Diagnóstico de defectos en engranajes mediante análisis de vibración
Defectos en engranajes son modos de desgaste y daño — desgaste de dientes, grietas, excentricidad, desalineación — que se desarrollan en los conjuntos de engranajes utilizados para la transmisión de potencia en toda la maquinaria industrial. El engrane de los dientes es un proceso inherentemente ruidoso y vibrante, por lo que los engranajes sanos producen una firma de vibración muy clara y estable; cualquier desviación de esa firma es un fuerte indicador de problemas. Debido a que análisis de vibración puede detectar estas desviaciones en una etapa muy temprana, detecta fallas en los engranajes mucho antes de que escalen a la falla catastrófica de una caja de cambios.
1. La firma de vibración de los engranajes
Cada conjunto de engranajes tiene una huella característica en el dominio de la frecuencia, dominada por la velocidad a la que los dientes engranan y rodeada de actividad vinculada a la rotación de cada eje. Una medición de referencia de una caja de cambios sana es, por lo tanto, una de las referencias más valiosas que un programa de confiabilidad puede tener: las fallas se diagnostican no por un número absoluto, sino por cómo el espectro de hoy y forma de onda en el tiempo difieren de esa firma conocida como buena. La disciplina del diagnóstico de engranajes es en gran medida la disciplina de leer esa diferencia correctamente, razón por la cual los engranajes tienen un papel tan destacado en la rutina monitoreo de condición.
2. Frecuencia de engranaje (GMF)
La frecuencia más importante en el análisis de cajas de engranajes es la Frecuencia de engranaje (GMF) — la velocidad a la que los dientes de dos engranajes acoplados engranan entre sí.
GMF = Número de dientes de un engranaje × Velocidad de rotación de ese engranaje
En una caja de cambios sana, la Espectro FFT muestra un pico claro en la FME, generalmente con algunas pequeñas armónicos (2×FME, 3×FME). La amplitud del pico de la FME refleja la carga sobre los engranajes, por lo que un pico alto de FME por sí solo no es necesariamente una falla — puede simplemente significar que la caja de cambios está trabajando duro. La información diagnóstica real reside en las frecuencias alrededor del pico de la FME, no en el pico en sí. Debido a que la FME depende tanto del número de dientes como de la velocidad, es fácil identificarla incorrectamente a mano; una Calculadora de frecuencia de engranaje resuelve la FME y sus bandas laterales para un conjunto de engranajes dado en segundos.
3. Uso de bandas laterales para diagnosticar fallas
Bandas laterales son la herramienta más poderosa para diagnosticar problemas específicos de engranajes. Son pequeños picos que aparecen a cada lado de la FME y sus armónicos, producidos cuando una falla modula el proceso de engrane. La pista crucial es su separación: la brecha entre una banda lateral y el pico de la FME es igual a la velocidad de rotación del eje que lleva el engranaje defectuoso, lo que le indica inmediatamente que eje a inspeccionar.
- Engranaje desgastado o excéntrico: un engranaje desgastado, excéntrico o defectuoso modula la FME a su propia velocidad de rotación, creando bandas laterales espaciadas a la velocidad de giro (1×) del eje de ese engranaje. Si las bandas laterales coinciden con la velocidad del eje de entrada, la falla está en el engranaje de entrada.
- Desgaste general de dientes: desgaste de engranajes generalmente aumenta la amplitud de la FME y sus armónicos, acompañado de bandas laterales de 1× del engranaje correspondiente.
- Diente agrietado o roto: un solo diente agrietado o roto genera un pico fuerte a la velocidad de funcionamiento de 1× de ese engranaje, a menudo con muchos armónicos, más bandas laterales alrededor de la FME espaciadas a la velocidad de ese engranaje. La forma de onda en el tiempo es especialmente valiosa aquí — muestra un impacto periódico y distinto cada vez que el diente dañado intenta engranar.
- Desalineación de engranajes: desalineación de los engranajes a menudo produce un armónico alto de 2×FME, a veces más alto que el pico principal de la FME, nuevamente acompañado de bandas laterales a la velocidad de funcionamiento.
Un efecto relacionado que vale la pena conocer es la hunting-tooth frequency, la velocidad muy baja a la que un par específico de dientes vuelve a engranar; las fallas que involucran un diente malo en cada engranaje pueden excitarla.
4. Técnicas de análisis especializadas
Debido a que la vibración de los engranajes es tan rica, el análisis espectral estándar se refuerza frecuentemente con técnicas que aíslan la señal del engranaje:
- Análisis de forma de onda en el tiempo: esencial para confirmar dientes rotos o agrietados, que aparecen como impactos repetitivos y agudos sincronizados con la rotación del engranaje en lugar de con el engrane.
- El análisis de cepstrum: una transformada que condensa familias enteras de bandas laterales equidistantes en componentes únicos y fáciles de leer, haciendo visibles los patrones de bandas laterales cuando están enterrados en una FFT congestionada.
- Análisis de envolvente: demodula la portadora de alta frecuencia para exponer la velocidad de impacto de baja frecuencia de un defecto localizado en el diente, complementando la imagen de las bandas laterales.
5. Etapas de falla de engranajes
El análisis de vibración puede rastrear la progresión de una falla en el engranaje a través de cuatro etapas reconocibles, dando a los equipos de mantenimiento el tiempo de anticipación para planificar una intervención:
- Etapa 1 (temprana): aparecen pequeñas bandas laterales alrededor de la FME. El nivel general de vibración puede no cambiar en absoluto.
- Etapa 2 (moderada): las amplitudes de las bandas laterales crecen, y los armónicos de la FME comienzan a aparecer con sus propias bandas laterales.
- Etapa 3 (grave): la FME y sus armónicos llevan muchas bandas laterales grandes, la frecuencia de 1× del engranaje problemático comienza a aumentar, y el piso de ruido del espectro se eleva.
- Etapa 4 (catastrófica): la FME puede desaparecer, reemplazada por una firma de vibración ruidosa y aleatoria a medida que los dientes se dañan gravemente o se destruyen.
6. Poniéndolo en práctica en el campo
El diagnóstico de engranajes comienza con una medición de campo limpia a la velocidad y carga de operación. Un instrumento portátil de dos canales, como el Balanset-1A captura el espectro FFT y la forma de onda en el tiempo sin procesar en cada rodamiento, lo que permite a un ingeniero localizar la FME, leer el espaciado de las bandas laterales para asignar la falla a un eje específico y observar la forma de onda en busca del impacto periódico característico de un diente roto; todo esto sin abrir la caja de engranajes. Cuando una caja de engranajes también impulsa o soporta un rotor, el mismo instrumento verifica que el desbalance residual de rodillos y la vibración relacionada con el desbalance se mantengan dentro de los límites de normas como la ISO 20816, para que una falla de engranaje confirmada no quede enmascarada por fuentes no relacionadas. Si se detecta en la Etapa 1 o 2, un defecto de engranaje se convierte en una reparación programada en lugar de una falla imprevista.
