rotor de los motores de inducción han existido desde que
este motorhizo su aparición, hace más de 100 años, sin embargo en los
últimos años se ha investigado las fallas en el rotor, estas investigaciones
se encuentran en artículos escritos en revistas especializadas sobre
temas eléctricos ylo electrónicos, entre las que encontramos IEEE
Transadions on Industry Applications, IEEE Energy Conversión, por
ejemplo encontramos autores como Austin H. Bonnet, George C. Soukup,
(Cause and Analysis of Rotor Failures), Nagrwa M. Elkasabgy, Anthony R.
Eastman, Graham E. Davr¡son (Detection of Broken Bars in the Cage Rotor
on an Induction Machine), entre otros a nivel de la Universidad Autónoma
se ha encontrado la tesis hecha por Jaime C. Colonia y Diego A.
Montealegre, titulada (Análisis de fallas en los motores eléctricos de
inducción), documento que trata en forma integral todas las fallas que
ocuren en los motores y por eso dicha tesis hace un estudio superficial
de las fallas en el rotor.
0.2 PTANTEAMIENTO.
La información sobre el tema de fallas en el rotor se encuentra solo en
revistas especializadas extranjeras, y en la biblioteca de la Universidad
Autónoma solo se ha encontrado la tesis "Análisis de fallas en los motores
eléctricos de inducc¡ón', por lo anterior este proyecto pretende estudiar en
forma detallada las causas, análisis y métodos de detección de fallas en el
rotor tipo jaula de ardilla, para luego presentar en forma condensada
cuales son las principales causas de estas fallas, este estudio se ha
basado fundamentalmente en bibliografÍa extranjera debido a que en
nuestro idioma no se encontró bibliografía especializada sobre eltema.
0.3 oB.JET|VOS.
OBJETIVOS GENERALES.
Realizar un estudio de las fallas que ocurren en el rotor y en los
rodamientos del motor de inducción tipo jaula de ardilla.
oa,ETrvos EsPEcfHcos.
Presentar criterios a seguir para la detección en forma rápida de fallas
en el rotor del motor de inducción tipo jaula de ardilla y en sus
rodamientos.
Conocer el origen de las fallas en el rotor del motor de inducción tipo
jaula de ardilla.
o Presentar los métodos usados en la detección de fallas.
o Presentar algunas técnicas y pruebas para la detección de fallas en el
rotor tipo jaula, y en sus rodamientos.
. Se tratarán las fallas más comunes que pueden presentarse en el rotor
tipo jaula.
I. CAUSAS DE FALI.AS EN EL ROTOR
En este capítulo se presentan los factores que originan las fallas en el rotor
tipo jaula de ardilla, entendiéndose como rotor el eje, el núcleo y la jaula.
1.1 ESFUERZOS TÉRM|GOS
Se denominan esfuetzos térmicos a los daños originados por las altas
temperaturas anormales presentes en el rotor, entre los factores que los
originan encontramos:
1.1.1 Sobrecargas térmicas. La sobrecarga térmica puede ocr¡nir durante
la aceleración, marcha o condiciones de parada. Podríamos considerar que
algunos motores desde un punto de vista térmico, son limitados por el rotor o
el estator, cuando el motor opera a velocidad nominal, la mayoría de
motores son limitados por el estator. La condición de parada tiene una gran
preponderancia para los daños del rotor en un corto período de tiempo y es
la más difícil de proteger usando relés térmicos. La mayoría de sensores
térmicos son instalados en el estator y en el momento que estos sensen el
calor del rotor, puede ser demasiado tarde.
Un rango de tiempo seguro en el afranque puede ser de unos pocos
segundos a unos cuantos minutos, dependiendo del diseño. Una buena
práctica es conocer esta información cuando sé esta planeando la
protección del motor contra condiciones de sobrecarga. Es recomendable
tener siempre tiempos de rotor bloqueado más grandes que los tiempos de
aceleración, esto no siempre es posible ni necesario. La mejor forma de
proteger el rotor de sobrecargas térmicas es con un dispositivo de relé
sensor de coniente, el cual censará las grandes corrientes asociadas con el
aranque y parada, también han sido utilizados conmutadores de velocidad
cero para permitir la protección contra la condición de parada, cuando el
tiempo de aceleración excede el tiempo de rotor bloqueado. Las causas
más comunes de fallas por sobrecargas térmicas son las siguientes:
. Un número anormal de ananques @nsecutivos, causando temperatura
excesiva en la bana o el anillo colector.
Parada del rotor debido a la alta sobrecarga intempestiva.
Falla en la aceleración del motor, hasta la velocidad nominal debido a la
intersección entre las curvas del torque de la carga y el torque del motor.
El rotor rozando al estator debido a la falla del rodamiento, el empuje del
rotor, o alta vibración anormal.
r Banas quebradas del rotor debido a la fatiga causada por el movimiento
de la bana o aumento térmico.
o Ventilación insuficiente debido a filtros taponados y/o pasajes de los
ductos.
Voltajes desbalanceados de fase y las correspondientes secuencias
negativas de corrientes con la superficie asociada de calentamiento del
rotor.
Las fallas del rotor debido a la sobrecarga térmica pueden ser detec*adas
por la inspección visual de la jaula del rotor (banas y anillo). A menudo
habrá signos de sobrecalentamiento, aún al exterior de la fusión del material
de Ia jaula. Frecuentemente el estator también podrá ser dañado por la
fundición de la jaula o por caída de material de soldadura.
1.1.2 Desbalance térmico. Es el aumento anormal de la temperatura y se
da en máquinas con fallas debido a su fabricación, diseño o a la operación
irregular por fuera de los límites normales de diseño. Los desbalances
térmicos pueden ser causados por los efectos debidos al ananque o marcha.
Las causas más comunes de las fallas por desbalances térmicos son las
siguientes:
Cuando la máquina esta sometida a arranques frecuentes se produce una
diferencia de temperatura en las banas de la jaula, debido al fenomeno
del desplazamiento de la coniente en las banas (hacia la zona del
entrehieno) originado por la variación de frecuencia en el proceso de
aranque (desplazamiento de la coniente de la bana.
Transferencia desigual de calor entre las banas del rotor y su núcleo
debido a la diferencia de coeficientes de conductividad (coef¡ciente del
material del rotor diferente al del núcleo de hieno).
Arqueamiento del rotor debido a cambios desiguales de almacenamiento
de porciones asociadas al ciclo térmico.
Pérdida de ajuste entre el núcleo del rotor y el eje debido a la expansión
térmica durante el ananque, causando vibración inestable.
Puntos calientes sobre la superficie del rotor debido a laminaciones flojas
o fricciones del rotor.
. Gradientes de temperatura debido a la circulación de corrientes
desiguales. Estas pueden ser generadas por rupturas y/o variación del
aislamiento o cortocircuito entre las banas del rotor.
Estas condiciones son más comunes en máquinas de altas velocidades que
tienen un rotor de gran longitud o gran diámetro radial. El problema esta en
comprender el hecho que la vibración puede ser aceptable durante la prueba
en vacío y no manifestarse hasta el comienzo del ciclo con carga. Por esta
raz6n, algunos fabricantes hacen pruebas de cargas en máquinas de altas
velocidades como parte de sus procedimientos de calidad. La conección de
este problema es difícil puesto que el desbalance de calor no siempre es
repetible, lo cual significa que perfeccionar el balanceo de la máquina
mientras este caliente puede no cofregir la situación. A través de los años,
los fabricantes han intentado un número de soluciones para esta condición y
esto incluyen tratamiento por calor, choques en frío, remaquinamiento, y la
liberación de tensiones mecánicas en el hieno.
Debe enfatizarse que hay otras causas del desbalance térmico o, al menos,
que hay un cierto número de teorías así como las que las causan.
0rlvrnld¡d Autónom¡ dc Occil¡rlrSECCI0¡I ElBLl0f tCA
l0
Por consiguiente, aúnque es relativamente fácil identificar las máquinas que
tienen problemas de vibración, las cuales son sensibles a la temperatura,
esto hace difícil identificar la causa exacta. Cuando ocuren problemas de
esta naturaleza, es recomendable que los fabricantes del motor sean
consultados debido a que el fabricante usualmente es el más entendido en
cr,¡anto a las características del producto y, más importante, son los que fijan
estas características.
1.1.3 Puntos calientes y pérdlda excesiva. Hay un número de variables
durante la fabricación, diseño o reparación del rotor que pueden causar
¡Érdidas impredecibles y puntos calientes.
Algunas de las variables que pueden caus€rr estas condiciones son las
siguientes:
Limadura de la laminación en la ranura o sobre la superficie del rotor.
Acortamiento inegular de las banas del rotor que entran en el área de la
ranura de las láminas.
Pobre apretamiento de la laminación: demasiada soltura, rebaba
excesiva, o carencia de simetría.
o Variación de ajuste entre las banas del rotor y la laminación.
1l
r Pérdida de Ia no uniformidad en la distribución de la laminación causada
por la inapropiada alineación o deficiente control durante el proceso de
laminación.
. Diseño inapropiado de la laminación.
o Malas conexiones de la bana al anillo.
Los fabricantes de motores, son capaces de detectar la mayor parte de estos
problemas por medio del control normal del proceso de inspección y prueba.
Una vez el motor está en el campo de acción es más difícil la detección. Sin
embargo, hay un número de pruebas que son útiles, incluyendo las
siguientes:
o Prueba usando el Growler.(o zumbador).
o Prueba como monofasico rotando el eje.
o Prueba de saturación en vacío.
¡ Prueba en marcha para banas abiertas o rotas.
o Pinturas sensibles a la temperatura.
. Prueba ultrasónica.
L2
Adicionalmente a lo anterior el monitoreo bajo carga midiendo ruido,
vibración, temperatura, coniente, vatios, y deslizamiento pueden ayudar a
verificar que el rotor esta libre de defectos.
1.1.4 Ghisporroteo en el rotor. Hay varias causas potenciales para que
ocura el chisponoteo en el rotor una vez este es fabricado. Algunas son de
naturaleza no destructiva, y algunas pueden Ilevar a falla el rotor.
El chisponoteo no destructivo puede ocunir durante la operación normal del
motor. Este chisponoteo normalmente no es observado debido a su baja
intensidad ylo a lo encenado del motor, evitando la observación. La
operación normal es definida como la de cualquier motor que pueda estar
sujeto a altibajos de voltaje, fluc{uación de la carga, perturbaciones de
conmutación, etc. Además de las razones antes mencionadas, usualmente
no es observado chisponoteo durante la marcha normal a plena carga por
varias razones. La fuerza centrifuga a velocidad de plena carga es
generalmente más grande que las fuerzas electromagnéticas actuantes en la
bana debido a Ia coniente de carga nominal y tiende a desplazar y mantener
la bana radialmente en la ranura. Además, la frecuencia en el circuito del
rotor es muy baja (igual a la frecuencia de deslizamiento). Esta baja
frecuencia @responde a la baja impedancia del circuito de la jaula del rotor,
l3
conf¡nando esenc¡almente toda la corriente del rotor a la jaula misma.
Aúnque es posible, normalmente no es observado chisponoteo durante la
operación a plena carga y velocidad.
Sin embargo, durante el ananque, la coniente en la jaula del rotor es cinco u
ocho veces la normal. Esta gran coniente combinada con la gran
impedancia de la jaula debido a que la frecuencia del rotor varía desde la
frecuencia de línea en el aranque a una frecuencia muy pequeña, causando
una caída de voltaje a lo largo de la longitud de la bana excedida en 8 veces
el valor de funcionamiento normal. Es este voltaje que tiende a enviar la
coniente a través de las laminaciones, en corto durante el ananque, son
actualmente dos circuitos paralelos: uno por medio de la barra del rotor y el
otro por medio de las laminaciones.
Las fuerzas magnéticas creadas por la elevada coniente que fluye durante el
arranque debido a que las banas del rotor vibran a una frecuencia
decreciente, anancando a 60 Hz, las cuales producen una fuerza de 12O
vibraciones/seg. Esta vibración primeramente radial, dentro de los confines
de las ranuras del rotor, causa intemrpciones intermitentes del flujo de la
coniente entre las banas y las varias porciones de las laminaciones,
resultando, en un arco visible.
t4
El proceso de diseño y fabricación para los rotores incluye mediciones
encaminadas a reducir el chisponoteo. Sin embargo, las tolerancias del
material y la fabricación, junto con los efectos de la expansión térmica
diferencial y el ciclo térmico excluirán a cualquier motor de una operación
libre de chispas. Motores idénticos o duplicados pueden, e incluso exhibirán
varios niveles de intensidad de chispa puesto que todas las partes
componentes tienen tolerancias y son térmicamente cíclicas durante la
operación.
