Diagnóstico de vibraciones en componentes de locomotoras ferroviarias: una guía completa para técnicos de reparación

2.3.1.1. Fundamentos de la vibración: Fuerzas oscilatorias y vibración en equipos rotatorios

Principios básicos de la vibración mecánica

La vibración mecánica representa el movimiento oscilatorio de los sistemas mecánicos alrededor de sus posiciones de equilibrio. Los ingenieros que trabajan con componentes de locomotoras deben comprender que la vibración se manifiesta en tres parámetros fundamentales: desplazamiento, velocidad y aceleración. Cada parámetro proporciona información única sobre el estado del equipo y sus características operativas.

Desplazamiento por vibración Mide el movimiento físico real de un componente desde su posición de reposo. Este parámetro resulta especialmente valioso para analizar vibraciones de baja frecuencia, típicas de desequilibrios en maquinaria rotativa y problemas de cimentación. La amplitud del desplazamiento se correlaciona directamente con los patrones de desgaste en las superficies de los cojinetes y los componentes del acoplamiento.

Velocidad de vibración Representa la tasa de cambio del desplazamiento a lo largo del tiempo. Este parámetro demuestra una sensibilidad excepcional a las fallas mecánicas en un amplio rango de frecuencias, lo que lo convierte en el parámetro más utilizado en la monitorización de vibraciones industriales. Las mediciones de velocidad detectan eficazmente el desarrollo de fallas en cajas de engranajes, cojinetes de motores y sistemas de acoplamiento antes de que alcancen etapas críticas.

Aceleración de la vibración Mide la tasa de cambio de velocidad a lo largo del tiempo. Las mediciones de aceleración de alta frecuencia son excelentes para detectar defectos iniciales en rodamientos, daños en los dientes de engranajes y fenómenos relacionados con impactos. El parámetro de aceleración cobra cada vez mayor importancia al monitorear máquinas auxiliares de alta velocidad y detectar cargas de impacto.

Características de período y frecuencia

El período (T) representa el tiempo necesario para un ciclo completo de oscilación, mientras que la frecuencia (f) indica el número de ciclos que ocurren por unidad de tiempo. Estos parámetros sientan las bases de todas las técnicas de análisis de vibraciones utilizadas en el diagnóstico de locomotoras.

Los componentes de las locomotoras ferroviarias operan en diversos rangos de frecuencia. Las frecuencias de rotación de los ejes montados suelen oscilar entre 5 y 50 Hz durante el funcionamiento normal, mientras que las frecuencias de engranaje oscilan entre 200 y 2000 Hz, dependiendo de las relaciones de transmisión y las velocidades de rotación. Las frecuencias de defectos en los cojinetes suelen manifestarse en el rango de 500 a 5000 Hz, lo que requiere técnicas de medición y métodos de análisis especializados.

Mediciones de vibración absoluta y relativa

Las mediciones de vibración absoluta referencian la amplitud de la vibración a un sistema de coordenadas fijo, generalmente un marco de referencia terrestre o inercial. Los acelerómetros sísmicos y los transductores de velocidad proporcionan mediciones absolutas mediante masas inerciales internas que permanecen estacionarias mientras la carcasa del sensor se mueve con el componente monitoreado.

Las mediciones de vibración relativa comparan la vibración de un componente con la de otro componente móvil. Las sondas de proximidad montadas en las carcasas de los rodamientos miden la vibración del eje con respecto al rodamiento, lo que proporciona información crucial sobre la dinámica del rotor, la expansión térmica y los cambios en la holgura del rodamiento.

En aplicaciones de locomotoras, los ingenieros suelen emplear mediciones absolutas para la mayoría de los procedimientos de diagnóstico, ya que proporcionan información completa sobre el movimiento de los componentes y permiten detectar problemas tanto mecánicos como estructurales. Las mediciones relativas se vuelven esenciales al analizar máquinas rotativas de gran tamaño, donde el movimiento del eje en relación con los cojinetes indica problemas de holgura interna o inestabilidad del rotor.

Unidades de medida lineales y logarítmicas

Las unidades de medida lineales expresan las amplitudes de vibración en magnitudes físicas directas, como milímetros (mm) para el desplazamiento, milímetros por segundo (mm/s) para la velocidad y metros por segundo al cuadrado (m/s²) para la aceleración. Estas unidades facilitan la correlación directa con los fenómenos físicos y proporcionan una comprensión intuitiva de la intensidad de la vibración.

Las unidades logarítmicas, en particular los decibelios (dB), comprimen amplios rangos dinámicos en escalas manejables. La escala de decibelios resulta especialmente útil al analizar espectros de vibración de banda ancha, donde las variaciones de amplitud abarcan varios órdenes de magnitud. Muchos analizadores de vibraciones modernos ofrecen opciones de visualización lineal y logarítmica para adaptarse a diferentes requisitos de análisis.

Normas internacionales y marco regulatorio

La Organización Internacional de Normalización (ISO) establece normas reconocidas mundialmente para la medición y el análisis de vibraciones. La serie ISO 10816 define los criterios de severidad de las vibraciones para diversas clases de máquinas, mientras que la ISO 13373 aborda los procedimientos de monitorización de estado y diagnóstico.

Para aplicaciones ferroviarias, los ingenieros deben considerar normas específicas que aborden entornos operativos específicos. La norma ISO 14837-1 proporciona directrices sobre vibraciones transmitidas por el suelo para sistemas ferroviarios, mientras que la norma EN 15313 establece especificaciones para aplicaciones ferroviarias para el diseño de ejes montados y bastidores de bogies, considerando las vibraciones.

Las normas rusas GOST complementan los requisitos internacionales con disposiciones específicas para cada región. La GOST 25275 define los procedimientos de medición de vibraciones para maquinaria rotatoria, mientras que la GOST R 52161 aborda los requisitos de las pruebas de vibración del material rodante ferroviario.

