Motores Electricos

MANTENIMIENTO Y REPARACION DE MOTORES ELECTRICOS por Ing. Ciro Martínez T. ANTECEDENTES Los problemas de los motores eléctricos han sido enfocados mayormente desde el punto de vista eléctrico sin embargo la mayoría de reparaciones de los motores eléctricos son por fallas mecánicas. La estadística de las fallas nos indica la siguiente distribución: Fallas en General En las reparaciones mecánicas, la mayor cantidad de fallas es por interferencia entre: - La pista interior del rodamiento y el eje. La pista exterior y el alojamiento Fallas Mecánicas 1. CONSIDERACIONES PARA ELEVAR LA CONFIABILIDAD DE LAS REPARACIONES 1.1 INSTALACION DE LOS RODAMIENTOS Los rodamientos son elementos de precisión que requieren técnicas y consideraciones especiales para asegurar un servicio confiable del equipo. Los rodamientos tienen muchas especificaciones para cada tipo de aplicación que deben ser comprendidos antes de seleccionar e instalar el rodamiento. Las Dimensiones y Tolerancias de fabricación son dados por la ABEC (Annular bearing Engineer´s Committee), el rango de tolerancias son del 1 al 9, para motores eléctricos se utiliza el nivel 1; otra especificación importante es la Tolerancia Radial Interna del rodamiento que comúnmente esta designado con la letra ¨C¨, ¨CN¨ es la más utilizada por motores eléctricos y las tolerancias son dados en micras (um). C1 C2 CN C3 C4 Menos tolerancia radial interna Más tolerancia radial interna TOLERANCIA INTERNA RADIAL PARA RODAMIENTOS RADIALES DE BOLAS DE UNA SOLA HILERA SIN CARGA (ISO 5753) Valores en micras um Diám. Nom. C2 CN C3 C4 C5 (mm) + De Hasta Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx 10 10 0 7 2 13 8 23 14 29 20 37 10 18 0 9 3 18 11 25 18 33 25 45 18 24 0 10 5 20 13 28 20 36 28 48 24 30 1 11 5 20 13 28 23 41 30 53 30 40 1 11 6 20 15 33 28 46 40 64 40 50 1 11 6 23 18 36 30 51 45 73 50 65 1 15 8 28 23 43 38 61 55 90 65 80 1 15 10 30 25 51 46 71 65 105 80 100 1 18 12 36 30 58 53 84 75 120 100 120 2 20 15 41 36 66 61 97 90 140 Al ser medidos con carga las tolerancias radiales se incrementan, considerar el siguiente cuadro. Diámetro Nominal (mm) + De Hasta 10 18 18 50 50 280 Carga de medición (KN) 0.025 0.05 0.15 Valores en micras um Incremento de la tolerancia radia (um)l C2 3a4 4a5 6a8 CN 4 5 8 C3 4 6 9 C4 4 6 9 C5 4 6 9 2 Para asegurar que la apropiada tolerancia interna sea mantenida se requiere lograr una apropiada interferencia entre el rodamiento, el eje y su alojamiento. Por ejemplo las interferencias para el rodamiento 6313 C3 de un motor de 350 HP son: Rodamiento 6313 C3 Eje con pista interior (φ 65 mm) Alojamiento con pista exterior (φ 140 mm) Valores en micras um Ajuste ISO k5 Ajuste ISO H6 +2 a +15 0 a + 25 El rodamiento al ser instalado con interferencia con el eje y alojamiento, se reducirá el juego radial inicial interno, pero si se instala de acuerdo a los ajustes recomendados que consideran también la disminución del juego por efecto de la temperatura; siempre existirá un juego radial suficiente para una operación apropiada, los rodamientos para ser instalados generalmente son calentados, pero si se calienta a temperaturas mayores que 120ºC el rodamiento se dilatará y sufrirá cambios dimensionales irreversibles. Es recomendable utilizar calentadores de inducción para poder controlar exactamente la temperatura de la pista interior y también debe ser capaz de desmagnetizar el rodamiento. 