El cfrisponoteo observado en el entrehieno es en realidad, pequeñas
partículas de bana y/o núcleo de hieno calentado a incandescencia por el
paso de coniente a través de los límites de las banas de hieno. Sin
embargo, partículas generadas por chisponoteo intermitente debido al
movimiento de banas, no hará decrecer la vida del motor.
Un breve período de chisponoteo intenso, el cual puede ocunir durante el
aranque no es perjudicial para la vida del motor. Motores con casi 20 años
de esta operación, han sido desensamblados y revelan solamente una leve
marca de las banas del rotor en las áreas de contacto con el núcleo de
hieno. Sin embargo puede ocunir chisponoteo destructivo bajo varias
15
circunstancias, donde la más común es una bana partida o una conexión
defec{uosa entre el anillo y la bana.
El punto usual de rompimiento de la bana ocure en el área próxima donde
la bana se conecta al anillo. El rompimiento es precedido por unas grietas
radiales, empezando en el tope o en la base de la bana. Aúnque el
cfrisponoteo causado por las banas rotas (debido a esft¡erzos) es
usualmente de mayor intensidad que el previamente mencionado, aun es
difícil de detectarlo visualmente puesto que la mayorfa de carcazas de los
motores impide la observación del entrehieno.
Los métodos más @munes para determinar si el chisponoteo es causado
por rompimientos en las banas o rompimientos de las conexiones en el
anillo, son los siguientes:
r lnspección visual del ensamble del rotor, buscando laminaciones azulosas
etc.
o Golpear levemente las banas con un me7o, las banas flojas o rotas tienen
un sonido distinto.
Pulsación de coniente cuando la unidad tiene baja carga.
Prueba rotacional de fase simple.
l6
Prueba usando el Growler (o zumbador).
Prueba de desplazamiento del ángulo de fase.
Ruido escr¡chado durante el ciclo de ananque (sonido rápido).
La prevención de niveles avanzados de chisponoteo del rotor, es el
resultado del apropiado diseño de fabricación y la operación del motor.
1.2 ESFUERZOS TIAGNETIGOS
Son fuerzas magnéticas que se originan por un entrehieno no uniforme, al
no ser uniforme el campo magnético que lo atraviesa no es igual en toda el
área del entrehieno y como el rotor esta expuesto a fuerzas, este puede
flegar a desbalancearss, a continuación se mencionarán causas que
originan estos esfuerzos.
1.2.1 Efectos electromagnéticos. La acción de los enlaces de flujo de la
ranura, resultante de la coniente de barra, genera fuerzas electrodinamicas.
Estas fuerzas son proporcionales a la coniente del rotor al cr¡adrado (l') y
son unidireccionales. Estas tienden a desplazar las banas radialmente de
aniba hacia abajo de la ranura. Estas fuerzas hacen vibrar la bana al doble
de la frecr¡encia de la coniente del rotor. En consecuencia, producen
t7
deflexión o esfuerzos de doblamiento en la bana. Si la deflexión es lo
suficientemente alta resultará una falla de fatiga en la bana. Puede
mostrarse que la fuerza radial actuante en la barra del rotor causará una
deflexión durante el arranque que será más grande que la permitida por el
confinamiento normal de la ranura. Teóricamente la bana debe permanecer
en el centro de la ranura, lo que permitiría que los esfuerzos en el extremo
del conector de las barras sean mayores que el permitido por un simple
movimiento de la bana en la ranura.
Si se asume que la corriente permanece constante durante un tiempo de
aceleración a pleno voltaje de 11 seg, entonces utilizando el peor caso antes
dicho, el promedio del motor es confiable por aproximadamente 4000
aranques previos a la falla. Esto parece ser confirmada por motores
documentados en servicio donde la previsión no ha sido hecha para confinar
el movimiento de la bana en la ranura del rotor.
Se ha mostrado que los motores que utilizan rotores moldeados, banas
insertadas, o rotores con banas fundidas para evitar este movimiento, han
demostrado tener una capacidad de 50000 hasta 100000 ananques sin
ninguna falla reportada.
IE
1,2.2 Esfuerzo magnético desbalanceado. El esfuerzo magnético
desbalanceado es un problema potencial que puede causar que el rotor se
doble y acuñe al devanado del estator. En el motor "ideal" el rotor está
centrado en el entrehieno, y las fuerzas magnéticas son balanceadas y de
direcciones opuestas, sin causar las deflexiones del rotor. En la vida real,
los rotores no están perfectamente centrados en el entrehieno, cuestiones
tales como la excentricidad, el peso del rotor, desgaste de rodamiento, carga
de la banda y el alineamiento de la máquina (todos estos efectos están
localizados por fuera del centro del rotor.
De acr¡erdo a lo investigado por Nailen el entrehiero no uniforme ocure
cuando el entrehierro entre el rotor y el estator decrece de un lado mientras
en el otro aumenta. En un campo magnético altemo, el resultado de la
disminución del entrehieno es una fuerza de atracción a través del
entrehieno es más grande, es decir la reluctancia se reduce. La misma
coniente de magnetización en el devanado puede generar más flujo a través
del entrehieno, conduciendo todavía aun esfuerzo mayor. Al mismo tiempo
el entrehieno esta siendo incrementado en el lado opuesto de la máquina.
La reluctancia se vuelve más grande aquí de modo que el flujo y el esfuerzo
magnético se reducen. Ahora actúan fuerzas desbalanceadas sobre el rotor.
El mayor esfuerzo en el lado que tiene la menor brecha tendera a mover al
l9
rotor en esa d¡rección, haciendo la brecha aun más pequeña. El proceso
continuara hasta que la brecha se haga cero y el rotor entre en contacto con
el estator.
1.2.3 Ruido y vibración electromagnética. Además de los problemas de
entrehieno no uniforme, la excentricidad del entrehieno puede causar
problemas de ruido y/o vibración. La fuerza radial producida por los
armónicos del estator combinados con aquellos producidos por los
armónicos del rotor puede crear ruido y/o vibración electromagnética.
Hay cinco tipos básicos de excentricidad del entrehieno que pueden ocunir:
El diámetro extemo del rotor es exéntrico al eje de rotación.
El diámetro intemo del estator es excéntrico.
El rotor y el estator no tienen el mismo eje de rotación.
El rotor y el eje están girando pero no tienen el mismo eje.
Cualquier combinación de los anteriores es aplicable.
Estas condiciones pueden o no causar una cantidad significativa de ruido y/o
vibración electromagnética. El ruido de carga máxima es usualmente tan
grande que puede ocunir sin carga.
20
1.3 ESFUERZOS RESIDUALES
Son pequeñas partes de material que quedan después de la fabricación,
modelamiento, soldadura, apilamiento y las operaciones de
remaquinamiento, estas pequeñas partes pueden conducir a fallas
prematuras, estos esfuerzos pueden estar presentes en olalquier plano (sea
radial o axial), y normalmente no son peligroeos para el rotor puesto que no
causan algún cambio significante en la geometría del rotor. En motores
grandes, se realiza un maquinamiento final con el objetivo de disminuir estos
esfuerzos.
Algunos fabricantes tienen aun pruebas de esfuerzos relevantes para reducir
el esfuerzo residual de la jaula del rotor. Ellos usualmente tomarán lugar
durante Ia transición entre la marcha en vacío y las condiciones de máxima
carga y pueden causar problemas de vibración, los cuales podrían no ser
notados marchando en vacio. En máquinas de alta velocidad, la mayoría de
los fabricantes proporcionan los medios para refinar el balanceo que puede
también permitir un balanceo en caliente si es necesario.
Como el caso de fatigas térmicas, los problemas de esta naturaleza deben
ser referidos al fabricante del motor.
2l
1.4 ESFUERZOS DINAT|GOS
Son originados por el trabajo a que se somete la máquina y por el
funcionamiento fuera de los límites normales del diseño.
1.4.1 Torques del eje. El rotor está diseñado para manejar torque en
ex@so de aquellos normalmente asociados con el torque del motor a plena
carga o parada. Cualquier torque por encima de estos niveles es
usualmente de corta duración y referido como un torque transitorio. Los
transitorios de torques ocr,trren comúnmente en los ananques, transferencia
de banaje, o recierres fuera de fase. También pueden ser generados por
cortas cargas del equipo de control o por operación sobre un inversor de la
potencia de suministro.
Por ejemplo, es posible generar torques de eje que son 20 veces el torque
del motor a plena carga por medio de una transferencia de banaje fuera de
fase. Es importante que el fabricante sea consultado cr.¡ando hay alguna
transferencia de este tipo de emergencia antes que el motor sea abierto y
que haya transcunido la constante de tiempo. Las aplicaciones que
involucran sobrecarga, tales como trapiches también deben ser identificados
de modo que se pueda diseñar con suficiente margen el rotor. También
22
pueden existir altos torques de eje, bajo condiciones de operación normal si
ocure una resonancia torcional. Esto es cierto especialmente en motores
de altas velocidades. Los motores pueden normalmente acelerarse
totalmente en forma satisfactoria a través de un primer sistema crítico, sin
embargo requerirán un análisis adicional si está operando sobre un inversor
de operación sostenido en la variación de velocidad posible.
1.4.2 Esfuerzos clcllcoe. Son debido a cargas no uniformes que ofrecen
una gran resistencia por cortos períodos de tiempo. El eje del motor puede
estar sujeto a esfuerzo cíclico que conduz@ a una eventual falla por fatiga.
El esfuerzo cíclico puede ser causado por la instalación inadecuada, tal
como desalineamiento entre el equipo de accionamiento, coreas sobre
apretadas, u holgadas. Cargas cíclicas de esta naturaleza deben ser
analizadas para lograr mantener una operación segura entre sus límites
seguros tener la certeza de una operación segura dentro de los límites.
Algunos esfuerzos inusitados tales como un cambio en el diámetro del eje,
deberán ser analizados para minimizar las concentraciones de esfuerzos,
será necesario eliminar los esfuerzos en el ensamble del eje. Para asegurar
que los esfuerzos de maquinamiento estén dentro de los límites aceptables.
23
1.5 ESFUERZOS DEL Ai'BIENTE
Son debidos al lugar de trabajo donde se encuentra funcionando la máquina.
Por conveniencia, se han definido algunas condiciones de medio ambiente
como esfi¡erzo que afectan la vida del rotor, los materiales extraños, los
cuales pueden causar abrasión u obstrucción de los ductos de ventilación,
pueden constituir un esfuerzo, también los químicos o mezclas las cr¡ales
atacarán y romperán los materiales básicos del rotor. Un buen ejemplo sería
la gran concentración de una solución muy cáustica que puede dejar marca
en alguna parte del aluminio de la jaula del rotor o el vapor de sulfuro, el
cual causaría deterioro de las aleaciones de la jaula. Los motores con
pequeñas aberturas (0.01'4.M') muestran que su rotor oxida las láminas
del estator cr¡ando tienen gran cantidad de humedad. La conosión es
también causa de desbalanceo de medidas al provocar pérdidas y estar
suspendida dentro del bobinado del estator con los resultados destructivos.
Guando existen condiciones ambientales ásperas, es una buena práctica
alertar al fabricante del tipo de ambiente al que el motor va ha ser expuesto.
Algunos fabricantes actualmente cubren los rotores para obtener una
protección adicional.
24
I.6 ESFUERZOS ilECÁNICOS
Son originados en la parte mecánica de la máquina debido a enores de
instalación, fabricación, remaquinamiento etc. Además para aquellas fallas
asociadas con los esfuerzos previamente mencionados, hay otra amplia
categoría de fallas que pueden ser agrupadas juntas bajo el encabezamiento
general de fallas mecánicas. Algunas de las más comunes incluyen Ias
siguientes:
o Porosidad de la fundición.
r Laminaciones flojas.
o Partes quebradas o fatigadas.
o Ajuste inconecto entre el eje y el núcleo.
. Geometría pobre del rotor/estator.
o Pérdida del entrehierro.
o Curvatura del eje del rotor.
o Falla de rodamientos.
o Desalineamiento.
o Materiales incorrectos.
. Resonancia del diente.
2. CAUSAS DE FALLAS EN LOS RODAMIENTOS
Entre las fallas de los rodamientos encontramos que las más comunes
tienen sus orígenes por fallas mecánicas (excentricidad del eje,
vibraciones, coreas no centradas o muy tensadas), también se pueden
presentar por fallas eléctricas (conientes de eje) y por medios ambientales
muy adversos (temperaturas muy altas, medio ambiente demasiado
polvoriento o conosivo).
2,1 FUENTES DE VOLTAJE DE EJE
Entre las fuentes de voltaje se en@ntró que para el motor de inducción
con rotor jaula de ardilla solo se aplican dos fuentes de voltaje de eje. A
continuación se verán estas fuentes.