Clasificaciones de señales de vibración

Vibración periódica Repite patrones idénticos a intervalos regulares. La maquinaria rotatoria genera señales de vibración predominantemente periódicas relacionadas con la velocidad de rotación, la frecuencia de engrane de los engranajes y el paso de los elementos de los cojinetes. Estos patrones predecibles permiten la identificación precisa de fallas y la evaluación de su gravedad.

Vibración aleatoria Presenta características estadísticas en lugar de deterministas. La vibración inducida por fricción, el ruido de flujo turbulento y la interacción carretera-ferrocarril generan componentes de vibración aleatorios que requieren técnicas de análisis estadístico para su correcta interpretación.

Vibración transitoria Se producen como eventos aislados con una duración finita. Las cargas de impacto, el engrane de los dientes de engranaje y los impactos de los elementos de rodamiento generan señales de vibración transitoria que exigen técnicas de análisis especializadas, como el promedio sincrónico en el tiempo y el análisis de envolvente.

Descriptores de amplitud de vibración

Los ingenieros utilizan diversos descriptores de amplitud para caracterizar eficazmente las señales de vibración. Cada descriptor proporciona información única sobre las características de la vibración y los patrones de desarrollo de fallas.

Amplitud máxima Representa el valor instantáneo máximo que ocurre durante el período de medición. Este parámetro identifica eficazmente eventos de impacto y cargas de choque, pero puede no representar con precisión los niveles de vibración continua.

amplitud de raíz cuadrada media (RMS) Proporciona el contenido energético efectivo de la señal de vibración. Los valores RMS se correlacionan bien con las tasas de desgaste de la máquina y la disipación de energía, lo que hace que este parámetro sea ideal para el análisis de tendencias y la evaluación de la severidad.

Amplitud media Representa la media aritmética de los valores absolutos de amplitud durante el período de medición. Este parámetro ofrece una buena correlación con el acabado superficial y las características de desgaste, pero puede subestimar las señales de falla intermitente.

Amplitud de pico a pico Mide la desviación total entre los valores máximos de amplitud, positivos y negativos. Este parámetro resulta valioso para evaluar problemas relacionados con la holgura e identificar holgura mecánica.

Factor de cresta Representa la relación entre la amplitud de pico y la amplitud RMS, lo que proporciona información sobre las características de la señal. Factores de cresta bajos (1,4-2,0) indican una vibración predominantemente sinusoidal, mientras que factores de cresta altos (>4,0) sugieren un comportamiento impulsivo o de choque característico de fallas en los cojinetes en desarrollo.

Tecnologías de sensores de vibración y métodos de instalación

Los acelerómetros representan los sensores de vibración más versátiles para aplicaciones en locomotoras. Los acelerómetros piezoeléctricos generan una carga eléctrica proporcional a la aceleración aplicada, ofreciendo una excelente respuesta de frecuencia de 2 Hz a 10 kHz con mínima distorsión de fase. Estos sensores demuestran una durabilidad excepcional en entornos ferroviarios hostiles, manteniendo una alta sensibilidad y un bajo nivel de ruido.

Los transductores de velocidad utilizan principios de inducción electromagnética para generar señales de voltaje proporcionales a la velocidad de vibración. Estos sensores son excelentes en aplicaciones de baja frecuencia (0,5-1000 Hz) y ofrecen una excelente relación señal-ruido para aplicaciones de monitorización de maquinaria. Sin embargo, su mayor tamaño y sensibilidad a la temperatura pueden limitar las opciones de instalación en componentes compactos de locomotoras.

Las sondas de proximidad emplean el principio de corrientes de Foucault para medir el desplazamiento relativo entre el sensor y la superficie del objetivo. Estos sensores resultan invaluables para la monitorización de vibraciones de ejes y la evaluación de la holgura de los rodamientos, pero requieren una instalación y calibración cuidadosas.

La correcta instalación del sensor influye significativamente en la precisión y la fiabilidad de las mediciones. Los ingenieros deben garantizar un acoplamiento mecánico rígido entre el sensor y el componente monitoreado para evitar efectos de resonancia y distorsión de la señal. Los pernos roscados proporcionan un montaje óptimo para instalaciones permanentes, mientras que las bases magnéticas facilitan las mediciones periódicas en superficies ferromagnéticas.

Orígenes de la vibración de los equipos rotatorios

Fuentes de vibración mecánica Surgen de desequilibrios de masa, desalineación, holgura y desgaste. Los componentes rotativos desequilibrados generan fuerzas centrífugas proporcionales al cuadrado de la velocidad de rotación, lo que genera vibraciones a la frecuencia de rotación y sus armónicos. La desalineación entre ejes acoplados produce componentes de vibración radial y axial a la frecuencia de rotación y al doble de la frecuencia de rotación.

Fuentes de vibración electromagnética Se originan por variaciones de la fuerza magnética en los motores eléctricos. La excentricidad del entrehierro, los defectos en las barras del rotor y las fallas en el devanado del estator generan fuerzas electromagnéticas que modulan a la frecuencia de línea y sus armónicos. Estas fuerzas interactúan con resonancias mecánicas para producir señales de vibración complejas que requieren técnicas de análisis sofisticadas.

Fuentes de vibración aerodinámicas e hidrodinámicas Resultan de las interacciones del flujo de fluido con los componentes rotatorios. El paso de las aspas del ventilador, las interacciones de los álabes de la bomba y la separación del flujo turbulento generan vibraciones a las frecuencias de paso de las aspas y sus armónicos. Estas fuentes son especialmente significativas en máquinas auxiliares que operan a altas velocidades con importantes requisitos de manejo de fluidos.

