Diagnóstico de defectos en rodamientos
Defectos en rodamientos son defectos microscópicos o macroscópicos: grietas, descascaramientos o picaduras en las superficies de trabajo de un rodamiento de elementos rodantes. Dado que los rodamientos de rodillos son fundamentales para la mayoría de los equipos rotativos y un punto frecuente de falla, detectar estos defectos a tiempo es una de las tareas de mayor valor en análisis de vibración. Un defecto produce un impacto repetitivo y periódico cada vez que un elemento rodante pasa sobre él, y esa periodicidad es exactamente lo que hace que la falla sea visible en el espectro mucho antes de que el rodamiento se sobrecaliente o se vuelva audible.
1. La naturaleza de los defectos en rodamientos
Un rodamiento de elementos rodantes típico consta de cuatro partes: una pista exterior, una pista interior, un conjunto de bolas o rodillos y una jaula que mantiene los elementos equidistantes. Un defecto es una imperfección en cualquiera de estas superficies. Cuando un elemento rodante pasa sobre ella, el contacto genera un pequeño impacto agudo de alta frecuencia, un «clic». Un solo clic transporta muy poca energía, pero los impactos se repiten en cada pasada, construyendo una señal fuertemente periódica. El análisis de vibración es excepcionalmente bueno para detectar este tipo de impactos repetitivos, por lo que un rodamiento en deterioro puede detectarse meses antes en lugar de en el punto de bloqueo.
2. Las cuatro frecuencias fundamentales de falla
La piedra angular del diagnóstico de rodamientos es que, para una geometría de rodamiento y velocidad de eje dadas, los impactos ocurren a tasas muy específicas y predecibles. Estas frecuencias de falla de rodamientos son:
- BPFO (Frecuencia de paso de la bola, pista exterior): la tasa a la que los elementos rodantes pasan por un solo punto en la pista exterior estacionaria. Es la frecuencia de defecto de rodamiento más comúnmente observada.
- BPFI (Frecuencia de paso de la bola, pista interior): la tasa a la que los elementos pasan por un punto en la pista interior. Debido a que la pista interior gira con el eje, el BPFI es mayor que el BPFO.
- BSF (Frecuencia de giro de la bola): la frecuencia a la que un elemento rodante gira sobre su propio eje. Un defecto de BSF a menudo muestra energía al doble de esta tasa, porque el defecto golpea ambas pistas en cada revolución del elemento.
- FTF (Frecuencia fundamental del tren): la frecuencia rotacional de la jaula, o «tren». Es una frecuencia muy baja, típicamente menor a 0.5X la velocidad de operación.
Estas tasas dependen de la geometría del rodamiento: diámetro primitivo, diámetro del elemento rodante, ángulo de contacto y número de elementos, junto con la velocidad del eje. El software de vibración generalmente incluye una gran base de datos de rodamientos y los calcula automáticamente, y pueden calcularse directamente con una calculadora de frecuencias de defectos en rodamientos cuando se conoce el número de parte o las dimensiones del rodamiento.
3. Cómo aparecen los defectos en rodamientos en el espectro
Un defecto en desarrollo deja un patrón característico en el Espectro FFT:
- Picos de alta frecuencia: la frecuencia de falla en sí (por ejemplo, BPFO) aparece como un pico bien arriba en el rango de frecuencias, lejos de los picos rotacionales de bajo orden.
- Armónicos: la naturaleza aguda e impulsiva de los impactos generalmente genera varios armónicos, múltiplos exactos, de la frecuencia de falla, y una larga cadena de ellos indica un defecto bien desarrollado.
- Bandas laterales: este es el marcador diagnóstico crítico. El pico de frecuencia de falla generalmente está flanqueado por bandas laterales espaciadas a 1X la velocidad de operación. Un pico de BPFO con bandas laterales de 1X es una firma clásica de pista exterior, mientras que un defecto de pista interior (BPFI) casi siempre lleva bandas laterales de 1X porque el defecto rotativo entra y sale de la zona de carga del rodamiento una vez por revolución, modulando la fuerza del impacto.
En las etapas más tempranas, estos picos son pequeños y fácilmente enterrados en el piso de ruido del espectro, por lo que normalmente se aplica una técnica de detección especializada.
4. Análisis de envolvente para detección temprana
Análisis de envolvente, también llamado demodulación, es el método más poderoso para detectar defectos de rodamientos en etapa temprana. Es una técnica de procesamiento de señales que filtra en banda los pasajes de baja frecuencia y alta energía de fuentes como desbalance y desalineación, y luego se enfoca únicamente en los impactos de alta frecuencia y baja energía que produce el defecto. Los impactos repetitivos hacen resonar las frecuencias naturales de la estructura, y el procesamiento de envolvente extrae la tasa de repetición de ese zumbido.
El resultado espectro de envolvente es notablemente «limpio», mostrando las frecuencias de falla del rodamiento y sus armónicos claramente contra un fondo bajo. Esto permite la detección meses, a veces años, antes de que el rodamiento falle de otra manera, proporcionando el tiempo de anticipación que hace posible el reemplazo planificado en lugar de una falla de emergencia.
5. Confirmación del diagnóstico en campo
Un diagnóstico de rodamiento sólido se basa en hacer coincidir los picos medidos con las frecuencias de falla calculadas y confirmar el patrón de bandas laterales esperado, idealmente respaldado por un espectro de envolvente y una clara tendencia al alza en mediciones sucesivas. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A permite a un ingeniero capturar el espectro en la máquina en sus propios rodamientos a velocidad de operación, por lo que un defecto de rodamiento sospechoso puede verificarse en el sitio contra sus frecuencias predichas. También vale la pena descartar similares: la holgura mecánica y las fallas de elementos rodantes pueden aumentar la energía de banda ancha, pero solo un verdadero defecto de rodamiento se alinea con las familias BPFO, BPFI, BSF o FTF.