2.1.1 Eléctrcrnagnético. Los voltajes de eje son generados por la
rotación de fuentes magnéticas residuales en la cubierta magnética, lo
cual es similar a Ia acción en un generador. La diferencia, sin embargo, es
26
que una máquina eléctrica tiene devanados de armadura con el fin de
transportar la coniente inducida, por el contrario el devanado secr.¡ndario
en las partes mecánica de la máquina es el cojinete, eje, empaque, etc.
Con el fin de generar voltajes de eje por este mecanismo, los siguientes
factores deben estar presente [1]
. Una fuente de alto magnetismo residual posiblemente el rotor,
cojinetes, carcazas, etc.
Superficie de velocidad relativamente alta tal como la que se encr¡enta
en las turbomáquinas.
Un circr¡ito magnético cenado de baja reluctancia.
. Espacios libres muy pequeños a través de los cuales el voltaje se
puede descargar.
2.1.2 Falta de simetrfa magnética en un devanado elóctrico. Hay dos
situaciones que pueden resultar en un voltaje siendo generado desde esta
fuente, con la primera causando un voltaje de eje de extremo a extremo y
el segundo creando un flujo de eje de extremo a extremo. El primer tipo
es el más comúnmente encontrado y resulta cuando las máquinas
eléctricas tienen falta de simetría debido a las tolerancias normales de
fabricación. Como resultado, se presenta un voltaje de eje en todas las
máquinas eléctricas en varios grados. Resultan de una pequeña cantidad
de enlaces de flujo magnético que pasan a través del eje creando un
27
potencial de voltaje de extremo a extremo; vea la figura 1. Debido a que
la fuente tiene impedancia muy baja, una gran coniente @ría fluir a
través de los cojinetes, la armadura de la máquina, y la base y respaldo
del otro extremo del eje, por tanto completando su circuito. El método
para evitar las conientes de eje es aislar el cojinete extremo de modo que
la coniente circulante sea intem.rmpida. Esto, de acr.rerdo, no eliminará el
voltaje de eje, sin embargo ya que el camino de retomo es bloqueado por
el aislamiento, la cola entera es protegida de la fuente de voltaje.
OPTIE¡TOAL I.AIX'DEA(]OTTAM|TO
LIU¡ODEACOPLAXEITO
RfltAEfi{T(}Atr[.l|I)o(5I TEAPLTCA)
FIGURA 1. Máquina eléctrica generando conientes de eje - la falta de simetñastípicas en el estator o el rotor, crean un potencial de voltrje de extremo a efremo del eje.
Es sorprendente como muchas fallas del cojinete ocuffen de la falla de
simetría magnética del motor cuando los medios de conecc¡ón no han
cambiado en los pasados 100 años. Si el voltaje de eje no es sustancial,
el aislamiento puede no ser adecuado para solucionar los problemas. La
mayoría de fallas, sin embargo, ocure por el corto inadvertidamente del
28
aislamiento por la instalación de cojinetes no aislados RTD's, TC's,
bombeo de aceite, etc. Además, el aislamiento del cojinete a menudo es
desviado por la fricción del sello; por tanto, la integridad del aislamiento
estático normalizado no siempre chequea los problemas potenciales
descubiertos. Las mediciones de voltaje de eje y coniente son más
benéficas en determinar la cordición de aislamiento del cojinete.
El segundo tipo de falla de simetría magnética crea un paso de flujo
axialmente a lo largo del eje, a través del cojinete, por medio de la
armadura, y completando el circuito magnético por medio del otro cojinete
del eje. Este flujo a;<ial es generado típicamente debido a Ios amperios-
vuelta que enlazan el eje (semejante a una conexión de devanado
asimétrico), anillo seccionalizado, banas del rotor abiertas, y en menos
extensión, a uniformidades del entrehieno. La trayectoria de coniente
resultante es muy diferente de la del ejemplo previo puesto que fluye
dentro de los cojinetes individuales de extremo a extremo. Como
resultado, el aislamiento del cojinete tendrá otra pequeña consecr.rencia
que incrementara ligeramente la reluctancia en la tayectoria del flujo.
Con el fin de aislar verdaderamente esta fuente, debe ser colocada una
banera no magnética en el circuito magnético semejante a la instalación
de cojinetes no magnéticos, las @r@z:rs de los cojinetes, y/o el eje. La
figura 2 demuestra las trayectorias del flujo y la coniente resultante de
esta fuente.
OPTIESTO ^iI. LADO DE
AC(PT¡AIEITÍ}
ROI¡ATE{TO.¡IF¡ADO(flsaPrrca)
29
LITDODEACOPLJIE{TO
cfrnElrTEf LotsR(xrAxlErTos
FIGURA 2. Generación de coniente de cojinete debido alflujo de eje axial causdopor la falta de simetría magnética en las máquinas elécÍricas.
2.2 INSTATAGÉN INADEGUADA
Esfuerzos mecánicos anormales causados por defectos de alineamiento o
exces¡va tensión entre las fajas pueden causar el calentamiento de los
rodam¡entos y el eje. Así, mismo, debe cons¡derarse que una polea muy
ancha o de diámetro muy pequeño deterioran los rodamientos y en
algunos casos conducen a la fractura de los ejes.
El desalineamiento de los acoplamientos y chumaceras originan fuerzas
axiales y radiales, estas a su vez originan la vibración.
llflrr¡sid¡d Aútfnorta rb (:kr¡aütastcür0N 8lBLt0itcA
30
Por carga axial excesiva ocasionada por desalineamiento del eje y los
cojinetes del motor, por desalineamiento delacoplamiento enke el motor y
la carga o porfajas y cadenas muy tensadas.
El accionamiento por faja, cable o cadena defectuosos, pueden originar
vibraciones y hasta golpes por los empalmes de las ccrreas (son más
intensas cuando más pequeño es el diámetro de la polea, entonces la
velocidad es mayor y menor la longitud de la faja).
Los desajustes entre las patas del motor y su esúuc{ura o cimiento
ocasionará que el motor vibre sobre éste.
2.3 ERRORES DE D|SEÑO Y FABRICAC|ÓN
Entre las causas de fallas debido a estos erores encontramos las
siguientes:
o La ausencia de engrase, la lubricación insuficiente o excesiva y el uso
de una grasa inadecuada produce un calentamiento en los
rodamientos.
o Rodamientos suMimensionados o con defectos de fabricación
tolerancias incorrectas en el mecanizado de los alojamientos o
31
lubricante inapropiado causarán calentamiento en los rodamientos y en
el eje.
o Pemos flojos en la tapa de los rodamientos.
o Ajustes inadecr¡ados entre el cojinete y los asientos de los mismos.
3. ANAUSIS DE FALI.AS EN EL ROTOR
Se estudiarán las diferentes causas que pueden llevar a fallar el rotor y como
estas afectan su funcionamiento, batando de llegar a @nocer sus principios
o elementos que las causan. Hay cinco áreas claves que deben ser
consideradas y relacionadas una u otra con el ftn de diagnosticar
exactamente la causa de fallas del rotor, se hará una descripción de cada
una de ellas.
3.1 CLASES DE FALLAS
Son los diferentes tipos de fallas existentes en las máquinas. Con respecto a
la causa de la falla, la clase actual de falla puede ser clasificada en los
siguientes grupos:
33
Eje.
Rodamiento.
Laminación.
. Jaula de ardilla.
Sistema de ventilación.
Estator.
. Cualquier combinación de los anteriores.
En el análisis de fallas del rotor es difícil de determinar q.¡al de estos factores
fue el problema inicial y cuales son los resultados del problema.
Un ejemplo simple ilustrará este punto. Un motor de 360O rev/min, 5@ hp,
tiene un eje curvado causando vibración que periudica los cojinetes lo cr.¡al
resulta en la pérdida del entrehieno mientras marcha. El rotor golpea el
estator sobrecalentando ambas laminaciones del rotor y el estator, junto con
los devanados primario y secundario. La bana de aluminio del rotor se funde
y es tirada en el devanado del estator y causa una falla línea a línea que para
la máquina. Aúnque la inspección pude revelar seis dases de falla, la falla
en el eje fue el problema inicial, y los otros fueron los resultados de este
problema. Desafortunadamente debido a la naturaleza destructiva de la
fuerza, a menudo es difícil separar la causa delefec'to.
34
3.2 PATRONES DE FALI.A
Son los modelos de falla que se presentan en el rotor y pueden ser
clasificados en los siguientes grupos donde se relaciona las varias tensiones
operantes en la máquina y están estrechamente relacionado a la dase de
falla.
o Térmico.
o Magnético.
. Residual.
o Dinámico.
o Mecánico.
o Ambiental.
Combinando la clase y el patrón de la falla puede proporcionar indicios, así
como la causa de la falla.
35
3.3 APARIENCIA GENERAL DEL MOTOR
Cuando esta unido con la clase y modelo de falla la apariencia general del
motor usualmente da indicio de la posible causa del daño. La siguiente lista
de inspección será útil en la evaluación & las condiciones del montaje:
o ¿El rotor muestra algún material extraño?
o ¿Hay algunas señales de obstrucción en el paso de ventilación?
o ¿Hay señales de recalentamiento en las láminas, baras, pintura de la
superficie?
o ¿Tiene el rotor laminación o eje rayado? Registre todos los sitios que
contacten con el rotor.
r ¿Hay señales de parada del rotor?
o ¿Fue cambiado el rotor durante el daño?
o ¿Cuál era la dirección de rotación, y esta concr¡erda con la adaptación del
ventilador?
o ¿Hay algunas partes mecánicas extrav¡adas tales como balances, pesos,
dientes del rotor, alas de ventilador, etc?
o ¿Hay libre orientación para rotar y operar como se destinó?
o ¿Hay alguna señal de humedad presente en el montaje de rotación o
contaminación por el lubricante del rodamiento?
36
¿Hay algunas señales de movimiento entre el núcleo del rotor y el eje o
bana y laminación?
¿Esta el sistema de lubricación como se destinó o ha tenido escape de
lubricante?
Cuando se analizan las fallas del rotor, es de mucha ayuda hacer un
bosquejo del motor e indicar el punto donde ocunió la falla como también la
relación de las fallas tanto de la rotación y partes estacionarias, como
ranuras del eje etc.
3.4 TIPO DE APLICACÉN
Usualmente, es dificultoso reconstruir las condiciones de operación actual al
momento de la falla. Sin embargo, un conocimiento de las condiciones
generales de operación podrá ayudar. La siguiente lista puede ser
considerada:
¿Cuáles son las cargas características del equ¡po de transmisión y la
carga en el momento del daño?
¿Cuál es la secuencia de funcionamiento durante el inicio o proceso del
daño?
37
o ¿Cuál es el ciclo de carga o vibración?
r ¿Cuál es el voltaje durante el ananque y operación?
o ¿Cuál es el tiempo de ananque del motor?
o ¿Tiene otros motores o equipos dañados en esta aplicación?
r ¿Cuántas unidades están operando satisfactoriamente?
o ¿Cuánto tiempo ha tenido la unidad en servicio?
o ¿La unidad se daña parada u operando?
r ¿Cuántas veces esta la unidad encendida, y es operada manual o
automáticamente?
o ¿Qué tipo de protección se ha suministrado?
o ¿Dónde esta la unidad local y cr.¡ales son las condiciones normales del
medio ambiente?
o ¿Cuál es la temperatura ambiental al momento del daño?
o ¿Cuáles eran las condiciones del medio ambiente al momento del daño?
o ¿La base del montaje esta conecta para sostener exacÍamente el motor?
3.5 HISTORIA DE MANTENII'IENTO
Es el seguimiento de la vida de operación del motor, y este puede dar una
buena indicación sobre la causa del problema. Además, esta lista puede ser
util:
38
o ¿Cuánto tiempo ha tenido el motor en servicio?
o ¿Ha tenido registro de otro motor dañado, y cuál fue la naturaleza de los
daños?
o ¿Cuáles daños en el equipo (de transmisión, de mando) han ocr¡nido?
o ¿Cuándo fue la última vez que se efectúo servicio de mantenimiento?
o ¿Qué factores operan (temperatura, vibración, ruido, etc.), antes del daño?
o ¿Qué comentarios recibió del operario respecto al daño?
o ¿Guánto tiempo estuvo Ia unidad en almacenam¡ento o p€rmaneció sin
uso antes de ponerla en marcha?
o ¿Cuáles fueron las condiciones de almacenamiento? Era un espacio
recalentado?
r ¿Cuántas veces ha sido parada la unidad?
o ¿Fu€ medida la resistencia de aislamiento de los devanados de la unidad
antes de ponerla en senricio?
o ¿Fue utilizado conectamente el procedimiento de lubricación?