2.3.1.2. Sistemas Locomotores: WMB, WGB, AM y sus Componentes como Sistemas Oscilatorios

Clasificación de equipos rotativos en aplicaciones de locomotoras

Los equipos rotativos de locomotoras abarcan tres categorías principales, cada una con características de vibración únicas y desafíos de diagnóstico. Los bloques de ruedas-motor (WMB) integran los motores de tracción directamente con los juegos de ruedas motrices, creando sistemas dinámicos complejos sujetos a fuerzas de excitación tanto eléctricas como mecánicas. Los bloques de ruedas-engranaje (WGB) emplean sistemas de reducción de engranajes intermedios entre los motores y los juegos de ruedas, introduciendo fuentes de vibración adicionales mediante la interacción de los engranajes. Las máquinas auxiliares (AM) incluyen ventiladores de refrigeración, compresores de aire, bombas hidráulicas y otros equipos de apoyo que funcionan independientemente de los sistemas de tracción primarios.

Estos sistemas mecánicos presentan un comportamiento oscilatorio regido por principios fundamentales de dinámica y teoría de vibraciones. Cada componente posee frecuencias naturales determinadas por la distribución de masa, las características de rigidez y las condiciones de contorno. Comprender estas frecuencias naturales es crucial para evitar condiciones de resonancia que pueden provocar amplitudes de vibración excesivas y un desgaste acelerado de los componentes.

Clasificaciones de sistemas oscilatorios

Oscilaciones libres Se producen cuando los sistemas vibran a frecuencias naturales tras una perturbación inicial sin una fuerza externa continua. En aplicaciones de locomotoras, las oscilaciones libres se manifiestan durante los transitorios de arranque y parada, cuando las velocidades de rotación pasan por frecuencias naturales. Estas condiciones transitorias proporcionan información valiosa para el diagnóstico de la rigidez del sistema y las características de amortiguación.

Oscilaciones forzadas Resultan de fuerzas de excitación periódicas y continuas que actúan sobre sistemas mecánicos. Los desequilibrios rotatorios, las fuerzas de engranaje y la excitación electromagnética generan vibraciones forzadas a frecuencias específicas relacionadas con las velocidades de rotación y la geometría del sistema. Las amplitudes de vibración forzada dependen de la relación entre la frecuencia de excitación y las frecuencias naturales del sistema.

Oscilaciones paramétricas Surgen cuando los parámetros del sistema varían periódicamente con el tiempo. La rigidez variable en el contacto del engranaje, las variaciones en la holgura de los rodamientos y las fluctuaciones del flujo magnético generan una excitación paramétrica que puede provocar un crecimiento inestable de la vibración, incluso sin forzamiento directo.

Oscilaciones autoexcitadas (Auto-oscilaciones) Se desarrollan cuando los mecanismos de disipación de energía del sistema se vuelven negativos, lo que provoca un crecimiento sostenido de la vibración sin forzamiento periódico externo. El comportamiento de deslizamiento a tirones inducido por la fricción, el aleteo aerodinámico y ciertas inestabilidades electromagnéticas pueden generar vibraciones autoexcitadas que requieren control activo o modificaciones de diseño para mitigarlas.

Determinación de frecuencias naturales y fenómenos de resonancia

Las frecuencias naturales representan las características de vibración inherentes de los sistemas mecánicos, independientemente de la excitación externa. Estas frecuencias dependen exclusivamente de la distribución de la masa del sistema y de sus propiedades de rigidez. Para sistemas simples de un solo grado de libertad, el cálculo de la frecuencia natural se basa en fórmulas bien establecidas que relacionan los parámetros de masa y rigidez.

Los componentes complejos de locomotoras presentan múltiples frecuencias naturales correspondientes a diferentes modos de vibración. Los modos de flexión, torsión y acoplamiento poseen características de frecuencia y patrones espaciales distintivos. Las técnicas de análisis modal ayudan a los ingenieros a identificar estas frecuencias y las formas de los modos asociados para un control eficaz de las vibraciones.

La resonancia se produce cuando las frecuencias de excitación coinciden con las frecuencias naturales, lo que resulta en respuestas de vibración considerablemente amplificadas. El factor de amplificación depende de la amortiguación del sistema; los sistemas con amortiguación ligera presentan picos de resonancia mucho más altos que los sistemas con amortiguación intensa. Los ingenieros deben garantizar que las velocidades de operación eviten condiciones críticas de resonancia o proporcionen una amortiguación adecuada para limitar las amplitudes de vibración.

Mecanismos de amortiguación y sus efectos

La amortiguación representa los mecanismos de disipación de energía que limitan el crecimiento de la amplitud de la vibración y proporcionan estabilidad al sistema. Diversas fuentes de amortiguación contribuyen al comportamiento general del sistema, incluyendo la amortiguación interna del material, la amortiguación por fricción y la amortiguación de fluidos provenientes de lubricantes y aire circundante.

La amortiguación del material surge de la fricción interna en los materiales de los componentes durante las cargas de tensión cíclicas. Este mecanismo de amortiguación resulta especialmente significativo en componentes de hierro fundido, elementos de montaje de caucho y materiales compuestos utilizados en la construcción de locomotoras modernas.

La amortiguación por fricción se produce en las superficies de contacto entre componentes, como superficies de apoyo, uniones atornilladas y conjuntos de ajuste por contracción. Si bien la amortiguación por fricción puede proporcionar un control beneficioso de las vibraciones, también puede introducir efectos no lineales y un comportamiento impredecible bajo condiciones de carga variables.

La amortiguación de fluidos se debe a las fuerzas viscosas en las películas lubricantes, los sistemas hidráulicos y las interacciones aerodinámicas. La amortiguación de la película de aceite en los cojinetes de deslizamiento proporciona una estabilidad crucial para la maquinaria rotatoria de alta velocidad, mientras que los amortiguadores viscosos pueden incorporarse deliberadamente para el control de vibraciones.

