Fiabilidad e intervalos de mantenimiento largos son esenciales en los motores de tracción ferroviarios. Por ello, SKF ha desarrollado soluciones de unidades de rodamientos específicas basadas en rodamientos rígidos de bolas y rodamientos de rodillos cilíndricos.
Tecnología
Las condiciones operativas de los rodamientos usados en los motores de tracción son muy diferentes de las que rigen normalmente en los motores eléctricos empleados en otras industrias. La clave de un coste de ciclo de vida menor está en el diseño. La tendencia en el desarrollo técnico se orienta hacia un aumento en el uso de unidades listas para montaje o subsistemas que incorporan características técnicas adicionales. Tal es el caso en las aplicaciones de ferrocarriles, donde cada vez es mayor el uso de unidades de rodamientos obturadas y engrasadas de por vida. La unidad de rodamiento para motores de tracción TMBU (Traction Motor Bearing Unit) de SKF es una unidad prelubricada y obturada, lista para ensamblarse directamente al motor de tracción.
EL CONCEPTO TMBU
Los más de 85 años de saber hacer sobre rodamientos para motores de tracción de SKF han respaldado los objetivos de fiabilidad y bajo coste de ciclo de vida de todo tipo de sistemas de control. Con conocimientos en rodamientos, servicios, obturaciones, sistemas de lubricación y mecatrónica, SKF ha desarrollado soluciones de sistemas altamente fiables y únicas, como unidades de rodamientos obturadas y prelubricadas provistas de sensores para disposiciones de rodamientos fijas (rodamientos rígidos de bolas) y libres (rodamientos de rodillos cilíndricos).
La unidad de rodamiento para motores de tracción de SKF tiene un diseño compacto, y es robusta, fiable y ligera. También debe soportar entornos difíciles con un alto nivel de contaminación y humedad, así como variaciones en la velocidad, temperatura, carga, vibraciones y cargas de impacto.
La TMBU ofrece nuevas posibilidades para ahorrar espacio, simplificar el montaje, prolongar los intervalos de mantenimiento y obtener un mejor rendimiento. Los daños potenciales ocasionados por el paso de corriente eléctrica pueden evitarse aislando con recubrimiento cerámico, o mediante el uso de rodamientos híbridos provistos de elementos rodantes de cerámica.
APLICACIONES EN TRANVÍAS DE PISO BAJO
Actualmente la mayoría de los tranvías se diseñan con el piso bajo para facilitar la entrada de los pasajeros. Debido a las limitaciones de espacio, deben emplearse motores de tracción y sistemas de control especiales. El diseño más reciente (fig. 1) se basa en una disposición de eje hueco y un cardán integrado que acciona directamente la rueda independiente. En ambos lados se usa una unidad TMBU híbrida para ganar espacio en dirección axial. Un sensor de posicionamiento absoluto integrado con detección de velocidad adicional contribuye aún más al ahorro de espacio. La TMBU montada con libertad axial se basa en un diseño de rodamientos de rodillos cilíndricos, y la TMBU en la posición fija, en un diseño de rodamientos rígidos de bolas.
La TMBU es una unidad de rodamiento obturada y prelubricada, diseñada para montaje embridado en el soporte. Se selecciona una grasa especial para conseguir una vida prolongada, incluso a altas temperaturas de funcionamiento. La unidad de rodamiento está equipada con obturaciones laberínticas sin contacto ni fricción.
Para aumentar la fiabilidad, el aislamiento eléctrico se obtiene usando un rodamiento con revestimiento INSOCOAT o un diseño híbrido con elementos rodantes de cerámica.
El concepto TMBU permite ahorrar espacio, sobre todo en dirección axial. Usando estas unidades puede obtenerse más potencia de tracción para un mismo tamaño de motor.
DISEÑO DE LA UNIDAD DE RODAMIENTO
La TMBU para montajes fijos se basa en un diseño de rodamientos rígidos de bolas (fig. 2). Esta unidad obturada y prelubricada tiene un disco integrado en el aro exterior que se atornilla a la tapa del motor de tracción. Puede obtenerse aislamiento eléctrico, ya sea mediante un diseño híbrido basado en bolas cerámicas o con una capa de aislamiento eléctrico INSOCOAT en el agujero del aro interior. Es una unidad de pocas piezas que ahorra espacio y permite un montaje muy fácil.