4. ANAUSIS DE FALLAS EN LOS RODATIIENTOS
Aúnque la observación directa del funcionamiento de los rodamientos no
es posible, se puede tener una buena idea del comportamiento de ellos a
través de la supervisión e interpretación del ruido, la vibración, la
temperatura y la condición del lubricante. La mayoría de los motores
utiliza cojinetes de rodamientos. Cuando están adecuadamente
dimensionados para los esfi¡erzos axiales y radiales a que se someterán
en operación, la vida útil de un rodamiento puede ser de varios años.
Aproximadamente 7Oolo de los fallos de los motores resultan de problemas
en cojinetes de rodamientos; sin embargo, la gran mayoría de esos fallos
se debe al montaje inadecr¡ado de los rodamientos, la lubricación
inconecta o esfuerzos radiales excesivos.
Se debe evitar desmontar el motor para comprobar el estado de los
rodamientos, procediéndose a esa comprobación durante el
funcionamiento del motor por la auscr¡ltación del rodamiento. Se puede
hacer esto con un estetoscopio, un pedazo de madera dura o incluso un
Ilrlyrrrldad ¡utónome d? nccil..lrSÉ00|UN BibLr0 i ICA
¡10
destomillador. Un ruido continuo, de baja intensidad, indicará un
funcionamiento normal; por el contrario, un ruido agudo, penetrante,
indicará falta de lubricación y un ruido inegular, alto, indicará que las
esferas, rodillos o pistas están dañados. También se pueden detectar
precozmente los fallos en los rodamientos, utilizando analizadores de
vibración. En un análisis de vibración los instrumentos de pruebas
detectan la amplitud o frecuencia de la vibnación; para diagnosticar si la
vibración es excesiva.
Las fallas locales de los rodamientos producen una serie de impactos que
pueden excitar las resonancias en la estrudura del alojamiento del
rodamiento y la currcaza del motor. Estas resonancias son típicamente
entre 1 lü'tzy 20 Khz. Las frecr¡encias fundamentales reales asociadas a
los valores con que s€ repiten los impactos son registradas algunas
veces, pero generalmente son bajas en nivel y se pierden en las puestas
a tiena. Los problemas asociados a los rodamientos del tipo rodillo que
dan las componentes de frecr¡encia en el rango de interés para los
problemas del motor de inducción son debidos al giro y sacr¡didas
violentas del aceite; estos pueden dar componentes de una fracción (0,43
a 0,48) de R.P.M.
La excesiva soltura en los rodamientos tipo manguito, en las pistas de los
rodamientos, crean alguna iuerza de desbalance constituyendo la causa
4l
de la vibración. Quizás la frecuencia mas común de vibración asoc¡ada
con la soltura es 2*R.P.M.; sin embargo, frecuencias de gran orden tales
como 4 o aún 6*R.P.M. pueden ser generadas por condiciones de soltura
mecánica.
El desalineamiento de los rodamientos es otra causa común de vibración
a la frecuencia de 1*R.P.M.; sin embargo, cuando el desalineamiento es
severo pueden aparecer fecuencias de vibnación de 2*R.P.M. y algunas
veces de 3*R.P.M. pudiendo ser confundido con desbalance.
La manera más efectiva de determinar si un problema existe es la
comparación especfral entre un especÍro de vibración de coniente y el
espec{ro de la máquina en buenas condiciones. Los incrementos en las
componentes de frecuencia o la aparición de nuevas componentes son
los mejores indicadores que algo esta funcionando mal.
A continuación se describirán los daños en los rodamientos, que pueden
ser determinados por medio de una inspección visual, cori los
rodamientos parados y desensamblados.
42
4.1 DESCASCARILLADO
La superficie de las pistas empieza a desgastarse. Poco después se
hace notable la formación de ondulaciones.
Posibles Gausas.
o Cargas excesivas o manejo inapropiado.
o Montaje inapropiado.
o Precisión inapropiada en el eje o alojamiento.
o Juego insuficiente.
o Gontaminación.
o Oxidación.
o Disminución en la dureza debido a las temperaturas anormalmente
altas.
4.2. ATASCAHIENTO
El rodamiento se recalienta y se decolora. Eventualmente el rodamiento
se atasca.
43
Posibles Causae.
. Juego insuficiente (incluyendo juegos que se han reducido por
deformación local).
o Lubricación insuficiente o lubricante inadecuado.
. Cargas excesivas (presión excesiva).
o Elementos rodantes sesgados.
4.3 AGRIETAIIIENTO Y FORMACIONES DE HUESCAS
Ocune un descascarillado localizado. Aparecen pequeñas fisuras o
muescas.
Posibles Causas.
o Excesiva carga de impacto.
o lnterferencia excesiva.
o Formación de grandes descascarillados.
o Agrietramiento por fricción (fisura).
o Hombros o bordes redondeados inadecuadamente.
o Manejo indebido (muescas producidas por objetos extraños de gran
tamaño).
4
4.4 MANCHAS, Y ASPEREZAS SUPERFICIALES
La superficie se vuelve áspera y se forman pequeños degósitos. El
desgaste abrasivo, generalmente, se refiere a la aspereza del reborde de
la pista y de los extremos de los rodillos.
Posibles Gausas.
o Lubricación inadecuada.
o Presencia de partículas extrañas.
r Rodillos distorsionados debido al desalineamiento del rodamiento.
o Ruptura de la pelíatla de aceite del reborde debido a cargas axiales
grandes.
. Aspereza de la superficie.
o Deslizamiento excesivo de los elementos rodantes.
4.5 oX|DAC!ÓN Y CORROSÉN
La superficie se toma parcial o totalmente oxidada y ocasionalmente
óxido también se presenta a lo largo de las Iíneas de paso del elemento
rodante.
45
Posibles Gausas.
o Condiciones inadecuadas en el almacenaie.
o EmpaQuetamiento inadecuado.
o lnsr.ficiente antioxidante.
o Penetración de agua, ácido, etc.
o Manipulación inadeqlada.
4.6 DESGASTE POR ROZAMIENTO CORROSÍVO (FRETTING)
Hay dos tipos de desgaste por rozamiento conosivo. En uno, se forma un
polvo de óxido sobre las superficies de contacto. En la otra se identifican
abolladuras que se forman en la pista a la altura del paso de los
elementos rodantes.
Poeibles Gaueas.
o lnterferencia insuficiente.
. Angulo de oscilación pequeño, del rodamiento.
o Lubricación insuficiente.
. Cargas fluctuantes.
o Vibración durante eltransporte.
6
4.7 DESGASTE
Las superficies se desgastan produciendo como resultado la deformación
dimensional. El desgaste frecuentemente va acompañado por asperezas
y rayaduras.
Posiblee Gausas.
o Presencia de partículas extrañas en el lubricante.
r Lubricación inadecuada.
o Rodillos sesgados.
4.8 CORROSóN ELECTROÚilCA
Se forman picaduras sobre la pista. Las picaduras crecen gradualmente
hasta transformarse en ondulaciones.
Posibles Gausas.
o Formación de arcos eléctricos entre los rodillos.
47
4.9 ABOLI-ADURAS Y RAYADURAS
Rayado durante el ensamble, muescas debido a objetos extraños y duros;
abolladura superficial debido a impacto.
Poeibles Causas.
o Presencia de objetos extraños.
o Penetración por impacto en el lado descascarillado.
o Caídas u otros choques de impacto debido al manejo indebido.
o Desalineamiento en el ensamblaje.
4.IO DESLIZAMIENTO O ARRASTRAMIENTO
EL deslizamiento es acompañado de superficies brillantes (espejo o
descoloridas en el diámetro interior y exterior). También puede ocunir
desgaste abrasivo.
Posibles Causas.
o Aseguramiento inapropiado del manguito.
. Incremento anormal de la temperatura.
. Cargas excesivas.
5. TIPOS DE FALI.AS
En este capitulo se dan las pautas para identificar la caus€r especifica de falla
del rotor para agruparla de acuerdo al patrón de falla.
5.1 FALLAS EN EL ROTOR
A continuación se darán las pautas para la detección de algunas de las fallas
más comunes que se presentan en el rotor.
5.1.1 Daños térmicos. Estos daños son generalmente fáciles de identificar
debido al aspecto del rotor. La última causa del daño, sin embargo puede
ser muy difícilde precisar.
49
a) Posiblea Gausas.
Sobrecargas térmicas.
Desequilibrio térmico.
Excesivas pérdidas en el rotor.
Puntos calientes.
o Dirección inconecta de rotación.
o Rotor bloqueado.
b) Apariencia del rotor. La evidencia de un extremo recalentamiento del
rotor es identificable con una inspección visual. Esta puede variar desde
unas apariencias de manchas azulosas aisladas, lo cual es causado por
puntos calientes, hasta denetir el aluminio del rotor escuniéndose entre el
anollamiento. Muchas veces la excesiva temperatura puede ser determinada
observando el color de la pintura.
c) Glases de daños. La mayor parte de fallas podrán presentar un patrón
de fallas desigual sobre todo el rotor y pueden ser a@mpañados por
denetimiento de aluminio de las ranuras o al final del aro. Para reducir las
opciones de posibles causas, deben ser anotados patrones de fallas
adicionales. Rotor bloqueado típicamente tendrá aluminio encharcado en el
0llwnlrttrt lt,l6nDm, de octlJ¡¡tt3E0ClíiN iirrli.liii t¡,r
50
fondo del arrollamiento mientras que una sobrecarga térmica, tendrá una
excesiva perdida en el rotor, y una rotación inconecta tendrá aluminio
esparcido alrededor del anollamiento y de la superficie del rotor. Del canal
de aire del rotor, banas denetidas en los pasajes de aire indican
sobrecalentamiento debido a la parada, daño por aceleración o excesiva
puesta en marcha. Banas denetidas en las laminas son indicios de
sobrecalentamiento durante la marcha u operación. Puntos calientes y
desequilibrios térmicos típicamente muestran diferentes modelos de
calentamiento en la superficie del rotor y pueden resultar cambios en la
magnitud de la vibración contra el tiempo entre el arranque en frío y las
condiciones de marcha en caliente. En casos graves el rotor presenta
curvatura (arqueo) debido a la inestabilidad térmica, a veces mostrará una
raspadura sobre la superficie del rotor en un área a lo largo de 3600
producierrdo una mancha sobre el estiator o sobre un lado del eje y a lo largo
de 36d de los rodamientos o tapones de aceite.
5.1,2 Daños magnéticoe. Los daños magnéticos pueden ser obvios o
extremadamente difíciles de aislar. Por que para un daño seq¡ndario, es
necesaria una observación cuidadosa para identificar exacfamente la causa
del daño y no equivocarse en el resultado de la causa exacta.
5l
a) Posibles Gausaa.
Rotor con entrehieno no uniforme.
Esfuerzo magnético no uniforme.
Saturación de las laminaciones.
r Coniente circulante.
b) Apariencia del rotor. La evidencia visual de una tensión magnética son
relativamente limitadas. El rotor rayado puede aparecer como una mancha
viscosa sobre el diámetro extemo del rotor y el diámetro intemo del estator a
lo largo de toda la parte extema del rotor donde esta la mancha. Fallas
debidas a esfuerzo magnético donde el rotor no golpea físicamente el estator
usualmente no muestra formas visuales y pueden ser detectados solamente
por medición de partes asociadas (puntas de campanas, armaduras, etc.) y
el análisis de fuerzas magnéticas bajo las actuales condiciones de operación
(voltaje, frecuencia, etc.).
Son más comunes las evidencias audibles de tensión magnética. Banas
sueltas en el rotor usualmente presentan ruido o chispean durante el
encendido pero pueden resultar en puntos calientes ya localizados o banas
52
rotas, lo cual puede ser observado fácilmente después de desmontarlo. La
detección de banas rotas en el rotor sin desmontarlo es posible aplicando un
voltaje monofasico del 5-10oÁ del valor nominal a dos termínales del motor y
rotando lentamente el rotor normalmente mientras observa la coniente de
línea con un amperímetro. Una bana rota causará una fluctuac¡ón de
coniente cada vez que esta pase bajo un par de polos. Usualmente las
diferencias de lecturas de corriente de 50Á o más son una señal segura de
una bana quebrada.
c) Glases de daños. El rotor con entrehieno no uniforrne puede o no ser
acompañado de contactos físicos con el estator. Si el contacto no ocune, la
primera evidencia puede ser ruido, vibración, o falla del bobinado en forma
catastrófica. El exceso prolongado de entrehieno no uniforme resulta en una
alta carga radial sobre el rodamiento con la conespondiente reducción en Ia
vida de estos. Cualquier historia de una corta vida de un rodamiento o
combinación de daños en rodamientos y en un roton rayado deben ser visto
como un problema potencial de entrehieno no uniforme. Un rotor rayado
debido a excentricidad típicamente muestra viscosidd densa en una
pequeña área del diámetro extemo del rotor y alrededor de todo el estator.