Clasificaciones de fuerza de excitación

Fuerzas centrífugas Se desarrollan a partir de desequilibrios de masa en componentes rotatorios, creando fuerzas proporcionales al cuadrado de la velocidad de rotación. Estas fuerzas actúan radialmente hacia afuera y giran con el componente, generando vibración a la frecuencia de rotación. La magnitud de la fuerza centrífuga aumenta rápidamente con la velocidad, lo que hace que un equilibrado preciso sea crucial para el funcionamiento a alta velocidad.

Fuerzas cinemáticas Surgen de restricciones geométricas que imponen un movimiento no uniforme a los componentes del sistema. Los mecanismos reciprocantes, los seguidores de leva y los sistemas de engranajes con errores de perfil generan fuerzas de excitación cinemática. Estas fuerzas suelen presentar un contenido de frecuencia complejo relacionado con la geometría del sistema y las velocidades de rotación.

Fuerzas de impacto Resultan de aplicaciones de carga repentinas o colisiones entre componentes. El engrane de los dientes de engranaje, el rodamiento de elementos de rodamiento sobre defectos superficiales y las interacciones rueda-carril generan fuerzas de impacto caracterizadas por un amplio contenido de frecuencia y altos factores de cresta. Las fuerzas de impacto requieren técnicas de análisis especializadas para una caracterización adecuada.

Fuerzas de fricción Se desarrollan a partir del contacto deslizante entre superficies con movimiento relativo. Las aplicaciones de frenos, el deslizamiento de los rodamientos y el deslizamiento rueda-carril generan fuerzas de fricción que pueden presentar un comportamiento de deslizamiento a tirones, lo que produce vibraciones autoexcitadas. Las características de la fuerza de fricción dependen en gran medida de las condiciones de la superficie, la lubricación y la carga normal.

Fuerzas electromagnéticas Se originan por las interacciones del campo magnético en motores y generadores eléctricos. Las fuerzas electromagnéticas radiales resultan de las variaciones del entrehierro, la geometría de la pieza polar y las asimetrías en la distribución de la corriente. Estas fuerzas generan vibraciones a la frecuencia de línea, la frecuencia de paso de ranura y sus combinaciones.

Propiedades del sistema dependientes de la frecuencia

Los sistemas mecánicos presentan características dinámicas dependientes de la frecuencia que afectan significativamente la transmisión y amplificación de las vibraciones. La rigidez, la amortiguación y las propiedades inerciales del sistema se combinan para crear funciones complejas de respuesta en frecuencia que describen las relaciones de amplitud y fase de la vibración entre la excitación de entrada y la respuesta del sistema.

A frecuencias muy inferiores a la primera frecuencia natural, los sistemas se comportan de forma cuasiestática, con amplitudes de vibración proporcionales a las amplitudes de la fuerza de excitación. La amplificación dinámica permanece mínima y las relaciones de fase son prácticamente nulas.

Cerca de las frecuencias naturales, la amplificación dinámica puede alcanzar valores de 10 a 100 veces la deflexión estática, dependiendo de los niveles de amortiguamiento. Las relaciones de fase se desplazan rápidamente 90 grados en resonancia, lo que permite una identificación clara de las ubicaciones de las frecuencias naturales.

A frecuencias muy superiores a las naturales, los efectos inerciales dominan el comportamiento del sistema, provocando que las amplitudes de vibración disminuyan al aumentar la frecuencia. La atenuación de vibraciones de alta frecuencia proporciona un filtrado natural que ayuda a aislar los componentes sensibles de las perturbaciones de alta frecuencia.

Sistemas de parámetros agrupados vs. sistemas de parámetros distribuidos

Los bloques de ruedas y motor pueden modelarse como sistemas de parámetros concentrados al analizar modos de vibración de baja frecuencia, donde las dimensiones de los componentes son pequeñas en comparación con las longitudes de onda de la vibración. Este enfoque simplifica el análisis al representar las propiedades de masa y rigidez distribuidas como elementos discretos conectados por resortes sin masa y enlaces rígidos.

Los modelos de parámetros agrupados resultan eficaces para analizar el desequilibrio del rotor, los efectos de la rigidez del soporte de los rodamientos y la dinámica de acoplamiento de baja frecuencia entre los componentes del motor y el juego de ruedas. Estos modelos facilitan un análisis rápido y proporcionan una visión física clara del comportamiento del sistema.

Los modelos de parámetros distribuidos se hacen necesarios al analizar modos de vibración de alta frecuencia, donde las dimensiones de los componentes se aproximan a las longitudes de onda de vibración. Los modos de flexión del eje, la flexibilidad de los dientes de engranaje y las resonancias acústicas requieren un tratamiento de parámetros distribuidos para una predicción precisa.

Los modelos de parámetros distribuidos consideran los efectos de propagación de las ondas, las formas de los modos locales y el comportamiento dependiente de la frecuencia que los modelos de parámetros concentrados no pueden capturar. Estos modelos suelen requerir técnicas de solución numérica, pero proporcionan una caracterización más completa del sistema.

2.3.1.3. Propiedades y características de la vibración de baja, media, alta y ultrasónica en WMB, WGB y AM

Clasificaciones de bandas de frecuencia y su importancia

El análisis de frecuencia de vibraciones requiere la clasificación sistemática de bandas de frecuencia para optimizar los procedimientos de diagnóstico y la selección de equipos. Cada banda de frecuencia proporciona información única sobre fenómenos mecánicos específicos y las etapas de desarrollo de fallas.

Vibración de baja frecuencia (1-200 Hz) Se origina principalmente por desequilibrios, desalineaciones y resonancias estructurales de maquinaria rotatoria. Este rango de frecuencia captura las frecuencias rotacionales fundamentales y sus armónicos de orden inferior, lo que proporciona información esencial sobre el estado mecánico y la estabilidad operativa.

Vibración de frecuencia media (200-2000 Hz) Abarca las frecuencias de engranaje, los armónicos de excitación electromagnética y las resonancias mecánicas de los principales componentes estructurales. Este rango de frecuencia resulta crucial para diagnosticar el desgaste de los dientes de los engranajes, los problemas electromagnéticos del motor y el deterioro del acoplamiento.

