Comprensión de la frecuencia de engranaje
Frecuencia de engranaje (GMF — también llamada frecuencia de malla de dientes o frecuencia de contacto de dientes) es la vibración frecuencia generada cuando los dientes del engranaje entran y salen de contacto durante la rotación. Se obtiene multiplicando el número de dientes de un engranaje por la velocidad de rotación de ese engranaje: GMF = (número de dientes × rpm) / 60. La GMF normalmente es el pico dominante en una caja de velocidades espectro de vibración, y su amplitud, sus armónicos, y las bandas laterales alrededor de ella contienen información detallada sobre la condición del engranaje: desgaste, desalineación, defectos en los dientes y adecuación de la lubricación. Por lo tanto, el seguimiento de la GMF es la base del diagnóstico de cajas de velocidades y una parte fundamental para identificar defectos en engranajes antes de que se conviertan en fallas.
1. Cálculo de la Frecuencia de Engranaje
Fórmula básica
La GMF se puede calcular a partir de cualquiera de los miembros de un par de engranajes en malla, y ambos deben dar el mismo resultado porque los dientes se pasan entre sí a una única tasa compartida:
- GMF = Npiñón × RPMpiñón / 60 (desde el piñón)
- GMF = Nengranaje × RPMengranaje / 60 (desde el engranaje)
Ambos son equivalentes porque la relación de velocidades es la inversa de la relación del número de dientes. Tenga en cuenta que la GMF no es un simple velocidad de funcionamiento armónico: es el número de dientes multiplicado por la velocidad del eje, por lo que generalmente cae muy por encima de 1×.
Ejemplos Resueltos
Ejemplo 1 — Caja de Velocidades Simple
- Entrada (piñón): 20 dientes a 1,800 rpm
- Salida (engranaje): 60 dientes a 600 rpm
- GMF = 20 × 1,800 / 60 = 600 Hz
- Verificar: 60 × 600 / 60 = 600 Hz ✓
Ejemplo 2 — Caja de Velocidades de Múltiples Etapas
- Primera etapa: 18 dientes a 3,600 rpm → GMF₁ = 1,080 Hz
- Segunda etapa: 25 dientes a 1,200 rpm → GMF₂ = 500 Hz
- Tercera etapa: 30 dientes a 400 rpm → GMF₃ = 200 Hz
- Espectro: muestra un pico distinto para cada etapa, además de armónicos y bandas laterales.
Calcular esto a mano para cada etapa es tedioso; la Calculadora de frecuencia de engranaje devuelve la GMF y el espaciado esperado de las bandas laterales al instante, y la Calculadora de frecuencia armónica ayuda a ubicar los órdenes de velocidad del eje circundantes.
2. GMF en el Espectro de Vibración
Una Caja de Velocidades Sana
- Pico de GMF: un pico claro y único en la frecuencia calculada.
- Amplitud: moderada y constante con el tiempo.
- Armónicos: 2×GMF y 3×GMF pueden estar presentes pero son pequeños (menos del ~25% de la GMF).
- Bandas laterales: mínimas o ausentes.
- Velocidades del eje: los picos de 1× para los ejes de entrada y salida están muy por debajo de la GMF.
Firmas Anormales
Alta amplitud de GMF
Un aumento en la amplitud de la FME con el tiempo indica desgaste general de los engranajes, desalineación o carga excesiva. La acción consiste en aumentar la frecuencia de monitoreo y planificar una inspección.
Múltiples armónicos de GMF
Picos fuertes de 2×FME, 3×FME y 4×FME indican defectos en los dientes, desgaste severo o un patrón de contacto deficiente; en general, cuantos más armónicos aparezcan, más grave es la condición.
Bandas laterales alrededor de la GMF
Las bandas laterales son la modulación de la FME por la velocidad del eje, y señalan exactamente qué que engranaje está en falta:
- Bandas laterales del piñón: FME ± velocidad del eje de entrada → un defecto en el piñón.
- Bandas laterales del engranaje: FME ± velocidad del eje de salida → un defecto en el engranaje conducido.
- Múltiples bandas laterales: FME ± n×(velocidad del eje) → defectos localizados en los dientes.
- Bandas laterales asimétricas: más fuertes en un lado → un engranaje excéntrico o espaciado desigual de los dientes.