Un esfuerzo magnético no uniforme típicamente muestra un roce en una
pequeña área del estator y alrededor de todo el diámetro externo del rotor.
53
Esta es causada por el eje de rotación donde es diferente del eje magnético
del devanado. Serán necesarias mediciones cuidadosas para detectar esta
condición. Saturación y circulación de coniente resultarán en un mal
funcionamiento del motor y puede ser detecfada por el fabricante quien esta
en la mejor posición posible para aislar los problemas de funcionamiento.
Los daños magnéticos no incluyendo contacto pueden manifestarse así
mismos en ruido y/o vibración. Núcleos del rotor fuera de concentricidad
(partioJarmente dos polos) en los motores de baja velocidad normalmente
muestran vibración pulsante a la fecuencia de deslizamiento. Esas fuerzas
magnéticas son fáciles de aislar, alavezque ellas cesan, inmediatamente se
elimina el voltaje. Banas rotas pueden conducir a problemas de vibración,
pero más probable, en casos severos, la bana golpea fuera de la ranura y
puede hacer contacto con el núcleo del estator o el devanado. Si al
momento de encender o bajo carga se produce un sonido rápido (ruidoso) es
una indicación del posible comienzo de algo suelto o de banas rotas.
5.1.3 Daños dinámlcos. Con unas pocas excepcioneg, los daños
dinámicos generalmente se originan de fuerzas exteriores al motor. Deben
ser identificadas tensiones de esta naturaleza y conegidas o reportadas al
diseñador del sistema/componente, si las fallas repiten deben ser eliminadas.
54
a) Posibles Gausas.
o Vibración.
o Banas sueltas del rotor.
Rotor rayado.
Torque transitorio.
Velocidad de embalamiento.
Tensiones cíclicas.
bl Apariencia del rotor. Los esfuerzos cíclicos, de torque, y vibraciones
generalmente dan por resultado rotura del eje ylo cojinetes dañados.
Generalmente el exceso de velocidd se evidencia en aspas de ventilación
rotas, núcleo del rotor desviado, alta vibración, y daño o distorsión de las
partes montadas en el eje (aspas, acoplamiento, etc.). La examinación de
las partes dañadas puede frecr.lentemente aislar el origen del daño. Como
ejemplo, una falla torcional en el eje indica rotación opuesta a la dirección
normal de rotación y puede indicar el origen del daño existente debido a una
transferencia de banaje fuera de fase o recierre.
55
Los daños dinámicos a veces dan por resultados averías en todo el motor.
Usualmente los cojinetes dañados permiten que el rotor haga contacto con el
estator con posterior pérdida de anollamiento. El exceso de velocidad puede
averiar todas las partes del motor.
c) Clases de daños. A veces resulta extremadamente difícil reconstruir la
secuencia exacta de los principales hechos posteriores al origen del daño.
Muchos daños dinámicos se originan de fuerzas extemas al motor y no están
disponibles para análisis después de que el motor haya sido removido. Es
recomendable una inspección minuciosa de las partes componentes,
acoples, etc. Un análisis de la historia anterior o caracferísticas de operación
de la unidad así como conversaciones con los operadores de servicio al
tiempo deldaño puede ser igualmente importante.
5.1.4 Daños mecánicoe. Estos tipos de daños son a veces muy difíciles de
identificar tanto como la causa exacta, porque el aspecto de la parte dañada
es muy similar a los daños debidos a otras razones (tensión dinámica, daños
térmicos, etc.). Un análisis cuidadoso, sin embargo, usualmente revelará
evidencias físicas de un problema mecánico.
56
a) Posibles Gausas.
o Variación de la cp,rcgza.
o Barras y/o laminaciones sueltas.
o Ajuste inconecto del eje al núcleo.
o Fatiga o partes destrozadas.
o Geometría inapropiada del rotor y el estator.
¡ Desviación material.
r Montaje inapropiado y/o resonancia en el eje.
o Diseño o fabricación inapropiada.
b) Apariencia del lotor. El rotor puede mostrar algunas de las formas
mencionadas previamente (puntos calientes, viscosidad, fracturas,
movimiento, etc.). Usualmente hay algunas formas de avería física o
movimiento asociado con este tipo de daño.
c) Clases de dañoc. Tal como la mayor parte de los daños, es demasiado
importante inspeccionar todas las partes del motor (no solamente el rotor)
para determinar la clase del daño. El núcleo del rotor o el eje son @munes
debido a que el eje de rotación del rotor esta desplazando el centn¡
57
magnét¡co por localizac¡ón inapropiada o partes constitutivas del motor
dañados y/o desalineamiento de cargas colgadas.
Laminación o banas sueltas normalmente muestran ruido durante el
aranque u operación. El movimiento de esas partes puede conducir a fallas
por faügs, puntos calientes localizados, eje encorvado, rayas en el rotor,
daños del arrollamiento o del cojinete, etc. Deben ser analizados los daños
por fatiga del eje o las partes componentes en el momento en que ocunió el
daño térmico largo o corto. lgual el aspecio de componentes extemos tal
como grasa sobre la correa de transmisión que puede dar información en
cuanto al origen del daño.
5.1.5 Daños por el medio amHente. Los daños de este tipo son de los
más fáciles de diagnosticar. Es especialmente importante observar la ficha
de mantenimiento y las condiciones en el sitio de operación para conseguir la
historia completa alrededor del daño.
a) Posiblea Gauaaa.
Contaminación.
Abrasión (calor).
58
Partículas extrañas.
Ventilación restringida.
Excesiva temperatura ambiental.
Fuerzas extemas inusuales
b) Apariencla del rotor. La ventilación restringida debido a depósitos en los
pasajes de aire o ductos o excesiva temperatura ambiental mostrarán un
completo patrón de calentamiento sobre el rotor como también de sus partes
componentes. Otro patrón incluye rotor conoído y/o aluminio en superficies,
depósitos mohosos, muescas localizadas en ambas superficies del rotor y
estator, superficies 'arenosas", y materiales extraños colocados en el
ventilador.
c) Clases de daño. Estos daños son muchas veces el resultado de una
mala aplicación o inapropiado mantenimiento. El polvo u otros materiales
pueden obstaculizar los filtros, pasajes de ventilación o ducfos de aire,
causando recalentamiento general. Los motores que están encenados
pueden estar cubiertos con una capa de material evitando la apropiada
transferencia de calor y/o flujo de aire. Los quími@s o el agua puede entrar
al motor y atacar la superficie del rotor. En las unidades con pequeños
entrehienos (hasta 0.04Cf), los rotores pueden mohosearse sólidamente con
59
el diámetro interno del estator. Materiales extraños pueden introducirse al
rotor, rompiendo las aspas del ventilador o dañando la superficie del rotor.
La examinación de los cojinetes ylo la lubricación por deterioración térmica o
contaminación puede explicar ciertos daños iresperados. Por ejemplo la
adición constante de un pequeño porcentaje de humedad en el lub'ricante
reduce significativamente la capacidad de agotamiento de los coiinetes. Esto
puede tener efectos dramáticos puesto que las aplicaciones de cargas
densas como puede ser el uso de grasas incompatibles o aceites los cr.¡ales
reducen la rigidez de la película de aceite.
5.1.6 Daños dlvercos. Los daños de este tipo no se dan fácilmente en
áreas claramente definidas. Estas muestran características de cada uno de
los daños definidos anteriormente y deben ser examinados cuidadosamente
para aislar la última causa del daño.
a) Posiblea cauaas.
. Tensión concentrada.
Banas tensionadas desigualmente.
Mala aplicación.
Ud'|''|ld|d Altónrrn¡ 'le {tcr¡anlaSÉCrjrv'r ¡¡ 11¡ ¡il|[i)l
60
o Diseño mal usado.
Cambios en la fabricación.
I nadecuado mantenimiento.
Operación inapropiada.
Montaje inapropiado.
b) Apariencia del rotor. Todos, parte o ninguno de los modelos
mencionados anteriormente se pueden presentar en esta categoría. Nuevos
modelos pueden también existir y podrán identificar el daño original.
c) Claees de daños. Dependiendo de la causa especifica, pueden ocunir
diferentes clases de daños. Mantenimiento inadect¡ado, excesivo o
inapropiado pueden conducir a recalentamiento o daños del cojinete. Una
mala aplicación e inapropiada operación pueden terminar en daños térmicos
o rompimiento de partes. Un mal sistema o diseño del motor pueden
terminar en algún rango de operación de falla catastrófica. Para hacer un
análisis es necesario doq.¡mentar la secuencia exacta de operación para
lograr el aislamiento del daño original.
Un ejemplo de este análisis fue un motor de 3600 rev/min que mostraba un
anollamiento dañado, excesivas rayas en núcleo del rotor y el eje, cojinetes
6l
dañados y un borde de las aspas del ventilador agujereado en el extremo.
Este motor estaba localizado en una estación remota de bombeo
desatendida y fue removido de la línea a tiena, sin protección. Esto ha sido
operado exitosamente por 9 meses antes del daño. Aúnque casi todos los
componentes han fallado, el origen del daño fue analizado como una válvula
de cl'requeo defectuosa. Análisis del eje en la posición del ventildor dañado,
así como la posición del ventilador interno, revelarán todas las partes que
están en tolerancia. Ambas aspas del ventilador se muestran ligeramente
arqueadas, lo cual fue duplicado sobreacelerando un nuevo ventilador de
aproximadamente 5000 rev/min. Nuevas investigaciones han revelado que la
boquilla plástica en el desviador de aire usado para apresurar el cojinete
fuera de borda estaba embanada, contraria a la dirección normal de rotación.
La conclusión a que se llego fue que la válvula de la bomba chequeada
estaba funcionando mal, causando en la unidad un exceso de velocidad en
dirección contraria mientras se desenergizaba. Esto ocasiona en el
ventilador pérdida de su capacidad y un descenso en el contacto del árbol
con la boquilla del desviador de aire. Guando finalmente la unidad fue puesta
en marcha, el ventilador rozaba el borde en la dirección de rotación causando
daños al principio y al final del cojinete. La caída del rotor roza el estator
llevando a la falla el bobinado.
62
Es recomendado para prevenir que vuelva a ocuffir, que la válvula de
chequeo sea reparada anterior al desensamble del motor. Habrá notado que
no se ha mencionado el hecho de los efectos térmicos o envejecimiento
residual sobre las fallas del rotor.
Esto puede explicarse a continuación:
A no ser que la temperatura de operación sea extremadamente alta, el efecfo
normal de un envejecimiento térmico es hacer los materiales vulnerables del
rotor para influenciar otros factores o tensiones que actualmente producen el
daño. Una vez el rotor haya perdido zu integridad física, ya no resistirá más
las tensiones dinámicas, normales, magnéticas, mednicas y las de medio
ambiente. Esto debe ser descartado si ninguna de las tensiones básicas se
vuelve bastante severa, un daño ocunirá a pesar de la canüdad de
envejecimiento térmico. Este tipo de falla normalmente es identificado por
cambios paulatinos en la vibración y muchas veces pueden ser controlados
por sacudidas térmicas al rotor.
6. ENSAYOS PARA LA DETECG|ÓN DE FALLAS
6.1. DETECCÉN DE FALLAS EN EL ROTOR
Se mencionarán algunas de las técnicas para la detección de banas
quebradas que ocurren en el rotor de una máquina de inducción.
6.1.1 Técnica de detección de voltaje inducido por bobina
exploradora. La técnica compromete la inspecc¡ón de voltaje inducido
por la bobina exploradora, puede ser en la función de tiempo o en el
dominio de la frecr.¡encia. Considere primero el voltaje inducido en una
bobina intema en la punta del diente del estator de una máquina con un
rotor sin falla. La frecuencia dominante y fundamental será la frecr.¡encia
de excitación para el motor de 60 Hz. Las componentes de frecuencias
altas aparecen debido a la periodicidad de las barras del rotor.
&
Los armónicos espaciales de f.m.m. pueden también inducir armónicos de
voltajes temporales. Considere ahora el voltaje en la misma bobina
exploradora de una máquina con una o más barras rotas juntas.
(b)FIGURA 3. O¡striUución del campo a plena carga: a) Rotor libre de fallas b) Rotor concinco banas quebradas (parte sombreada).
