Comprensión de los defectos de las escobillas
Defectos de las escobillas Se trata de problemas en las escobillas de carbón o de metal-grafito que conducen la corriente eléctrica entre las partes fijas y giratorias de los motores de corriente continua, los motores de corriente alterna de rotor bobinado, los generadores y los conjuntos de anillos colectores. Los defectos más comunes son el desgaste de las escobillas, un asentamiento incorrecto, el traqueteo (rebote), la formación de chispas, la contaminación y los problemas de tensión de los resortes. Cada uno de ellos provoca problemas en más de un aspecto: eléctrico (mala transferencia de corriente y formación de arcos eléctricos), mecánico (vibración (por los golpes), y —si no se corrige— daños secundarios en el conmutador o en los anillos colectores.
Las máquinas con escobillas están siendo sustituidas progresivamente por motores de inducción de CA, pero aún están lejos de desaparecer. Los accionamientos de CC, los motores de rotor bobinado, los generadores y una amplia gama de equipos especializados siguen dependiendo de las escobillas, por lo que la detección de defectos en las mismas sigue siendo una parte fundamental de diagnóstico de motores eléctricos y de cualquier fallo eléctrico investigación sobre instalaciones rotativas.
1. Defectos habituales en las escobillas
Desgaste del cepillo
Es normal que se produzca cierto desgaste, pero este puede acelerarse considerablemente:
- Desgaste normal: pérdida gradual de material debida a la fricción —del orden de 1-2 mm cada 1000 horas—.
- Desgaste acelerado: debido a una corriente elevada, una lubricación deficiente (sin película protectora de carbono) o la presencia de impurezas.
- Síntomas: las escobillas se han acortado visiblemente y se están acercando a su longitud mínima.
- Consecuencias: una presión del muelle insuficiente a medida que la escobilla se acorta, lo que provoca un contacto deficiente y un aumento de las chispas.
- Acción: Sustituir cuando se haya desgastado hasta alcanzar la longitud mínima, que suele ser entre un tercio y la mitad de la original.
Vibración de las escobillas (rebote)
Aquí la escobilla pierde contacto con el conmutador de forma intermitente:
- Causas: presión insuficiente del resorte, un conmutador rugoso, externo vibración, o un conmutador excéntrico.
- Síntomas: Chispas visibles, zumbidos o traqueteos audibles, ruido eléctrico
- Vibración: El rebote genera impactos a la frecuencia de paso de las barras del conmutador.
- Daños: acelera el desgaste del conmutador y provoca daños por arcos eléctricos.
- Frecuencia: El traqueteo suele situarse en el rango de 100 a 1000 Hz.
Mal ajuste de las escobillas
- Descripción: La superficie de la escobilla no se adapta a la curvatura del conmutador.
- Causas: escobillas nuevas que aún no se han rodado, una instalación incorrecta o un grado de dureza excesivo.
- Efecto: una superficie de contacto reducida, una alta densidad de corriente local y un calentamiento concentrado.
- Síntomas: chispas excesivas, puntos calientes y desgaste rápido.
- Solución: un procedimiento de rodaje adecuado, la selección correcta del grado de escobilla y piedras de asentamiento.
Contaminación
- Aceite y grasa: reducir la fricción, evitar la formación de una película de carbón y provocar descargas eléctricas.
- Polvo: partículas abrasivas que aceleran desgaste.
- Humedad: favorece la corrosión y altera el contacto eléctrico.
- Acumulación de polvo de carbón: Puede hacer cortocircuito entre segmentos o crear rutas de seguimiento.
Problemas con los resortes de las escobillas
- Muelles débiles: presión insuficiente, contacto deficiente y rebotes.
- Muelles rotos: sin presión alguna, por lo que la escobilla deja de estar en contacto.
- Presión incorrecta: Si es demasiado alta, provoca un desgaste excesivo; si es demasiado baja, provoca un contacto deficiente.
- Corrosión: Los resortes oxidados pierden su elasticidad.
Chispas y arcos eléctricos
- Se observan chispas en el punto de contacto entre la escobilla y el conmutador.
- Entre las causas se encuentran el traqueteo, el mal contacto, la sobrecarga y los daños en el conmutador.
- El daño es progresivo y provoca la formación de picaduras en la superficie del conmutador.
- En el peor de los casos, esto provoca un salto de arco, es decir, un arco eléctrico que une varios segmentos.
2. Firmas de vibración
Vibración relacionada con las escobillas
- Parloteo: vibración de alta frecuencia en la banda de 100 a 1000 Hz al rebotar la escobilla.
- Frecuencia de la barra del conmutador: número de barras del conmutador × RPM / 60.
- Armónicos eléctricos: una familia de armónicos debido a la formación de arcos eléctricos y a las repetidas interrupciones de la corriente.
- Ruido de banda ancha: contenido aleatorio de alta frecuencia generado por chispas.
- Modulación de amplitud: aparece si la excentricidad hace que la presión de contacto varíe una vez por revolución.
Efectos mecánicos secundarios
- La fricción de las escobillas genera fuerzas tangenciales sobre el conmutador.
- Un desgaste desigual de las escobillas puede provocar desequilibrio-síntomas similares.