Vibración de alta frecuencia (2000-20000 Hz) Revela las características de los defectos en los rodamientos, las fuerzas de impacto en los dientes de engranaje y los armónicos electromagnéticos de alto orden. Este rango de frecuencia proporciona una alerta temprana del desarrollo de fallas antes de que se manifiesten en las bandas de frecuencia más bajas.

Vibración ultrasónica (20000+ Hz) Detecta defectos incipientes en los rodamientos, roturas de la película lubricante y fenómenos relacionados con la fricción. Las mediciones ultrasónicas requieren sensores y técnicas de análisis especializados, pero ofrecen la detección de fallas más temprana posible.

Análisis de vibraciones de baja frecuencia

El análisis de vibraciones de baja frecuencia se centra en las frecuencias de rotación fundamentales y sus armónicos hasta aproximadamente el décimo orden. Este análisis revela condiciones mecánicas primarias, como desequilibrio de masa, desalineación de ejes, holgura mecánica y problemas de holgura en los rodamientos.

La vibración de frecuencia rotacional (1×) indica desequilibrios de masa que generan fuerzas centrífugas que giran con el eje. El desequilibrio puro produce vibración predominantemente a la frecuencia rotacional con un contenido armónico mínimo. La amplitud de la vibración aumenta proporcionalmente al cuadrado de la velocidad rotacional, lo que proporciona una indicación diagnóstica clara.

La vibración de doble frecuencia rotacional (2×) suele indicar desalineación entre ejes o componentes acoplados. La desalineación angular crea patrones de tensión alterna que se repiten dos veces por revolución, generando señales de vibración 2× características. La desalineación paralela también puede contribuir a la vibración 2× mediante la variación en la distribución de la carga.

El contenido armónico múltiple (3×, 4×, 5×, etc.) sugiere holgura mecánica, acoplamientos desgastados o problemas estructurales. La holgura permite una transmisión de fuerza no lineal que genera un rico contenido armónico que se extiende mucho más allá de las frecuencias fundamentales. El patrón armónico proporciona información diagnóstica sobre la ubicación y la gravedad de la holgura.

Características de vibración de frecuencia media

El análisis de frecuencia media se centra en las frecuencias de engranaje y sus patrones de modulación. La frecuencia de engranaje es igual al producto de la frecuencia de rotación por el número de dientes, lo que genera líneas espectrales predecibles que revelan el estado del engranaje y la distribución de la carga.

Los engranajes en buen estado producen vibraciones prominentes a la frecuencia de engrane, con mínimas bandas laterales. El desgaste o el agrietamiento de los dientes, o la carga desigual, modulan la amplitud de la frecuencia de engrane, generando bandas laterales espaciadas a las frecuencias de rotación de los engranajes engranados.

La vibración electromagnética en los motores de tracción se manifiesta principalmente en el rango de frecuencia media. Los armónicos de frecuencia de línea, las frecuencias de paso de ranura y las frecuencias de paso de polo crean patrones espectrales característicos que revelan el estado del motor y las características de carga.

La frecuencia de paso de ranuras es igual al producto de la frecuencia de rotación por el número de ranuras del rotor, lo que genera vibración mediante variaciones de permeabilidad magnética a medida que las ranuras del rotor pasan por los polos del estator. Las barras rotas del rotor o los defectos en los anillos terminales modulan la frecuencia de paso de ranuras, creando bandas laterales de diagnóstico.

Análisis de vibraciones de alta frecuencia

El análisis de vibraciones de alta frecuencia analiza las frecuencias de defectos en los rodamientos y los armónicos de engrane de alto orden. Los rodamientos de elementos rodantes generan frecuencias características basadas en la geometría y la velocidad de rotación, lo que proporciona un diagnóstico preciso para la evaluación del estado de los rodamientos.

La frecuencia de paso de bolas en la pista exterior (BPFO) se produce cuando los elementos rodantes pasan por un defecto en la pista exterior estacionaria. Esta frecuencia depende de la geometría del rodamiento y suele oscilar entre 3 y 8 veces la frecuencia de rotación en los diseños de rodamientos comunes.

La frecuencia de paso de bola (BPFI) se produce cuando los elementos rodantes presentan defectos en la pista interior. Dado que la pista interior gira con el eje, la BPFI suele ser superior a la BPFO y puede presentar modulación de la frecuencia de rotación debido a los efectos de la zona de carga.

La frecuencia fundamental del tren (FTF) representa la frecuencia de rotación de la jaula y suele ser de 0,4 a 0,45 veces la frecuencia de rotación del eje. Defectos en la jaula o problemas de lubricación pueden generar vibraciones en la FTF y sus armónicos.

La frecuencia de giro de la bola (BSF) indica la rotación de cada elemento rodante sobre su propio eje. Esta frecuencia rara vez aparece en los espectros de vibración, a menos que los elementos rodantes presenten defectos superficiales o irregularidades dimensionales.

Aplicaciones de vibración ultrasónica

Las mediciones de vibración ultrasónica detectan defectos incipientes en los rodamientos semanas o meses antes de que se manifiesten en el análisis de vibración convencional. El contacto con asperezas superficiales, las microfisuras y la rotura de la película lubricante generan emisiones ultrasónicas que preceden a cambios mensurables en la frecuencia de defectos en los rodamientos.

Las técnicas de análisis de envolvente extraen información de modulación de amplitud de las frecuencias portadoras ultrasónicas, revelando patrones de modulación de baja frecuencia correspondientes a las frecuencias de defectos en los rodamientos. Este enfoque combina la sensibilidad de alta frecuencia con información diagnóstica de baja frecuencia.

Las mediciones ultrasónicas requieren una cuidadosa selección y montaje del sensor para evitar la contaminación de la señal por interferencias electromagnéticas y ruido mecánico. Los acelerómetros con una respuesta de frecuencia superior a 50 kHz y un acondicionamiento de señal adecuado proporcionan mediciones ultrasónicas fiables.