La figura 3 ha mostrado un campo local del entrehieno altamente
anómalo que rota a la velocidad del rotor. Este campo vibra por la
frecuencia de deslizamiento y puede ser considerado como el resultado
de dos campos contra rotativos de ^S X velocidad sincrónica, los cr¡ales
son rápidamente atenuados lejos del lugar de la falla. El campo asociado
con las banas rotas será por consiguiente modulado por la bobina
inductora de voltaje en una freq.¡encia característiea f ̂ , dada por [2]:
65
(6.1)
Donde "f es la frecuencia de excitación, s es el deslizamiento y p es el
número de polos del motor de inducción.
Componentes de frecuencias similares están anticipados en los voltajes
de la culata y la bobina exploradora extema. Estos voltajes fueron
capturados por el rápido sistema de adquisición e impresos para ilustrar
su tiempo de dependencia. Fue también analizado el espectro de
frecuencia. Fueron hechas numerosas pruebas para diferentes
condiciones de operación, es decir, en vacío a 1779 rev/min, cr¡arto de
carga a 1790 rev/min, media carga a 17ffi rev/min y a plena carga a 1760
rev/min las pruebas fueron también puestas a funcionar en diferentes
niveles de voltaje aplicado para examinar el efecto de saturación en los
resultados.
Los resultados típicos están mostrados en la figura 4, en el cr¡al los
voltajes de la bobina punta de diente del estator son comparados para
máquinas con rotores en buen estado y ofo con 5 banas quebradas a
plena carga (1760 rev/min). Resultados similares del voltaje de la bobina
de la culata son también comparados por el rotor libre de falla y por el de
banas rotas a plena c€¡rga en la figura 5. En la figura 6 la bobina de
f¡,=(!o-s)ts¡ Hz
6
voltaje es mostrada en la misma condición de operación. Según la
ecuación (6.1) las frecuencias de fallas dominantes serán de 2&30.7 Hz
(hasta 1760 rev/min). Esta modulación de baja frecuencia del voltaje de
toda la bobina exploradora es evidentemente clara. La observación
realizada por los autores Nagwa M. Elkasabgy y Anthony R. Eastman en
un osciloscopio muestra que la señal de fallo de baja frecr¡encia mueve
directamente el voltaje fundamental de una velocidad dependiente del
deslizamiento, como era esperado de (6.1).
El espectro de frecuencia de esta forma de onda esta también mostrado
en fas figuras 4 y 6; comparando el espectro de frecuencia del voltaje
inducido en la bobina de exploración en la punta del diente para un rotor
libre de fallas y otro con banas rotas, la magnitud de la componente de
falla de frecuencia de 28 Hz es -53 db y -30 db respecfivamente, relativo a
la componentes de 60 Hz.
La misma composición fue realizada para la bobina de la culata, donde la
señal de falla dominante es la componente de fecuencia de 28 Hz del
rotor de barras rotas, con una magnitud de -28 db relativo a la
componente de 60 Hz. El voltaje de la bobina extema también muestra la
componente de frecuencia de 28 Hz para el rotor de banas rotas a -10 db
relativo a la frecuencia fundamental así como se comparó con -30 db para
el rotor libre de falla.
68
tffi*d" 6oftz(b)
FIGURA 5. Vottaje inducido en la botina exploradora de la culata a 1760 rdmin,460V (L-L): a) rotor libre de fallas (función de tiempo y espectro de frccuencia); b) rotor concinco banas quebradas (función de üempo y espectm de freotencia).
69
tl+<-1/60 seg
tll><-.1/60 seg
(b)FIGURA 6. Voltaje inducido de la botina exploradora e¡dema a 1760 rerr/min, 460 V(L-L): a) rotor libre de falla (función de tiempo y espectro de frecuencia); b) rotor concinco banas quebradas (función de üempo y espec{rc de coniente).
tl¡lwnldrd rutónonra dc 0ccfinlr3ICClufr 8rb]Lr0 f ECA
70
La apariencia de las componentes de frecuencias de fallas en los voltajes
inducidos de la bobina exploradora claramente es un método efectivo de
detección de banas rotas. Aunque no se ha presentado aquí, los
resultados de la prueba han mostrado que las componentes de frecuencia
de falla se vuelven más significativos si la carga se incrementa y el voltaje
del estator es incrementado. Quizás sorprendentemente, la bobina
exploradora extema es justamente tan efectiva como la bobina interna en
la detección de banas rotas. Parece innecesario incorporar bobinas
intemas para tener ventaja de esta técnica de diagnostico; siendo
enteramente adecuada colocar una bobina extema sobre la cp¡rcnza de la
máquina.
6.1.2 Técnica de detección de corriente del estator. De acr¡erdo a S.
\Mlliamson y W. Deleroi cada bana individual del rotor puede ser
considerada que forma una espira de un devanado monofasico. El campo
en el entrehieno producido por la coniente a una ftecuencia O,e
deslizamiento que fluye en la bana del rotor tendrá una componente de
rotación fundamental de velocidad de deslizamiento en la misma dirección
con respecto a la velocidad del rotor, y otra de igual amplitud que rota con
la misma velocidad con dirección opuesta. Con un rotor simétrico, la
componente opuesta será cero. Para un rotor de bana quebrada sin
embargo, la resultante no es cero. El campo, el cual rota con una
frecuencia de deslizamiento opuesta con respecto al rotor, inducirá
7l
f.e.m's. en el lado del estator que modula la componente de frecuencia
principal para ambas frecuenc¡as de deslizamiento.
Bajo un voltaje de excitación sinusoidal, este efecio produce bandas
laterales en el espectro de la coniente de fase a dos veces la frecuencia
de deslizamiento (2.67 Hz 6 1760 rev/min) donde las bandas laterales
fundamentales indican la existencia de falla. En la figura 7, se muestran
resultados típicos para la coniente del estator a plena carga (1760
rev/min) donde la fundamental de la banda lateral a doble frecr¡encia de
deslizamiento,2.6T Hz indica la existenc¡a de la falla. En la misma figura
el espectro de coniente para un rotor libre de falla funcionando en las
mismas condiciones de operación no muestra frecuencia doble de
deslizamiento del lado de la banda. Un examen del espectro de coniente
de la máquina suministra un segundo método para detectar fallas en las
banas del rotor.
72
6OHz. más dos veces l¡frecuencie de deslizamiento(D, del lado de las bandas
FIGURA 7. Coniente del estator a 1760 ren¡/min, 480 V (L-L): a) rotor libre de fallas(función de tiempo y especiro de fiecuencia); b) rotor con cinco banas quebnadas(función de tiempo y especirc de fiecuencia).
73
6.1.3. Técnicas de detección torque armónicos. En una máquina de
inducción trifasica balanceada con un rotor libre de fallas, el campo de
rotación en sentido directo interactua con la frecuencia de deslizamiento
inducida por la coniente del rotor para producir un torque de salida
estable. Para una máquina con rotor fallado un campo de rotación en
sentido contrario es desanollado. Este campo de rotación en sentido
contrario, interactua con la coniente del rotor, inducido por el campo de
rotación de sentido directo para producir una variación en el torque de
doble frecuencia de deslizamiento, la cual es superimpuesta en el torque
de salida estable.
Las fallas del rotor por consiguiente conducen a un armónico de torque de
baja frecuencia lo cual da como resultado un aumento en el ruido y la
vibración. Las oscilaciones del torque fueron medidas por medio de un
transductor de eje de torque, usando el sistema de adquisición de datos
mientras el motor estaba funcionando acoplado a varias condiciones de
carga. La figura I muestra resultados típicos experimentales de torque
para un rotor con 5 banas rotas comparado con un rotor libre de falla. La
frecuencia de oscilación del torque aumenta mientras máquina es
cargada. En todos los tres casos, la frecr¡encia de oscilación dominante
corresponde a la doble frecuencia de deslizamiento en condiciones de
operación.
74
60.0
TorNqmue
5().0
Tiempo (seg) 0.156 (seg)
Tiempo (seg)
(a)
2.,1t8 (s€g)
95.O
TorNqmue
7S.O
I
fiempo (seg) 0.156 (seg)
Tiempo (seg)(b)
2.4EE (see)
Tiempo (seg) 0.156 (seg)
125.0
TorNqmue
100,o
I
Tiempo (seg) 4.88t (seg)
(c)FIGURA 8. Oscilación deltorque para un rotor libre de fallas (aniba) y para un rotorcon cinco banas quebradas (abajo) a velocidades de a) 1780, b) 1770,y c) 1760 ranlmin.
75
Todos los métodos fueron sensibles a los efectos de distribución del rotor,
lo cuál se esperaba de la consideración de que el campo
electromagnético de la máquina variaba en el tiempo.
Los primeros dos métodos comprometen bobinas exploradoras de voltaje
presentados para proveer la técnica de diagnostico más útil, confiable y
de costo efectivo. Esto conduye que las banas rotas pueden ser
detectadas adecuadamente por la examinación del dominio del tiempo o
el especfro de frecr¡encia del voltaje de la bobina exploradora.
El uso de una bobina externa situada cerca de la estructura de la máquina
es considerado particularmente útil en un ambiente industrial por que el
motor no se puede parar o sacarlo de servicio temporalmente.
Todo esto ha necesitado de una bobina de 10-20 vueltas de longitud
equivalente a la longitud axial activa de la máquina y de ancho igual o
quizás la mitad de un polo; un osciloscopio potencia-frecuencia o un
analizador de espectro de baja frecuencia, y la observación de un
operador.
6.1.4 Detección de barras del rotor quebradaa en los motores de
inducción utilizando la estimación de eetado y parámetro. Este
método descrito en detalle por K Rae Cho, Jeffrey H. Lang, Member,
76
IEEE, and Stephen D. Umans, Senior Member, IEEE en: IEEE
TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 28 NO 3
Mayo/Junio 1992 página 702 a 709 consiste en el estudio de la detección
de las banas del rotor quebradas en los motores de inducción. La
hipótesis en la cual esta basada la detección es que la resistencia
aparente del rotor de un motor de inducción se incrementara cuando se
quiebre las banas. Aquí, la resistencia aparente del rotor es aquella a
estado estable balanceado de un modelo de motor de inducción
monofasico. Para detectar las banas quebradas son tomadas mediciones
de voltaje del estator, coniente del estator, fecuencia de excitación del
estator, y la velocidad del rotor en un pequeño rango de velocidad. Las
mediciones son procesadas por un estimador de casi el mínimo enor al
cuadrado para producir estados y parámetros estimados del motor. En
particular la resistencia del rotor es estimada y comparada con su valor
nominal para detectar banas del rotor quebradas. Como parte de este
proceso de estimación, es necesario compensar por la variación térmica
en la resistencia del rotor.
Debe re@nocerse que el detector de bana de rotor quebrada mencionado
aquí ofrece un marco de trabajo para el monitoreo de otras fallas, quizás
por medio de sensores adicionales. Por ejemplo, incluyendo uno o más
sensores de temperatura
apropiadamente, el detector
expandiendo su modelo térmico
bana de rotor quebrada puede ser
v
de
77
expand¡do para detectar fallas del sistema de enfriamiento. En esta
forma, las mediciones de sensores eléctricos y térmicos pueden ser
analizadas autoconsientemente para detectar ambas fallas eléctricas y
térmicas.
6.2 DETECC|ÓN DE FALLAS EN LOS RODATIIENTOS
En esta sección se verán algunas formas de detectar las fallas más
comunes que se presentan en los rodamientos de motores de inducción.
6.2.1 Detección de daños en el cojinete del motor utilizando
monitorco de la corriente del estator.
a) Efectos del espectro de corriente La relación de la vibración del
cojinete al espectro de coniente del estator pueden ser determinada
recordando que cualquier entrehierro excéntrico produce anomalías en la
densidad de flujo del entrehieno [5]. En el caso de una ex@ntricidad
dinámica que varíe con la posición del rotor, la longitud en la oscilación
del entrehieno causa variaciones en la densidad de flujo del entrehierro.
Esto a su vez afecta las inductancias de la máquina produciendo
armónicos en la coniente del estator con frecr.¡encias predicfras por [3], [41
78
(6.2)
donde f" es la frecr.¡encia de la alimentación eléctrica, k =1,2,3...., s €s €l
desfizamiento por unidad, p es el número de polos de la máquina, y f^es la velocidad mecánica del rotor en hertz.
Puesto que los cojinetes de bolas apoyan el rotor, cualquier defecÍo del
cojinete producirá en movimiento radial entre el rotor y el estator de la
máquina. El desplazamiento mecánico resultante del rodamiento dañado
causa que el entrehieno de la máquina varíe en una forma que puede ser
descrito por una combinación de movimientos excéntricos rotativos de
ambas direcciones, por ejemplo con las manecillas del reloj y antihorario.