3 TABLA DE AJUSTES DE RODAMIENTOS RADIALES CON EL EJE Y CON EL ALOJAMIENTO Diámetro Nominal del Agujero (mm) + De Hasta 10 18 18 30 30 50 50 80 80 100 100 120 120 160 Eje j5 k5 k5 k5 k5 k5 m5 Tipo de Ajustes Alojamiento H6 H6 o H7 o J6 o J7 H6 o H7 o J6 o J7 H6 o H7 o J6 o J7 H6 o H7 o J6 o J7 K7 K7 TOLERANCIA DE AJUSTES ISO PARA EJES Medidas en micras um Diám. Nominal (mm) j5 k5 m5 + De Hasta Máx Mín Máx Mín Máx Mín 10 18 +5 -3 18 30 +11 +2 30 40 +13 +2 40 50 +13 +2 50 65 +15 +2 65 80 +15 +2 80 100 +18 +3 100 120 +18 +3 120 140 +33 +15 140 160 +33 +15 TOLERANCIA DE AJUSTES ISO PARA AGUJEROS Medidas en micras um Di. Nom. (mm) H6 H7 J6 J7 K7 + De 10 18 30 40 50 65 80 100 120 140 Hasta 18 30 40 50 65 80 100 120 140 160 Máx +11 +12 +16 +16 +19 +19 +22 Mín 0 0 0 0 0 0 0 Máx Mín Máx Mín Máx Mín +21 +25 +25 +30 +30 +35 +35 0 0 0 0 0 0 0 +8 +10 +10 +13 +13 +16 +16 -5 -6 -6 -6 -6 -6 -6 +12 +14 +14 +18 +18 +22 +22 -9 -11 -11 -12 -12 -13 -13 Máx Mín +10 +12 +12 -25 -28 -28 4 1.2 LUBRICACION DE RODAMIENTOS La lubricación inadecuada es una de las causas más frecuentes de falla de rodamientos, los motores son generalmente lubricados por aceite o por grasa y tienen la función de: 1.2.1 Reducir la fricción y el desgaste El lubricante actúa formando una película que reduce la fricción y el desgaste entre las áreas de contacto de los rodamientos; pistas interiores, pistas exteriores, billas y canastilla. 1.2.2 Extender la vida al rodamiento (aminora el efecto de la fatiga) La vida del rodamiento por efecto de la fatiga depende en gran parte de la viscosidad y del espesor de la película que cubren las áreas del rodamiento en contacto, generalmente las películas fuertes son las más convenientes para prolongar la vida del rodamiento. 1.2.3 Enfriar al rodamiento La circulación del aceite es utilizado para quitar el calor generado por fricción y para prevenir la corrosión del rodamiento. Una de las fallas principales es causada por exceso de lubricante, el incremento de la fricción y del calentamiento reducen la vida del rodamiento. Se ha observado que; - El torque más bajo por fricción en un rodamiento, es cuando la cantidad de aceite es la mínima necesaria para formar una película delgada de aceite entre las superficies de contacto. - Se incrementa la fricción cuando mayor sea la cantidad de aceite lubricante. - Se incrementa la fricción cuando mayor sea la viscosidad del aceite lubricante. - El aceite y cárter deben ser conservados limpios, unas cuantas gotas de agua en el aceite bastaran para reducir en forma significativa la vida del rodamiento. Con solamente el 0.1% de contenido de agua la vida de un rodamiento se reduce el 40%. Las cajas de rodamientos que trabajan caliente durante el día y frío durante la noche (ciclo repetitivo) causa condensación de la humedad dentro del alojamiento del rodamiento, esta condición ha sido superada evitando el uso de sellos deteriorados y seleccionando adecuadamente los sellos de acuerdo a cada aplicación. La mayoría de los rodamientos de los motores son lubricados con grasa que periódicamente se adiciona, pero; muchas veces no se quita el tapón de drenaje, para permitir que el exceso de grasa salga. En algunos motores es dificultoso alcanzar el tapón cuando el motor 5 trabaja, en ellos se deben instalar tuberías de extensión con un tapón roscado en el extremo para el drenaje de la grasa usada. Los rodamientos lubricados pueden ser; abiertos, semisellados o sellados, los rodamientos sellados no son recomendados para motores cuya potencia es mayor que 5 HP o que giran a más de 1800 RPM. Los rodamientos no sellados que son excesivamente engrasados trabajan calientes y fallan prematuramente, cuando se inyecta demasiada grasa y no se quita el tapón de drenaje a los rodamientos semisellados es muy probable que el sello llegue a colapsar contra las billas. 