Orígenes de la vibración mecánica y electromagnética

Las fuentes de vibración mecánica generan una excitación de banda ancha con un contenido de frecuencia relacionado con la geometría y la cinemática de los componentes. Las fuerzas de impacto derivadas de defectos en los rodamientos, el engrane de los dientes de engranaje y la holgura mecánica generan señales impulsivas con un rico contenido armónico que se extiende a lo largo de amplios rangos de frecuencia.

Las fuentes de vibración electromagnética producen componentes de frecuencia discretos relacionados con la frecuencia de la fuente de alimentación eléctrica y los parámetros de diseño del motor. Estas frecuencias son independientes de las velocidades de rotación mecánicas y mantienen relaciones fijas con la frecuencia del sistema de potencia.

Distinguir entre fuentes de vibración mecánica y electromagnética requiere un análisis minucioso de las relaciones de frecuencia y la dependencia de la carga. La vibración mecánica suele variar con la velocidad de rotación y la carga mecánica, mientras que la vibración electromagnética se correlaciona con la carga eléctrica y la calidad de la tensión de alimentación.

Características de vibración por impacto y choque

La vibración de impacto se produce por la aplicación repentina de fuerzas de muy corta duración. El engrane de los dientes de los engranajes, los impactos de los elementos de apoyo y el contacto rueda-carril generan fuerzas de impacto que generan múltiples resonancias estructurales simultáneamente.

Los eventos de impacto producen señales características en el dominio temporal con altos factores de cresta y un amplio contenido de frecuencia. El espectro de frecuencia de la vibración por impacto depende más de las características de respuesta estructural que del propio evento de impacto, lo que requiere un análisis en el dominio temporal para una interpretación adecuada.

El análisis del espectro de respuesta al impacto proporciona una caracterización completa de la respuesta estructural a la carga de impacto. Este análisis revela qué frecuencias naturales se excitan por los impactos y su contribución relativa a los niveles generales de vibración.

Vibración aleatoria de fuentes de fricción

La vibración inducida por fricción presenta características aleatorias debido a la naturaleza estocástica de los fenómenos de contacto superficial. El chirrido de los frenos, el traqueteo de los rodamientos y la interacción rueda-carril generan una vibración aleatoria de banda ancha que requiere técnicas de análisis estadístico.

El comportamiento de stick-slip en sistemas de fricción genera vibraciones autoexcitadas con un contenido de frecuencia complejo. Las variaciones de la fuerza de fricción durante los ciclos de stick-slip generan componentes de vibración subarmónicos que pueden coincidir con resonancias estructurales, lo que resulta en niveles de vibración amplificados.

El análisis de vibraciones aleatorias emplea funciones de densidad espectral de potencia y parámetros estadísticos como los niveles RMS y las distribuciones de probabilidad. Estas técnicas permiten una evaluación cuantitativa de la severidad de las vibraciones aleatorias y su posible impacto en la vida útil por fatiga de los componentes.

2.3.1.4. Características de diseño de WMB, WGB y AM y su impacto en las características de vibración

Configuraciones primarias de WMB, WGB y AM

Los fabricantes de locomotoras emplean diversas configuraciones mecánicas para transmitir la potencia desde los motores de tracción a los ejes motrices. Cada configuración presenta características de vibración únicas que influyen directamente en los métodos de diagnóstico y los requisitos de mantenimiento.

Los motores de tracción con suspensión delantera se montan directamente sobre los ejes del juego de ruedas, creando un acoplamiento mecánico rígido entre el motor y el juego de ruedas. Esta configuración minimiza las pérdidas de transmisión de potencia, pero somete a los motores a todas las vibraciones e impactos inducidos por la vía. El montaje directo acopla la vibración electromagnética del motor con la vibración mecánica del juego de ruedas, creando patrones espectrales complejos que requieren un análisis minucioso.

Los motores de tracción montados en el chasis utilizan sistemas de acoplamiento flexible para transmitir potencia a los ejes montados, aislándolos de las perturbaciones de la vía. Las juntas universales, los acoplamientos flexibles o los acoplamientos de engranajes adaptan el movimiento relativo entre el motor y el eje montado, manteniendo al mismo tiempo la capacidad de transmisión de potencia. Esta configuración reduce la exposición del motor a las vibraciones, pero introduce fuentes adicionales de vibración debido a la dinámica del acoplamiento.

Los sistemas de transmisión por engranajes emplean una reducción intermedia entre el motor y el juego de ruedas para optimizar las características de funcionamiento del motor. La reducción de engranajes helicoidales de una etapa proporciona un diseño compacto con niveles de ruido moderados, mientras que los sistemas de reducción de dos etapas ofrecen mayor flexibilidad en la selección de la relación de transmisión, pero aumentan la complejidad y las posibles fuentes de vibración.

Sistemas de acoplamiento mecánico y transmisión de vibraciones

La interfaz mecánica entre el rotor del motor de tracción y el piñón afecta significativamente las características de transmisión de vibraciones. Las conexiones por contracción térmica proporcionan un acoplamiento rígido con excelente concentricidad, pero pueden introducir tensiones de montaje que afectan la calidad del equilibrio del rotor.

Las conexiones con chaveta absorben la expansión térmica y simplifican los procedimientos de montaje, pero introducen holgura y posibles cargas de impacto durante las inversiones de par. El desgaste de la chaveta crea una holgura adicional que genera fuerzas de impacto al doble de la frecuencia de rotación durante los ciclos de aceleración y desaceleración.

Las conexiones estriadas ofrecen una capacidad superior de transmisión de par y se adaptan al desplazamiento axial, pero requieren tolerancias de fabricación precisas para minimizar la generación de vibraciones. El desgaste de las estrías genera holgura circunferencial que produce patrones de vibración complejos según las condiciones de carga.

