Entender la FTF: frecuencia fundamental de la jaula
FTF (Frecuencia fundamental de la jaula —también denominada frecuencia de la jaula o frecuencia del retenedor—) es una de las cuatro fundamentales frecuencias de fallo de los rodamientos. Representa la velocidad de rotación de la jaula del rodamiento (el separador o retenedor que mantiene los elementos rodantes en su sitio y los mantiene espaciados uniformemente). La jaula gira alrededor del rodamiento llevando consigo los elementos rodantes, completando una revolución en el tiempo que tarda todo el conjunto de elementos rodantes en recorrer una vez las pistas de rodadura. La FTF es la más baja de las cuatro frecuencias del rodamiento —normalmente entre 0,35 y 0,48 veces la velocidad del eje— y, por lo tanto, siempre subsincrónico. Aunque los defectos de la jaula en sí mismos son poco frecuentes, el FTF reviste importancia diagnóstica, ya que la frecuencia de modulación que genera bandas laterales en torno a las demás frecuencias de los cojinetes, en particular BSF.
1. Definición: qué significa FTF
Todo rodamiento de elementos rodantes cuenta con una jaula que retiene las bolas o los rodillos en sus cavidades y los guía a lo largo del espacio anular entre las pistas interior y exterior. A medida que la pista interior gira con el eje, arrastra consigo a los elementos rodantes, y la jaula se desplaza a la velocidad orbital colectiva de estos. Dado que esa velocidad orbital es aproximadamente la media entre la pista exterior fija (cero) y la pista interior giratoria (velocidad del eje), la jaula circula a solo alrededor del 40 % de la velocidad del eje. Esta velocidad orbital es la frecuencia fundamental del tren —el ritmo más lento y suave del rodamiento, pero el que subyace al diagnóstico de fallos en los elementos rodantes—.
2. Cálculo matemático
Fórmula
La velocidad FTF se deriva de la geometría del rodamiento y de la velocidad del eje. En sentido estricto, se trata de la velocidad de la jaula vista desde la pista interior giratoria; con la pista exterior fija y la pista interior giratoria, se calcula así:
FTF = (n / 2) × [1 − (Bd / Pd) × cos β]
Variables
- n = frecuencia de rotación del eje en Hz (es decir, RPM ÷ 60).
- Bd = diámetro de la bola o del rodillo.
- Pd = diámetro de paso (el diámetro del círculo que pasa por los centros de los elementos rodantes).
- β = ángulo de contacto.
Forma simplificada
Para rodamientos con un ángulo de contacto nulo (β = 0°, cos β = 1):
- FTF ≈ (n / 2) × [1 − Bd / Pd]
- Para un cojinete típico con Bd/Pd ≈ 0,2, esto da como resultado un FTF ≈ 0,4 × n.
- Regla general: el FTF es aproximadamente 0,4 veces la velocidad del eje, es decir, el 40 % de la frecuencia del eje.
Rango típico
- El FTF suele situarse entre 0,35× y 0,48× la velocidad del eje, dependiendo de la geometría.
- Ejemplo: a 1800 rpm (30 Hz), FTF ≈ 12 Hz (0,4 × velocidad del eje).
- Siempre es subsincrónico (por debajo de 1× la velocidad de marcha).
- Es la más baja de las cuatro frecuencias de fallo de los cojinetes.
Estos cálculos forman parte de cualquier estudio sobre defectos en los rodamientos; un Calculadora de la frecuencia de defectos en rodamientos calcula el FTF junto con el BPFO, el BPFI y el BSF directamente a partir de la geometría, lo que resulta mucho más rápido y menos propenso a errores que aplicar la fórmula manualmente para cada cojinete de una máquina.
3. Importancia física
Movimiento de jaula
La rotación de la jaula viene determinada por los elementos rodantes que contiene:
- Los elementos rodantes ruedan sin deslizarse entre las pistas interior y exterior.
- La jaula se desplaza a la velocidad media de los centros de los elementos rodantes.
- Esa velocidad se sitúa aproximadamente a medio camino entre la pista exterior fija (0) y la pista interior giratoria (velocidad del eje).
- Por lo tanto, la jaula gira a aproximadamente el 40 % de la velocidad del eje.
Esa pequeña desviación respecto a una relación perfecta de 0,5× —y el hecho de que las jaulas reales puedan sufrir un ligero deslizamiento— es precisamente la razón por la que el FTF es irracional en relación con la velocidad de marcha y nunca se ajusta a un armónico perfecto.
Función de la jaula
- Espaciado: mantiene una separación uniforme entre los elementos rodantes.
- Guía: mantiene cada elemento rodante en su trayectoria orbital correcta.
- Lubricación: puede ayudar a distribuir el lubricante por el cojinete.
- Separación: evita que los elementos rodantes adyacentes rocen entre sí.
4. Cuando aparece el FTF en los espectros de vibración
Defectos directos de la jaula
Aparece un pico FTF primario cuando la propia jaula está dañada:
- Jaula rota: una estructura de jaula fracturada o agrietada.
- Worn pockets: holgura excesiva entre la jaula y los elementos rodantes.
- Rozamiento de jaula: la jaula que entra en contacto con las pistas o las juntas.
- Frecuencia: un pico FTF directo, a menudo con armónicos.
- Rareza: Los defectos que afectan únicamente a la jaula son poco frecuentes y representan menos del 5 % de los fallos de los rodamientos.