2. METODOS DE REPARACION DE ALOJAMIENTOS DE RODAMIENTOS Típicamente los motores eléctricos tienen un rodamiento radial fijo (lado libre) y el otro rodamiento es instalado con una tolerancia que les permite al diámetro exterior del rodamiento deslizarse en el diámetro interior del alojamiento para acomodarse axialmente por dilataciones térmicas. Si este rodamiento es instalado con demasiado ajuste fallará por efecto de las fuerzas de empuje no aliviadas. El ajuste del rodamiento en su alojamiento es muy importante y las futuras reparaciones que se efectúen deben lograrse el mismo ajuste inicial, no es fácil lograr este ajuste inicial cuando el alojamiento es recuperado por metalizado o cromado y si no esta correctamente aplicado fácilmente puede fisurarse y deteriorarse. El método más popular y fácil es el embocinado que se instala con interferencia en el alojamiento y luego se maquina el diámetro interior, a la tolerancia inicial recomendada. 3. TECNICAS DE REPARACION DE EJES Los ejes son reparados generalmente como resultado de la mala instalación o lubricación de los rodamientos, el eje volverá a fallar si no se ha empleado adecuadamente las técnicas de reparación o no se han conseguido las especificaciones de diseño del eje. Típicamente las fallas en el eje de un motor se producen en dos lugares; en el lado del acoplamiento y en los apoyos de los rodamientos. La falta de ajuste entre el eje y la pista interior del rodamiento causará desgaste del eje por movimiento relativo entre dichos elementos, el deterioro se manifestará como un cambio de color del metal por sobrecalentamiento superficial y pérdida del brillo por acabado en las áreas de fricción y si hay falta de ajuste en el cubo del acoplamiento se producirá cabeceo del cubo. Para reparar estas fallas hay cuatro métodos de reparación que dan buenos resultados si son correctamente aplicados: 3.1. Metalizado 3.2. Cromado 6 3.3. Soldadura 3.4. Embocinado Estas técnicas para ser confiables requieren; una apropiada preparación de la superficie y ejecutar rígidamente los procedimientos de aplicación. Por ejemplo, para que el Cromado sea confiable su espesor debe ser mayor que 0.005 pulgadas y menor que 0.025 pulgadas y para que el agarre del embocinado sea eficiente el acabado superficial de las áreas de contacto deben ser rectificados hasta lograr una aspereza superficial de 0.8 um a 0.1 um. 4. CONSIDERACIONES DE INSTALACION DE MOTORES ELECTRICOS Hay muchos aspectos que si son ejecutados en forma correcta mejoran la confiabilidad, disponibilidad y disminuyen los gastos de mantenimiento del motor; las consideraciones mas importantes son las siguientes: 4.1. Diseño de la cimentación y del patín El diseño apropiado de la cimentación y del patín es muy importante para el buen funcionamiento del motor, hay que considerar que el mejor y más caro motor funcionara mal, si esta instalado en una base defectuosa, en general; la base debe ser nivelada y el grouting debe estar libre de cavidades. Como regla general la tolerancia de nivelación es el siguiente; 0.0005 pulgadas por cada pie de longitud y deben medirse longitudinal y diagonalmente entre los apoyos del motor. 