El diseño de la TMBU para montajes libres se basa en un rodamiento de rodillos cilíndricos (fig. 3). Esta unidad de rodamiento obturada y prelubricada tiene un disco integrado en el aro exterior, atornillado a la tapa del motor de tracción. El aislamiento eléctrico se consigue aplicando una capa de revestimiento aislante INSOCOAT en el agujero del aro interior, o usando un rodamiento híbrido provisto de rodillos cerámicos.
Con rodamientos híbridos basados en rodamientos rígidos de bolas y de rodillos cilíndricos se mejoran aún más las propiedades de aislamiento eléctrico, especialmente en aplicaciones de sistemas de convertidores de alta frecuencia modernos. Estos rodamientos están provistos de elementos rodantes fabricados de nitruro de silicio que les proporcionan unas propiedades de aislamiento eléctrico de primera línea, incluso con frecuencias muy altas. En comparación con los rodamientos totalmente de acero, las unidades híbridas se caracterizan por ahorros de energía debido a una menor fricción y mayor precisión. Ello comporta una temperatura de funcionamiento más baja, mayor vida de la grasa y, en consecuencia, intervalos de mantenimiento más largos.
FUNCIONES DEL SENSOR
El sistema de sensor incremental integrado (figs. 4 y 5) ofrece varias posibilidades de detección y medición, como detección de posicionamiento absoluto para dispositivos de control del motor de tracción, detección del sentido y de la velocidad de rotación de sistemas de control de frenado y, si fuera necesario, medición de la temperatura para monitorizar el estado.
Ambos sensores están integrados en el sistema de obturación del aro exterior de la unidad de rodamiento.
Este diseño ofrece las siguientes ventajas al cliente:
- Importante ahorro de espacio, sobre todo en dirección axial, en comparación con los dispositivos de sensorización convencionales.
- Menor número de piezas.
- Alta resolución y precisión.
- Un diseño robusto, de larga duración.
Para los más sofisticados sistemas de propulsión de CA de motores de tracción se precisa de un sistema de posicionamiento del rotor con una precisión muy elevada. SKF ha desarrollado una tecnología de sensores completamente nueva para conseguir una precisión en el posicionamiento del ±0,075% en los 360° de la circunferencia, y una resolución de 5632 pulsos por revolución. Este sistema de sensor puede usarse tanto en aplicaciones de eje pasante como en extremos de ejes. El rango de temperaturas de funcionamiento es de entre –30 °C y 105 °C. La unidad de sensor completa se ha ensayado según la norma de aplicaciones ferroviarias EN 61373 para validar su resistencia a impactos y vibraciones. La compatibilidad electromagnética es conforme con la norma internacional. Los sensores llevan la marca CE para indicar conformidad con los requisitos esenciales de salud y seguridad establecidos en las directivas europeas.
EL TRANVÍA DE PISO BAJO ŠKODA 15 T
Con 140 años de historia, la marca Škoda tiene fama por sus vehículos y maquinaria. Actualmente Škoda Trakcní Motory (motores de tracción Škoda) es la principal división de la empresa Škoda Electric a.s., recientemente constituida en Plzeň, en la República Checa, un proveedor líder de motores de tracción eléctricos. Škoda suministra sistemas de tracción a la industria ferroviaria de todo el mundo, principalmente a la de Austria, Alemania, China, Corea del Sur y Estados Unidos, así como a la de su mercado nacional. Su poderosa cartera de productos está relacionada con motores de tracción para aplicaciones de transporte público. Škoda Trakcní Motory ha analizado cuidadosamente la forma de simplificar la disposición de rodamientos y conseguir intervalos de mantenimiento más prolongados. En 1996 la empresa realizó los primeros ensayos con unidades TMBU, y este sistema ahora se aplica en la mayoría de los nuevos diseños de motores de tracción. Además, Škoda Transportation s.r.o. es un fabricante tradicional de vehículos ferroviarios; ha realizado labores de investigación en el sector de los tranvías durante los diez últimos años y es uno de los principales proveedores de estos vehículos, especialmente en Europa central.