Los sistemas de acoplamiento flexibles aíslan las vibraciones torsionales y, al mismo tiempo, compensan la desalineación entre los ejes conectados. Los acoplamientos elastoméricos proporcionan un excelente aislamiento de las vibraciones, pero presentan características de rigidez dependientes de la temperatura que afectan las ubicaciones de frecuencia natural. Los acoplamientos de engranajes mantienen propiedades de rigidez constantes, pero generan vibraciones de frecuencia de malla que aumentan el contenido espectral general del sistema.

Configuraciones de cojinetes de eje de juego de ruedas

Los rodamientos de los ejes de los juegos de ruedas soportan cargas verticales, laterales y axiales, a la vez que se adaptan a la expansión térmica y a las variaciones en la geometría de la vía. Los rodamientos de rodillos cilíndricos gestionan eficientemente las cargas radiales, pero requieren rodamientos axiales independientes para soportar la carga axial.

Los rodamientos de rodillos cónicos ofrecen una capacidad combinada de carga radial y axial con características de rigidez superiores a las de los rodamientos de bolas. La geometría cónica crea una precarga inherente que elimina el juego interno, pero requiere un ajuste preciso para evitar una carga excesiva o un soporte inadecuado.

Los rodamientos de rodillos esféricos de doble hilera soportan grandes cargas radiales y cargas axiales moderadas, a la vez que ofrecen autoalineación para compensar la deflexión del eje y la desalineación de la carcasa. La geometría esférica de la pista exterior crea una película de aceite que amortigua la transmisión de vibraciones.

El juego interno del rodamiento afecta significativamente las características de vibración y la distribución de la carga. Un juego excesivo permite cargas de impacto durante los ciclos de inversión de carga, lo que genera vibraciones de impacto de alta frecuencia. Un juego insuficiente crea condiciones de precarga que aumentan la resistencia a la rodadura y la generación de calor, a la vez que reducen potencialmente la amplitud de la vibración.

Influencia del diseño del sistema de engranajes en la vibración

La geometría de los dientes de engranaje afecta directamente la amplitud de vibración de la frecuencia de engrane y el contenido armónico. Los perfiles dentados evolventes con ángulos de presión adecuados y modificaciones de la adenda minimizan las variaciones de fuerza de engrane y la generación de vibraciones asociadas.

Los engranajes helicoidales proporcionan una transmisión de potencia más suave que los engranajes rectos gracias a su engrane gradual. El ángulo de la hélice genera componentes de fuerza axial que requieren soporte de cojinetes de empuje, pero reduce significativamente la amplitud de vibración de la frecuencia de engrane.

La relación de contacto de los engranajes determina el número de dientes que engranan simultáneamente durante la transmisión de potencia. Una relación de contacto más alta distribuye la carga entre más dientes, lo que reduce la tensión individual y las variaciones de fuerza de engrane. Una relación de contacto superior a 1,5 proporciona una reducción significativa de la vibración en comparación con relaciones más bajas.

La precisión en la fabricación de engranajes afecta la generación de vibraciones debido a errores en el espaciado de los dientes, desviaciones del perfil y variaciones en el acabado superficial. Los grados de calidad AGMA cuantifican la precisión de fabricación; los grados más altos producen niveles de vibración más bajos, pero requieren procesos de fabricación más costosos.

La distribución de la carga a lo largo de la cara del engranaje influye en la concentración local de tensiones y la generación de vibraciones. Las superficies dentadas abombadas y la correcta alineación del eje garantizan una distribución uniforme de la carga, minimizando así la carga en el borde que genera vibraciones de alta frecuencia.

Sistemas de eje cardán en aplicaciones WGB

Los bloques de engranajes con transmisión de potencia mediante eje cardán permiten una mayor separación entre el motor y el eje cardán, a la vez que ofrecen una capacidad de acoplamiento flexible. Las juntas universales en cada extremo del eje cardán crean restricciones cinemáticas que generan patrones de vibración característicos.

El funcionamiento de una junta universal simple produce variaciones de velocidad que generan vibraciones al doble de la frecuencia de rotación del eje. La amplitud de esta vibración depende del ángulo de funcionamiento de la junta; ángulos mayores producen niveles de vibración más altos, según relaciones cinemáticas bien establecidas.

Las juntas universales dobles con fase adecuada eliminan las variaciones de velocidad de primer orden, pero introducen efectos de orden superior que se vuelven significativos en ángulos de operación amplios. Las juntas homocinéticas ofrecen características de vibración superiores, pero requieren procedimientos de fabricación y mantenimiento más complejos.

Las velocidades críticas del eje cardán deben mantenerse bien separadas de los rangos de velocidad de operación para evitar la amplificación por resonancia. El diámetro, la longitud y las propiedades del material del eje determinan las posiciones de velocidad crítica, lo que requiere un análisis de diseño minucioso para cada aplicación.

Características de vibración durante diferentes condiciones de funcionamiento

La operación de locomotoras presenta diversas condiciones operativas que afectan significativamente las señales de vibración y la interpretación del diagnóstico. Las pruebas estáticas con locomotoras apoyadas en puestos de mantenimiento eliminan las vibraciones inducidas por la vía y las fuerzas de interacción rueda-carril, proporcionando condiciones controladas para las mediciones de referencia.

Los sistemas de suspensión del tren de rodaje aíslan la carrocería de la locomotora de las vibraciones del juego de ruedas durante el funcionamiento normal, pero pueden introducir efectos de resonancia a frecuencias específicas. Las frecuencias naturales de la suspensión primaria suelen oscilar entre 1 y 3 Hz en los modos verticales y entre 0,5 y 1,5 Hz en los modos laterales, lo que podría afectar la transmisión de vibraciones de baja frecuencia.