4.2. Eliminación de las patas cojas La eliminación de las patas cojas es fundamental para evitar; la alta vibración a 2xFL (7,200 CPM) y la temperatura anormal de los rodamientos, por distorsión de la carcaza del motor al momento de ajustar los pernos del motor al patín, causando variación del entrehierro; aumenta por un lado y disminuye por el otro. Si al medir (con gauge de laminas) la magnitud de las patas cojas, éstas son excesivas por defectos del motor entonces es recomendable maquinar sus patas. No se deben instalar jebes ni almohadillas como aisladores de vibración entre las patas y la base de los motores eléctricos, la máxima vibración total en el taller no debe ser mayor que 2.54 mm/seg y filtrado a la frecuencia de 7,200 CPM no debe ser mayor que 0.5 mm/seg. Hay que notar algunos casos especiales en que las vibraciones filtradas a 7,200 CPM pueden estar presentes aún cuando no hay patas cojas y cuando se afloja alguna pata la vibración a 7,200 CPM desaparece, este fenómeno se presenta cuando hay resonancia en el estator de algunos motores, porque al aflojar una de las patas la rigidez se reduce, la frecuencia natural cambia, coincide con la frecuencia de excitación y por lo tanto; se produce la resonancia. 4.3. Selección del alineamiento apropiado 7 La selección del alineamiento apropiado es fundamental para reducir los esfuerzos en los apoyos, mantener bajos los niveles de vibración y lograr que los rodamientos tengan mayor vida útil, se deben considerar los siguientes parámetros: 4.3.1. Límites tolerables de desalineamiento del acoplamiento 4.3.2. Temperaturas normales de operación de las patas, alojamientos de rodamientos; del motor y de la maquina movida para calcular la compensación por dilatación. Luego de calcular el alineamiento deseado, alinear por el método del dial invertido, eliminando previamente cualquier tensión en la máquina movida o motriz. 5. GUIAS GENERALES DE REPARACION PARA MOTORES DE BAJA POTENCIA INFERIORES DE 300 HP Se debe establecer una guía de especificaciones para las reparaciones que deberían incluir lo siguiente: 5.1. Guías de inspección de la parte mecánica del motor. 5.2. Guías de inspección de la parte eléctrica del motor. 5.3. Guías de pruebas de aceptación del motor ITEM 1 2 3 4 5 6 7 TIPO DE INSPECCION Redondez del eje o coupling (3600RPM) Redondez del eje o coupling (<3600RPM) Balanceo dinámico Vibración total Ajuste del rodamiento en su alojamiento Ajuste del rodamiento en el eje Ajuste del cojinete plano en su alojamiento TOLERANCIA Máx. : 0.001 pulg TIR Máx. : 0.0015 pulg TIR 4 gr - pulg / plano Máx.: 2.54 mm/seg ISO H6 ISO k6 De: 0.002pulg suelto a 0.001 pulg ajustado De: 0.001pulg a 0.0015 por pulg de diámetro del eje Mínimo 80% 8 Huelgo entre el cojinete plano y el eje 9 Superficie de contacto de los cojinetes (medias lunas) con sus alojamientos Concentricidad del entrehierro (3600RPM) < +/- 5% de desviación Concentricidad del entrehierro < +/- 10% de desviación (<3600RPM) 10 11 BIBLIOGRAFIA 1. Moore, Stan “Mechanical Motors, Maintenance and Repair” Quantum Chemical Company, La Porte, Texas, USA. 1994 2. Campbell, W.K. “Diagnosing Alternating Current Electric Motor Problems” Vibration Institute, 1983 3. Maxwell, J. H. “Induction Motor Magnetic Vibration” Vibration Institute, 1982 8