El diseño más reciente de Škoda es un tranvía de piso bajo 100% (fig. 6), también conocido con el nombre ForCity. La compañía de tranvías de Praga ya ha cursado pedido de 250 unidades de tres coches. El primer prototipo se construyó en 2008 y se presentó en la Feria InnoTrans de Berlín. Las primeras series de tranvías se suministrarán en 2009. Su diseño es único en su clase y utiliza bogies basculantes en los vehículos de piso bajo 100%. Para mantener los ruidos a un nivel mínimo, el tranvía ForCity no tiene reductoras. Su motor de tracción de baja velocidad se refrigera con agua y acciona las ruedas directamente a través de un cardán. Por tanto, podría decirse que es un sistema de tracción directa. El tranvía de tres coches alcanza una longitud de 31,4 metros y 2,46 metros de anchura. El vehículo es completamente diáfano y está diseñado para sofisticadas líneas de tranvías en Praga. Posee cuatro bogies de tracción de una altura extremadamente reducida. Cada rueda está accionada por un motor síncrono con imanes permanentes, controlado por un inversor SkiiP especial, que consta de módulos IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) inteligentes. Los tranvías poseen 16 motores de tracción HLU 3436 P/44-VA . Un sistema de control individual para cada rueda y el bogie basculante brindan al vehículo unas propiedades óptimas al tomar curvas, reduciendo al mínimo el desgaste de las ruedas y el ruido. La tecnología de tracción completamente nueva es esencial para las excepcionales características de conducción de este vehículo.
DESCRIPCIÓN DEL MOTOR DE TRACCIÓN
El motor HLU 3436 P/44-VA consta principalmente de un bastidor, un estátor con devanado, un motor, protecciones de rodamiento y unidades de rodamientos. El bastidor del motor está soldado, contiene canales que se usan como salida del líquido refrigerante, y lleva insertado un circuito magnético laminado que incluye el bobinado de la armadura. Las tomas de las bobinas están conectadas al conector de fuerza. El rotor consta de un circuito magnético laminado, recubierto axialmente con chapas. Los polos de la máquina –imanes permanentes– están unidos al circuito, y su fijación se realiza mediante barras de anclaje. En ambos lados del bastidor del motor hay una protección que soporta la unidad de rodamiento. Además, el bastidor está provisto de un sistema de fijación al bogie. Los elementos rodantes de las unidades de rodamientos son de cerámica. La unidad de rodamiento de bolas lleva dos sensores: uno para el control del motor y el otro para el sistema de frenos.
La labor de investigación y desarrollo del motor síncrono de funcionamiento lento con imanes permanentes ha sido posible gracias a una amplia colaboración entre especialistas de ŠKODA ELECTRIC, VUES Brno y SKF.
Como conclusión puede decirse que los intervalos de mantenimiento más dilatados que ofrece el diseño de la unidad de rodamiento para motores de tracción, o TMBU, brinda nuevas posibilidades para reducir el coste del ciclo de vida. Es un diseño que ahorra espacio y componentes, y es fácil de montar. La experiencia también ha confirmado hasta ahora las esperanzas de que el régimen de mantenimiento pueda espaciarse considerablemente.
INSOCOAT y NOWEAR son marcas registradas del Grupo SKF.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS BÁSICAS DEL MOTOR
El motor HLU 3436 P/44-VA de ŠKODA ELECTRIC cumple con las siguientes especificaciones cuando el suministro de energía se obtiene de un inversor de 3 x 420 V con una modulación de pulso de 5 kHz:
Valores nominales de motor síncrono con imanes permanentes Par nominal 1460 Nm
Corriente nominal 85,4 A
Velocidad nominal 196 r/min
Velocidad máxima 706 r/min
Par máximo 2270 Nm
Factor de carga S5
Dimensiones del motor integrado 370 x 434 x 470 mm
Transmisión de par Eje cardán
Peso 252 kg
Rodamientos SKF para el motor
Rodamiento fijo:
TMBU híbrido (unidad de rodamiento de motor de tracción) con sensores de posicionamiento y velocidad integrados (rodamientos rígidos de bolas)
Rodamiento libre:
TMBU híbrido (rodamiento de rodillos cilíndricos)
Suspensiones de bogie SKF
Bogies equipados con coronas de orientación