Como modulación de banda lateral (la función más habitual)
Con mucha más frecuencia, el FTF se manifiesta como un espaciado de banda lateral en torno al BSF, en lugar de como un pico independiente:
- Cuando hay un defecto en los elementos rodantes, el BSF se activa.
- La intensidad del impacto de la bola defectuosa aumenta y disminuye a medida que entra y sale de la zona de carga.
- Esa variación se produce a la frecuencia orbital de la jaula — FTF.
- El resultado son bandas laterales en BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF, BSF ± 3×FTF, y así sucesivamente.
- Este patrón constituye un indicador diagnóstico fiable de los defectos en los elementos rodantes, y se acentúa mediante análisis de envolvente.
En inestabilidad de rodamientos
- La vibración subsíncrona provocada por la inestabilidad inducida por el cojinete puede aparecer cerca de la FTF.
- Esto podría indicar una falta de precarga or excessive holgura del cojinete.
- Se distingue de un defecto de jaula verdadero por su carácter: es continuo y de banda ancha, en lugar del impacto discreto y repetitivo que se da en una jaula dañada.
5. Diagnóstico de defectos en jaulas
Síntomas de problemas en la jaula
- Un pico en la frecuencia FTF en el espectro de vibración.
- Armónicos a 2×FTF, 3×FTF y superiores.
- Una amplitud que suele ser irregular o variable, en lugar de constante.
- En muchos casos, se oye un chasquido o un traqueteo.
- Impactos periódicos que a veces se observan en el forma de onda temporal.
Causas de defectos en las jaulas
- Lubricación inadecuada: una lubricación insuficiente que provoca el desgaste de la jaula.
- Funcionamiento a alta velocidad: una fuerza centrífuga excesiva sobre la jaula.
- Contaminación: partículas que dañen el material de la jaula o sus compartimentos.
- Calentamiento excesivo: deformación térmica o ablandamiento del material de la jaula.
- Fatiga: ciclo alto fatiga en secciones delgadas de la jaula.
- Daños causados por la instalación: una jaula que se ha doblado o golpeado durante el montaje.
6. Importancia práctica y relación con las demás frecuencias de los cojinetes
El FTF como marcador diagnóstico
El principal valor práctico del FTF reside en el espaciado que impone a las bandas laterales:
- 1× sidebands: apuntan a defectos en la pista interior (modulación por la rotación del eje a medida que el defecto atraviesa la zona de carga).
- Bandas laterales FTF: indican defectos en los elementos rodantes (modulación debida al movimiento orbital de la jaula).
- Reconocimiento de patrones: A menudo, la simple observación del espaciado entre bandas laterales permite identificar el tipo de defecto de un solo vistazo.
- Diagnóstico avanzado: Comprender el FTF es lo que permite a un analista interpretar correctamente un espectro de rodamiento que, de otro modo, resultaría confuso.
En diagnósticos automatizados
- Los analizadores modernos calculan automáticamente las cuatro frecuencias del rodamiento a partir del modelo del mismo.
- El software señala picos en BPFO, BPFI, BSF y FTF.
- La detección automática de bandas laterales utiliza FTF y 1× como intervalos de búsqueda.
- La gravedad se clasifica en función de la amplitud máxima y el contenido armónico.
Jerarquía de frecuencias
Las cuatro frecuencias de los cojinetes, en orden ascendente de magnitud:
- Más bajo: FTF (≈ 0,4 veces la velocidad del eje).
- Low–medium: BSF (aprox. 2–3 veces la velocidad del eje).
- Medio: BPFO (aprox. 3–5 veces la velocidad del eje).
- Más alto: BPFI (aprox. 5–7 veces la velocidad del eje).
Relaciones matemáticas
- Las cuatro frecuencias se derivan de la misma geometría del rodamiento.
- Si se conoce una frecuencia y el tipo de rodamiento, se pueden calcular las demás.
- Las relaciones entre ellos son fijas para un modelo de rodamiento determinado, lo que proporciona una verificación cruzada integrada.
- Cabe destacar que, en el caso de un rodamiento con Z elementos rodantes, se cumple que BPFO + BPFI = Z × velocidad del eje y BPFO = Z × FTF, lo que resulta muy útil para verificar la validez de un diagnóstico.
En la práctica, estas frecuencias solo resultan útiles si el instrumento es capaz de detectarlas con claridad a la velocidad real de funcionamiento de la máquina. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A captura el espectro y la forma de onda temporal directamente en los propios cojinetes de la máquina, de modo que el ritmo lento de FTF y la familia de bandas laterales BSF ± FTF que genera pueden detectarse in situ — y, cuando el problema subyacente resulta ser un exceso de desequilibrio una sobrecarga del rodamiento en lugar de un fallo real de la jaula, que se corrigió en ese mismo momento. Para asignar cada tono del rodamiento al espectro antes de empezar, introduce la geometría del rodamiento en un Calculadora de la frecuencia de defectos en rodamientos y superponer las líneas previstas de FTF, BSF, BPFO y BPFI.
La FTF, por lo tanto, puede ser la frecuencia más baja y menos frecuente entre las frecuencias de fallo de los rodamientos, pero dista mucho de carecer de importancia. Su función como frecuencia de modulación de los defectos de los elementos rodantes, así como el hecho de que en ocasiones indique problemas reales en la jaula, hacen que sea imprescindible comprender bien la FTF para realizar una evaluación completa y precisa del estado de los rodamientos.