Así como con la excentricidad del entrehieno, estas variaciones generan
conientes del estator de frecuencias predeciblesft*,relacionadas a las
frecuencias vibracionales y de la alimentación eléctrica por [8]
fu* =l¡"x*'f"l (6.3)
donde m=1,2,.... y fv es una de las frecuencias de vibración
características.
r"o=r[,'-[+]l =tÍ"tk Í, 1
L \.
' ))
79
Las frecuencias características para cojinetes de bolas están basadas en
las dimensiones del cojinete mostradas en la figura 9.
Angulo de contacto p
Diámetrode la Bola
(DB)
DiámetroExtremo
(DE)
Url|.rsiftd Autórronra rte {)ccta.illstcctofr BtSLr0t tc^
FIGURA 9. D¡mensiones de la bola del cojinete.
80
En cojinetes cargados radialmente, las áreas de contacto de las bolas y
las cunas cargan las cargas mas pesadas causando mas fallas por fatigas
al involucrar estos componentes [6]. La frecuencia de giro de la bola es
causada por la rotación de cada bola alrededor de su centro. Puesto que
un defecto en una bola contactara en ambas cunas interna y extema
durante cada revolución, la frecr¡encia de defecfo de la bola es dos veces
la frecuencia de giro y puede ser escrita como [8]
(6.6)fr=
Donde PD es el diámetro extremo del cojinete, BD es el diámetro de la
bola, p es el ángulo de contado de las bolas en las cunas, y f^ es la
velocidad mecánica del rotor en hertz. Las frecuencias de las cunas
interna y extema son producidas cuando cada bola pasa por un defecto.
Esto ocune n veces durante un cirruito completo de la cuna donde n es
el número de bolas. Esto causa que las frecuencias de la cuna intema y
extema definidas como [8]
#t^l'-(#*'4'l
8l
,,=ir^l'-#*,Bf (6.5)
f= (6.6)
Las fallas de la jaula del cojinete generalmente aprietan las bolas
produciendo deslizamiento y resbalamiento a lo largo de la cuna. Estos
efectos caus€¡n que sean generadas vibraciones de alta fecuencia.
Debe notarse de (6.2) y (6.3) que la información especificada
concemiente a la construcción del cojinete se requirió para calcular las
exactas frecuencias características.
Sin embargo, estas frecuencias características de la crJna pueden ser
aproximadas para la mayoría de los cojinetes que tengan entre 6 y 12
bolas por [7]
f, = 0.4'n' f,-;
.f¡ = 0.6'n' f, (6.7)
Esta generalización es permitida por la definición de las bandas de
frecr¡encia donde las frecuencias de la cuna del cojinete son probables
que aparezcan sin requerimiento explícito del conocimiento de la
construcción del cojinete. Por tanto, es posible formular un esquema de
tr^lt.u#*'Bf
82
detección de falla efectiva el cual monitoree el espectro de coniente
relacionado para los defectos del cojinete.
b) Reeultados experimentales. La prueba experimental realizada por
Randy R. Schoen, Thomas G. Habetler, con el fin de relacionar lds
vibraciones del cojinete al espectro de corriente del estator, se taladro un
orificio en la cuna extema del cojinete del extremo del eje (NSK 6208) de
un motor de prueba de cuatro polos. Mientras que esta no es una falla
real del cojinete, la naturaleza de la falla produce frecuencias del cojinete
que son aisladas a la cuna eferior y son localizadas fácilmente en los
espectros de vibración y corriente. Del manual del cojinete, se tomaron
datos del el diámetro externo del cojinete 6208 es 80mm y el diámetro
interno es 40mm Asumiendo que la cuna intema y extema tienen Ia
misma rigidez dan un diámetro extemo igual a 6omm (rn = 6omm ). El
cojinete tiene 9 bolas (!=, ) *n un diámetro aproximado de lumm
(nn=Omn). Asumiendo un ángulo de contacto p de cero grados, y la
operación del motor a velocidad nominal del eje de 1735 rev/min
(f^, = 289 Hz ), las frecuencias características del cojinete del extremo
del eje son calcr¡ladas y son .f. =lM Hz y .f, =156 Hz . Puesto que estas
frecuencias son basadas en suposiciones descritas anteriormente,
proporcionan una indicación de las frecuencias características actuales
83
del cojinete. Estas mismas frecuencias son predichas cuando es utilizada
(6.7).
Debido a que el desplazamiento del entrehieno causado por el cojinete
dañado es en la dirección radial, la vibración radial fue medida en la
e:,raza del cojinete utilizando un acelerometro piezoeléctrico.
RANGE:3dBV
25nVm¡
0VmrSTART: 100 IIz BW: 1.193ó Ez STOP: 225 Hz
FIGURA 10. Espectm de vibración (aceleración) de una máquina de inducción decuatro polos, con carga y con un orificio en la cuna extema del cojinete del final de eje(1oo-225H2).
84
En la figura anterior se muestra un esquema lineal del espectro de
vibración. Es posible ver las componentes de la frecuencia del cojinete en
una veces (t4fr) y dos veces (ztfr) la frecr.¡encia de la cuna extema.
Debido a que el daño del cojinete fabricado esta limitado ala cuna
externa, no hay componente vibracional a una veces la frecuencia de la
cuna interna (tf,'). La gran componente especfral a 12Q Hz es producida
por el campo magnético de la máquina. Los esquemas llneales del
espectro de coniente son mostrados en las figuras 11 y 12.
A: MAG1{X} r-
RANGE:3 dBVSTATUS: PAI.ISEDE)PN: t
0Vmr
START: n Ez BIV: 1.193ó Ez STOP: tss f,z
FIGURA 11. espectro de coniente del estator de una máquina de inducción de cuatropolos, con carga y con un orificio en la cuna extema del cojinete delfinalde eje (3G155Hz).
leo -rxrd
tlco -rxr¡l
85
RA]\IGE: - 51 dBV
0Vm¡
START:155 Hz BW: 1.1YJ6 Ez STOR 2t{t Ez
FIGURA 12. Espectro de coniente det estator de una máquina de inducción de cuatropolos, con carga y oon un orificio en la cuna o<tema del cojinete delfinalde eje (15S280Hz).
La ecuación (6.3) pred¡ce las frecuencias de interés en el especfro de
coniente a ser lf,xtrfo I v lf"t2l, I estas componentes de coniente
son indicadas en los esquemas espectrales donde f" = 60 Hz . La
carencia de daño en la cuna intema esta indicada por la ausenc¡a de las
componentes de frecuencia de la cuna intema a lf" xlxf, I. Es importante
notar que las componentes de frecr.¡encia producidas por el defecto del
cojinete son relat¡vamente pequeñas cuando son @mparadas con el resto
del espectro de coniente. Las componentes más grandes presentes en el
espectro de coniente ocunen en múltiplos de la ftecuencia de
alimentación y son causadas por la saturación, la distribución del
leo *r'fdt
86
devanado, y el voltaje de alimentación. Esta gran diferencia en la
magnitud puede hacer que la detección de los armónicos del cojinete del
espectro de coniente sea un problema significativo. El brinelling (la
formación de muescas en las cunas como resultado de la deformación
causada por sobrecarga estática) fue inducido en ambos cojinetes como
un segundo tipo de falla del cojinete. Este modo de cojinete fue producido
por el montaje de un motor de inducción desenergizado con cojinetes
buenos en una tabla de vibración. La fuerza de las vibraciones cÉruso que
fueran producidas muescas en ambas cunas intema y extema del
cojinete. Estas muesc€rs excitadas en otro tiempo a las frecuencias de la
cuna en ambos cojinetes al final del eje (NSK 6208) y el cojinete del
extremo del venülador (NSK 6206). Las frecuencias características de la
cuna para el cojinete del final del eje han sido previamente calculadas que
son f = lM Hz y f, =156 Hz . Para el cojinete del ventilador, el manual
def cojinete lista que el diámetro extemo del NSK 6206 es 62mm y el
diámetro intemo es 30mm. Los promedios dan un diámetro extemo
asumido de 46mm PO = 46mm ) fl co¡inete tiene 9 bolas ("=s ) con un
diámetro aproximado de t\mm (nn =t\mm ). Con un ángulo de contiacto
p, asumido de cero grados y una velocidad del eje nominal de 1735
rev/min (.f^=289 Hz ) en la operación del motor, las ftecuencias
características del cojinete del ventilador son calcr.¡ladas de (6.5) y (6.6) y
son fi =102 Hz Y f,=158 Hz.
87
Las mediciones de vibración y corriente fueron tomadas en un motor
energizado, en vacío antes y después de un mes de vibración. estas
lecturas fueron utilizadas para evaluar el deterioro del cojinete sobre este
periodo de tiempo. La condición en vacío causa la velocidad relativa de
.f^ = 30 Hz lo cr.¡al desvía las ftecr¡encias intemas y extemas del cojinete
a fo =106 Hz , 108 Hz , Y f, =162 Hz ,164 Hz parc los cojinetes NSK 6208
y 6206, respectivamente. El efecto en el espectro de vibración mecánico
puede verse en la figura 13.
A: STORED RA¡IGE:3 dBV
0V¡m¡
START:100 Hz BTY¡ 1.1936 Hz STOP: 225 Hz
FIGURA 13. Espectro de vibración (aceleración) de una máquina de inducción de 4polos, en vacío, con brinelling de ambos cojinetes (10G225 Hz).
88
Los niveles de vibración (medidos en términos de aceleración) para las
frecuencias de la cuna extema, Wo y 2{0, y la ftecuencia de la cuna
intema lf , se han incrementado por el daño inducido en el cojinete.
Este efecto es más evidente a 2úo donde las frecuencias de la cuna
extema de ambos cojinetes forman picos separables.
RAI\IGE: 3 dBV STATUS: PAUSEDEXPN: tA:MAG
START:30E2 BW:1 .19fiH2 STOP: 155 Ht
FIGURA 14. Espeam de coniente del estator de una máquina de inducción en vacíode 4 polos con brinelling de ambos cojinetes (3e155 Hz).
m
160.Tr"l l*i+l
89
5mvrmr
DIV
RANGE: 3 dBV
50mVms
0Vm¡
START: 155 Ez BW: 1.1!t36 IIt 2n Hz
FIGURA 15. Espearo de coriente del estator de una máquina de inducción en vacíode 4 polos con brinelling de ambos cojinetes (15$280 Hz).
Los mismos cambios son mostrados en las figuras anteriores en los
armón¡cos de coniente predichos de lf"xtxfrl,lf"*2xfol, y lf"ttE,l.
Debió notarse que el efecto de la vibración en la coniente del estator es
debido al desplazam¡ento del rotor con respecto al estator, Por tanto, las
grandes diferencias a altas frecuencias en los niveles de acelerac¡ón
meúnica vistos en la figura 13 no son tan significantes en el espectro de
coniente. Esto es claramente ilustrado por el relativamente gran camb¡o a
lf"-ty'rl y los muchos menores cambios a lÍ.rz4fl incluso aunque el
espectro de vibración mecánica (aceleración) de la máquina de prueba
sugiera el efecto opuesto.tlflvrnldrd Auiónome r'E a,crialrlt
SICCION BrBi 'o [üA
loor¡xtol
90
6.2.2. Prueba para medir potencial de eje por corrientes circulantes.
En máquinas que tiene aislamiento en todos los rodamientos (o al menos
uno), una prueba puede ser hecha para detectar la presencia de potencial
en el eje mientras que la unidad esta operando bajo voltaje y velocidad
nominal esta prueba puede ser aplicada a maquina que tienen
propiedades aislantes en todos los rodamientos de pelícr.rla de aceite.
Primero, es utilizada una escobilla para cortocircuitar el rodamiento no
aislado (o un rodamiento, sí todos están aislados). Esta escobilla fija es
aplicada al eje cerca del rodamiento conectada a la armadura con un
conductor de pequeña resistencia.
La prueba se termina midiendo el potencial del eje a la armadura en cada
uno de los otros rodamientos. Debe ser utilizado un osciloscopio de alta
impedancia y conectada con una punta atenizada a la armadura y la ofa
punta atada a una escobilla del eje. Esta escobilla es aplicada a una
sección del eje cerca a cada otro rodamiento y son medidos los voltajes
picos.
Es preferible utilizar un conducior blindado de baja impedancia para las
puntas del osciloscopio para minimizar la interferencia electromagnética.
Este blindaje debe atenizarse en un solo extremo.
9l
Si no tiene osciloscopio para esta prueba debe utitizar un voltímetro de
alta impedancia. Ambos voltajes AC y DC deben ser medidos en ambos
rodamientos. El pico de voltaje puede ser aproximado por encima
sumando el nivel DC y 1.4 veces el nivel AC rms. Este voltaje pico
estimado, sin embargo puede ser considerablemente inferior al valor pico
actual.