3. Interpretación Diagnóstica
Evaluación de la condición de un vistazo
| Condición | Amplitud de la GMF | Armónicos | Bandas laterales |
|---|---|---|---|
| Nuevo / bueno | Baja, estable | Mínimo (< 25% de la FME) | Ausente o muy pequeña |
| Desgaste normal | Moderada, aumento gradual | 2×GMF presente pero baja | Aparecen bandas laterales pequeñas |
| Desgaste moderado | Alto, aún en aumento | 2×, 3×GMF visibles | Bandas laterales claras en ± frecuencias del eje |
| Desgaste severo / daño | Muy alta | Múltiples armónicos (4×, 5×+) | Múltiples familias de bandas laterales |
| Defecto localizado | Moderado | Presente | Bandas laterales fuertes y espaciadas regularmente |
Firmas de fallas específicas
- Desalineación de engranajes: armónicos altos de 2×FME y 3×FME, a menudo con bandas laterales elevadas vibración axial; corregido realineando los engranajes.
- Engranaje excéntrico: bandas laterales fuertes en ±1× de la velocidad del eje del engranaje excéntrico, con el contacto de los dientes variando una vez por revolución; visible como modulación de amplitud en el forma de onda en el tiempo.
- Diente roto o agrietado: bandas laterales de alta amplitud con espaciado de la velocidad del eje, un impacto por revolución del engranaje defectuoso, eventos impulsivos en la forma de onda en el tiempo y un rápido crecimiento de la amplitud.
- Lubricación inadecuada: amplitud de la FME elevada por fricción aumentada, ruido de alta frecuencia en aumento y un incremento de temperatura en la caja de engranajes.
Exceso de holgura por juego de engranaje puede oscurecer aún más estas firmas al permitir que los dientes choquen en cada engrane.
4. FME y resonancia estructural
La FME frecuentemente cae en una banda que puede excitar modos estructurales, amplificando lo que de otro modo sería una fuente modesta:
- Frecuencia de engranaje (GMF) típica: 200–2,000 Hz para cajas de engranajes industriales.
- Frecuencias naturales del bastidor: a menudo 50–500 Hz.
- El riesgo: la FME o uno de sus armónicos coincide con una frecuencia natural del soporte o del bastidor resonancia estructural.
- El resultado: un zumbido fuerte de los engranajes y vibración excesiva de la carcasa.
- Las soluciones: rigidizar el soporte, agregar amortiguamiento o cambiar el número de dientes para desplazar la FME fuera de la resonancia.
5. Construcción de una estrategia de monitoreo
Valor de referencia y tendencias
Registre la amplitud de la FME, junto con los niveles normales de armónicos y bandas laterales, cuando la caja de engranajes sea nueva o haya sido recién reparada, y úsela como referencia para todo lo que siga. Los parámetros de tendencia más útiles son:
- Amplitud de la FME: el indicador principal de la condición general de los engranajes.
- Ratios de armónicos: un aumento en 2×FME/FME o 3×FME/FME señala deterioro.
- Energía de bandas laterales: la amplitud sumada de las familias de bandas laterales.
- Contenido de alta frecuencia: la energía de banda ancha en el rango de 5–50 kHz refleja el estado de la superficie de los dientes.
Niveles de alarma
- Alerta: amplitud de GMF al 2× del valor de referencia.
- Alarma: amplitud de GMF al 4× del valor de referencia, o cualquier aumento rápido.
- Crítico: múltiples armónicos fuertes, bandas laterales extensas o 10× el valor de referencia.
Medición de GMF en campo
Capturar GMF, sus armónicos y sus bandas laterales de forma limpia exige suficiente ancho de banda y resolución para separar líneas muy cercanas. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A registra el espectro de la caja de engranajes y la forma de onda en el tiempo en sitio, permitiendo a un ingeniero leer directamente el pico de GMF y sus familias de bandas laterales — y, cuando un 1× creciente indica que un ventilador o acoplamiento adjunto también se ha desbalanceado, realizar el balanceo en campo en la misma visita. Usado de esta manera, el análisis de la frecuencia de engranaje detecta problemas de engranajes mucho antes de una falla catastrófica, convirtiendo paradas no planificadas en mantenimiento programado.