- Una presión asimétrica del resorte puede alterar el centrado del rotor.
Dado que varias de estas firmas características coinciden en frecuencia con averías mecánicas reales, los problemas con las escobillas son una fuente habitual de confusión a la hora de realizar el diagnóstico; por eso, conviene recordar que siempre hay que comprobar la frecuencia de paso de las barras del conmutador antes de culpar a los cojinetes.
3. Métodos de detección
Inspección visual
- Longitud del cepillo: Mida la longitud restante y sustitúyala si es inferior al mínimo.
- Superficie de contacto: debe ser suave y conforme al conmutador.
- Chispas: Obsérvelo en un lugar a oscuras: es normal que se produzcan chispas ligeras, pero si son abundantes, es un problema.
- Contaminación: Compruebe si hay restos de aceite, polvo o carbonilla.
- Estado del muelle: Compruebe que los resortes estén en buen estado y que proporcionen la tensión adecuada.
Pruebas eléctricas
- Resistencia de contacto de las escobillas: debe ser baja y uniforme en todas las escobillas.
- Presión del resorte: medir con un dinamómetro de resorte —por lo general, entre 1,5 y 3,5 psi de presión de contacto—.
- Caída de tensión: a través de la interfaz entre las escobillas y el conmutador, normalmente menos de 1 V por escobilla.
Métodos vibratorios y acústicos
- Alta frecuencia acelerómetro mediciones para captar los impactos del castañeteo de las escobillas.
- Emisión acústica para detectar arcos eléctricos.
- Monitorización por ultrasonidos para descargas en corona o efecto de rastreo.
- Análisis espectral para aislar la frecuencia de la barra del conmutador.
Imágenes térmicas
- Las escobillas calientes indican un mal contacto o una sobrecarga.
- Los puntos calientes en el conmutador indican problemas localizados.
- Termografía puede revelar un desequilibrio de temperatura entre los conjuntos de escobillas.
4. Medición de la vibración de las escobillas sobre el terreno
Cuando se sospecha que una máquina con escobillas presenta traqueteo o arcos eléctricos, la prueba más práctica consiste en medir las vibraciones de alta frecuencia en la carcasa del portaescobillas. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A permite registrar el espectro y confirmar si la energía coincide con la frecuencia de paso de barra del conmutador o con un patrón de chispas de banda ancha. Si se utiliza junto con una inspección visual en un recinto a oscuras y una prueba de caída de tensión, ayuda a distinguir un defecto real de las escobillas de un problema no relacionado con los cojinetes o el equilibrado; además, una vez instaladas las escobillas nuevas, verifica que el contenido de alta frecuencia haya vuelto a los valores de referencia. El seguimiento de esas lecturas dentro de un monitorización del estado El programa convierte una sustitución reactiva en una planificada.
5. Mantenimiento y corrección
Mantenimiento rutinario de escobillas
- Frecuencia de las inspecciones: mensualmente para máquinas críticas, trimestralmente para aplicaciones generales — una opción ideal para supervisión periódica basada en rutas.
- Limpieza: Aspire el polvo de carbón y limpie la superficie del conmutador.
- Comprobación de longitud: Cambia las escobillas cuando alcancen la longitud mínima.
- Tensión del muelle: Compruebe que la presión sea la correcta.
- Estado del conmutador: Compruebe si hay arañazos, picaduras o barras elevadas.
Sustitución de escobillas
- Utilice el tipo adecuado para la aplicación; consulte al fabricante.
- Cambia todas las escobillas del juego a la vez.
- Asegúrate de que encajan correctamente en los portaescobillas.
- Deja que las escobillas nuevas se asienten durante un periodo de 24 a 48 horas.
- Compruebe de nuevo la presión del muelle tras la instalación.
Mantenimiento del conmutador
- Limpie regularmente con disolventes o piedras homologados.
- Tornee el conmutador si presenta surcos o asperezas.
- Recorte la mica entre las barras en los puntos indicados.
- Compruebe si hay barras demasiado altas, barras sueltas o segmentos dañados.
6. Buenas prácticas en materia de prevención
Prácticas operativas
- Opere dentro de la corriente nominal para limitar el calentamiento de las escobillas.
- Evite arrancar con demasiada frecuencia, ya que la corriente de arranque desgasta las escobillas.
- Mantenga el entorno limpio para evitar la contaminación.
- Controle la humedad; tanto el aire demasiado seco como el demasiado húmedo deterioran el contacto.
Selección y diseño
- Especifique un tipo de escobilla adecuado —blanda o dura— para la densidad de corriente.
- Proporcione un número adecuado de escobillas para la corriente.
- Utiliza un diseño de portaescobillas adecuado.
- Considere alternativas sin escobillas para nuevas instalaciones
Los defectos en las escobillas, aunque son propios de los motores de corriente continua y de las máquinas de rotor bobinado, constituyen aspectos importantes del mantenimiento que justifican una inspección periódica y una sustitución oportuna. Una comprensión clara de los mecanismos de desgaste, unas prácticas de mantenimiento adecuadas y el reconocimiento de los síntomas de diagnóstico permiten que los motores con escobillas funcionen de forma fiable, además de evitar los daños eléctricos y mecánicos que se derivan de descuidar las escobillas.