Un método altemo involucra la medición del voltaje AC con escobillas
contactando los extremos opuestos del eje mientras la máquina opera a
valores nominales.
6,2.3. Prueba para medir los niveles posibles de corrientes de eje.
Esta prueba puede ser hecha en máquinas descritas en G.2.2. El
procedimiento es el mismo con excepción de un amperímetro de baja
resistencia que es reemplazado por el osciloscopio.
6.2.4. Prueba para medir la resistencia de aislamiento de los
cojinetes.
a) MÉTODO 1. Para que la prueba sea más confiable en el aislamiento
de los cojinetes, se debe re.alizar con la unidad en reposo. Si solo esta
aislado un cojinete, una capa de papel aislante debe ser colocada bajo la
chumacera del cojinete no aislado para aislar el eje del rodamiento.
92
Deben ser diseñados acoples adyacentes a las unidades si estas no
están aisladas. Un ohmetro de bajo voltaje debe ser utilizado para
realizar la prueba preliminar en cada cojinete aislado. Con una punta
aplicada al eje y la otra a la armadura (a través del aislamiento), la
resistencia del cojinete puede ser medida.
En algunas máquinas, los cojinetes son suministrados con dos capas de
aislamiento, con un separador metálico entre ellas. En estas unidades,
las pruebas descritas anteriormente deben ser hechas entre el separador
metálico y la armadura de la máquina. La prueba puede ser hecha
mientras la máquina este marchando, sin embargo es preferible hacer Ia
prueba con la máquina en reposo. La prueba debe ser complementada
con una cuidadosa inspección visual para asegurarse que no hay posibles
trayectorias paralelas que no estén aisladas.
b) MÉToDo 2. una capa de papel pesado es localizada al rededor del
eje para aislar la chumacera del cojinete no aislado. El acople de las
unidades accionadoras o accionadas debe ser diseñado, si no esta
aislado. Entonces, de una fuente de 110-125 voltios con una lampara de
filamento apropiada para el voltaje del circuito o con un voltímetro de mas
o menos 150 voltios de escala máxima. Con una resistencia de rango
100-300 clA/ puesta en serie con la fuente de voltaje, las dos puntas
deben estar en contacto, una al cojinete aislado y la otra a la armadura (a
93
través del aislamiento). Si el filamento de la lampara no muestra color (o
si la lectura del voltímetro no excede los 60 voltios) el aislamiento debe
ser considerado satisfactorio.
Un megometro de 500 Voltios puede ser utilizado también este es mucho
más sensible que el método anterior y puede tender a rechazar el
aislamiento, el olal, en realidad, es adecr¡ado para impedir un voltaje de
eje pequeño de las corrientes peligrosas causantes.
6.2.5 Grabaciones uaando una bobina telefónica transductora. Estas
han sido utilizadas en medir las tendencias de una fuente magnética
residual, sin embargo no puede ser utilizada para las otras tres fuentes de
potenciales del eje. Este método consiste en grabar las señales de una
bobina telefónica transductora en varias ubicaciones de fansiciones del
campo magnético a lo largo de operaciones consecutivas. Un ejemplo de
ubicaciones son las partes de las bridas y las ubicaciones de la base del
montaje. Las señales son grabadas periódicamente en una grabadora de
cintas y luego graficadas. Un incremento en las señales puede indicar un
incremento del campo magnético, indicando una necesidad para una
posible acción conecfiva.
6.2.6 Mediciones del campo magnético. Similar a las lecturas de
contestación telefónicas, estas mediciones son tomadas también en las
94
separaciones de la armadura mientras la máquina esta operando. Debe
ser utilizado un gausometro electrónico ajustado para medir campos AC
utilizando una sonda de efecto Hall en estas mediciones. De nuevo, las
lecfuras son útiles para determinar un incremento en la intensidad del
campo magnético asociado presumiblemente con actividad magnética
residual intema.
6.2.7 Reconocimiento de corrientes circulantes en el eje. El mejor
método para determinar la presencia y severidad de las conientes en eje
es probablemente a través de una inspección de las partes afectadas. A
menudo, los cojinetes, retenes, etc. son reemplazados durante los
procesos normales de mantenimiento, y la máquina vuelve a ponerse en
servicio. Un tiempo después, las partes son observadas detalladamente,
y se demuestra que las partes son afeciadas por las conientes en el eje.
En este punto, el trabajo de identificación de la c€¡usa y eliminación de
fuentes de voltaje es mucho más difícil desde que la máquina este en
marcha. Hay cuatro tipos distintos de daño de conientes de eje:
o Escarcha.
Vestigios de chispas.
Picadura.
o Soldadura.
95
Los tres primeros tipos de daño deben ser cuidadosamente visualizado
bajo un microscopio puesto que son fácilmente y a menudo mal
diagnosticadas como daño por químico o mecánico. Es requerida la
magnificación entre 50-100 veces para esta inspección.
a) Escarcha. Este es, de hecho, el tipo más común de daño de corriente
de eje. Las partes afectadas son rodamientos, empaques, retenes,
cojinetes, y en una menor extensión, engranajes. La apariencia es la de
una superficie arenosa, y la totalidad de la superficie disponible esta
afectada. El daño no es notado a simple vista debido a su apariencia a
lisa. Cuando se observa por un microscopio la superficie escarchada es
vista como pequeños cráteres individuales. La base de los cráteres es
muy redonda y brillante, lo cual es indicativo del fundimiento que ha
ocunido. Esta escarcha ocune durante la descarga de voltaje y es
comúnmente referido al maquinamiento de descarga elécfrica (MDE) o
electrólisis. Mientras ocurre MDE, el material es removido. Algunas
veces, el ataque químico da una apariencia similar al escarchamiento; sin
embargo, las marcas son más pequeñas, no tan profundas, y apare@n
áridas. La espectroscopia de rayos X puede ser utilizada para determinar
si la superficie estaba contaminada es esta forma.
96
b) Vestigios de chispa. La apariencia inicial de estas huellas es la de
rasguños en la superficie antifricción de los cojinetes por partículas
extrañas en la lubricación o en el aceite y son a menudo desviados en la
dirección de rotación. un examen más detallado, sin embargo, revela que
son de naturaleza muy inegular y a menudo oblicuas a la dirección de
rotación. Bajo magnificación, la base de las huellas están algunas veces
fundidas, y las esquinas son en forma aguda, mientras que encontraste,
una partícula de henamienta o suciedad dejaría esquinas redondeadas.
La profundidad de las huellas de cfrispas es generalmente la misma sobre
toda su superficie.
c) Picadura. Este daño es listado separadamente del de tipo escarcha
puesto que generalmente es mucho más grande en tamaño (de 1t32 a 1t4
de pulgada) debido a que su fuente es extremadamente poderosa. A
menudo ocr¡rre en los dientes de los engranajes o en la parte trasera de
los cojinetes o empaques y algunas veces entre las divisiones de la
armadura. A diferencia de la escarcha, donde la superficie entera podría
ser afeclada, la picadura ocune más aleatoriamente, y a menudo es
posible contar la cantidad de descargas. La apariencia de los agujeros es
similar a la de los cráteres de escarcha, esto es, a menudo tienen la base
redonda brillante. Algunas veces la perforación se confunde con la
corrosión tipo initante. En este caso, es ne@sario un metalurgista
calificado para decir la diferencia.
97
d) Soldadura. La soldadura de las partes tales como divisiones de la
armadura, caucfros y empaques ha ocunido debido a la gran cantidad de
coniente (ciento de amperios) que pasa a través de ellos. Son evidentes
fácilmente a simple vista como manchas de soldadura y, a menudo
completamente, tienen que ser removidos por metzos o por otros medios
mecánicos. Este daño usualmente es el resultado de un trastomo en el
proceso de permitir momentáneamente que un rotor haga contacto con el
estator, por tanto produciendo un gran flujo de coniente. Este fenómeno
es tratado como auto excitación.
7. CONCLUSIONES
Con el objetivo de presentar en forma más comprensiva el análisis de las
fallas, en este trabajo, estas se han desarrollado con base en el
agrupamiento de las partes rotativas del motor y del medio de operación
como son: sistema mecánico, sistema electromeúnico y factores extemos.
Existen tres factores decisivos que influyen en el origen de las fallas en los
motores, estos son: el usuario; quien requiere el motor y debe realizar un
adecuado plan de mantenimiento para la vida del motor. El proyectista; es et
encargado de hacer el análisis de la selección del motor teniendo en cr.¡enta
su función especifica y las condiciones en las cr¡ales va a operar dicho motor.
El fabricante; es el que suministra el motor elegido cumpliendo con todas las
especificaciones técnicas tanto de diseño como de fabricación.
si alguno de estos tres factores no a.rmple su papel a cabalidad,
inevitablemente tiene como consecuencia que el motor tarde o temprano
falle.
99
La principal causa de las fallas en el motor es originada en los cojinetes,
debido al contacto deslizable o rotatorio de sus componentes, traduciéndose
en vibración-ruido y ruptura de sus partes.
Las banas del motor son causa de falla frecuentemente en los motores; en el
momento del ananque especialmente bajo carga, altas corrientes eléclricas
fluyen por las banas del rotor. Este flujo produce mucha tensión en las
barras produciendo la ruptura de estas.
Uno de los aportes más significantes esta en orientar los recursos hacia la
detección de fallas más comunes en los motores, y así garantizar la
continuidad del servicio de la máquina, también hacer reparaciones
planeadas. Es más beneficioso hacer detecciones de fallas, que tener que
realizar reparaciones de fallas en el momento menos esperado.
mharsldtd Aufónoms de Occilmt¡stcfioN BrBl It r t0A
BIBLIOGRAFIA
BONNET, Austin, H. and soukup, George c. Cause and Analysis of stator
and Rotor Failures in Tree-Phase Squine Cage Induction Motors. En: IEEE
Transactions on Industry Applications. Vol. 28, No 4 (Jul/Aug, 1992); p. 928-
937.
cosrEllo, Michael J. shaft voltages and Rotating Machinery. En: IEEE
Transactions on Industry Applications. Vol. 29, No 2 (Mar/Apr, 1993); p. 419-
425.
CHO, K. Rae; LANG, Jeffray H. and UMANS, Stephen D. Detection of
Broken Rotor Bars in Induction Motors Using State and parameter
Estimation. En: IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 2g, No 3
(May/Jun, 1 992); p. 702-7 09.
101
ELKASAB GY, Nagrwa; EASTHAM, Anthony and DAWSON, Graham.
Detection of Broken Bars in the Cage Rotor on an Induction Machine. En:
IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 28, No 1 (Jan/Feb, 1992); p.
165-171.
MONTEALEGRE, Diego A. y cAlcEDo, Jaime. Análisis de Fallas en los
Motores Eléctricos de Inducción. Tesis, Universidad Autónoma de Occidente,
1995.
vlcroRlA, Abelardo y TovAR, Jairo. El Análisis de vibraciones como
Herramienta en el Mantenimiento Preventivo y Predictivo en Máquinas
Rotativas. Tesis, Universidad Autónoma de Occidente. 1gg5.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
t1l P.l. Nippes, "shaft cunents in turbomachiner¡/, presented at the short
course at the 16th turbomachinery symp. Texas A&M University, Dallas,
oct. 1987.
I2l Nagwa M. Elkasabgy, Anthony R. Eastman and Graham E. Daueon,
'Detection of broken bars in the cage rotor on an induciion machine,'.
IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No.1, pp. 16*171,
Enero/Febrero 1992.
t3l G.B. Kliman and J. Stein, "lnduciion motor fault detection via passive
cunent monitoring," in Proc. Int. Conf. Elec. Mach., Aug 1gg0, pp.13-11.
[4] Elec. Mach. Povrer Syst. "Methods of motor cunent signature analysis,'
Vol. 20, No 5 , pp. 463474, Sept. 1992.
103
I5l R.R. schoen and r. G. Habeiler, "Effects of time-varying loads on
rotor fault deteccion in induction machines,' in Conf. Rec. 2gth Annu. IAS
Meering, Oct. 1993, pp. 32+330.
t6] R. K. Mobley, An Introducction to predictive Maintenance. New york:
Van Nostrand Reinhold. 1990.
I7l R. L. sch¡ltz, 'Forcing frequency identification of roiling element
bearings,' Sound and Vibration, pp. iG-19, May 1990.
t8l Randy R. schoen, Thomas G. Habeiler, Fam¡kh Kamran, and Robert
G. Bartheld, "Motor bearing damage detection using stator cunent
monitoring,' in IEEE Transactions on industry applications, vol. 31 No 6,
pp. 1274-1279, Nov. Dic. 1995.