Las irregularidades de la vía provocan vibraciones en los ejes montados en un amplio rango de frecuencias, dependiendo de la velocidad del tren y el estado de la vía. Las juntas de los rieles generan impactos periódicos a frecuencias determinadas por la longitud del riel y la velocidad del tren, mientras que las variaciones de ancho de vía generan vibraciones laterales que se combinan con los modos de oscilación de los ejes montados.

Las fuerzas de tracción y frenado introducen una carga adicional que afecta la distribución de la carga en los rodamientos y las características del engranaje. Las cargas de tracción elevadas aumentan las tensiones de contacto de los dientes de los engranajes y pueden desplazar las zonas de carga en los rodamientos del juego de ruedas, alterando así los patrones de vibración en comparación con condiciones sin carga.

Características de vibración de la máquina auxiliar

Los sistemas de ventiladores de refrigeración emplean diversos diseños de impulsores que generan señales de vibración distintivas. Los ventiladores centrífugos generan vibraciones de frecuencia de paso de álabes cuya amplitud depende del número de álabes, la velocidad de rotación y la carga aerodinámica. Los ventiladores axiales producen frecuencias de paso de álabes similares, pero con diferente contenido armónico debido a las diferencias en los patrones de flujo.

El desequilibrio del ventilador genera vibraciones a una frecuencia de rotación con una amplitud proporcional al cuadrado de la velocidad, similar a la de otras máquinas rotativas. Sin embargo, las fuerzas aerodinámicas causadas por la suciedad, la erosión o los daños en las aspas pueden generar componentes de vibración adicionales que dificultan la interpretación del diagnóstico.

Los sistemas de compresores de aire suelen emplear diseños alternativos que generan vibraciones a la frecuencia de rotación del cigüeñal y sus armónicos. El número de cilindros y la secuencia de encendido determinan el contenido armónico; un mayor número de cilindros generalmente produce un funcionamiento más suave y menores niveles de vibración.

Las vibraciones de las bombas hidráulicas dependen del tipo de bomba y de las condiciones de funcionamiento. Las bombas de engranajes producen vibraciones de frecuencia de engrane similares a las de los sistemas de engranajes, mientras que las bombas de paletas generan vibraciones de frecuencia de paso de álabes. Las bombas de desplazamiento variable pueden presentar patrones de vibración complejos que varían según los ajustes de desplazamiento y las condiciones de carga.

Efectos del sistema de soporte y montaje del eje

La rigidez de la carcasa del rodamiento afecta significativamente la transmisión de vibraciones de los componentes giratorios a las estructuras estacionarias. Las carcasas flexibles pueden reducir la transmisión de vibraciones, pero permiten un mayor movimiento del eje, lo que puede afectar las holguras internas y la distribución de la carga.

La rigidez de la cimentación y las disposiciones de montaje influyen en las frecuencias de resonancia estructural y las características de amplificación de las vibraciones. Los sistemas de montaje flexibles aíslan las vibraciones, pero pueden generar resonancias de baja frecuencia que amplifican las vibraciones inducidas por desequilibrio.

El acoplamiento entre múltiples ejes mediante elementos flexibles o engranajes crea sistemas dinámicos complejos con múltiples frecuencias naturales y formas modales. Estos sistemas acoplados pueden presentar frecuencias de batido cuando las frecuencias de los componentes individuales difieren ligeramente, lo que crea patrones de modulación de amplitud en las mediciones de vibración.

2.3.1.5. Equipos técnicos y software para la monitorización y el diagnóstico de vibraciones

Requisitos para sistemas de medición y análisis de vibraciones

El diagnóstico eficaz de vibraciones en componentes de locomotoras ferroviarias exige sofisticadas capacidades de medición y análisis que aborden los desafíos específicos de los entornos ferroviarios. Los sistemas modernos de análisis de vibraciones deben ofrecer un amplio rango dinámico, alta resolución de frecuencia y un funcionamiento robusto en condiciones ambientales adversas, como temperaturas extremas, interferencias electromagnéticas y choques mecánicos.

Los requisitos de rango dinámico para aplicaciones de locomotoras suelen superar los 80 dB para capturar tanto fallas incipientes de baja amplitud como vibraciones operativas de alta amplitud. Este rango admite mediciones desde micrómetros por segundo para defectos iniciales en los cojinetes hasta cientos de milímetros por segundo para condiciones de desequilibrio severo.

La resolución de frecuencia determina la capacidad de separar componentes espectrales con poca separación e identificar patrones de modulación característicos de tipos de falla específicos. El ancho de banda de resolución no debe superar 1% de la frecuencia más baja de interés, lo que requiere una cuidadosa selección de los parámetros de análisis para cada aplicación de medición.

La estabilidad de la temperatura garantiza la precisión de las mediciones en los amplios rangos de temperatura de las aplicaciones de locomotoras. Los sistemas de medición deben mantener una precisión de calibración de ±5% en rangos de temperatura de -40 °C a +70 °C para adaptarse a las variaciones estacionales y a los efectos del calentamiento del equipo.

Indicadores del estado de los rodamientos mediante vibración ultrasónica

El análisis ultrasónico de vibraciones permite la detección más temprana posible del deterioro de los rodamientos mediante el monitoreo de las emisiones de alta frecuencia provenientes del contacto con las asperezas superficiales y la rotura de la película lubricante. Estos fenómenos preceden a las señales de vibración convencionales en semanas o meses, lo que permite una programación proactiva del mantenimiento.

Las mediciones de energía de pico cuantifican las emisiones ultrasónicas impulsivas mediante filtros especializados que enfatizan los eventos transitorios y suprimen el ruido de fondo estacionario. La técnica emplea un filtro paso alto por encima de 5 kHz, seguido de la detección de envolvente y el cálculo de RMS en ventanas de tiempo cortas.

El análisis de envolvente de alta frecuencia (HFE) extrae información de modulación de amplitud de las señales portadoras ultrasónicas, revelando patrones de modulación de baja frecuencia correspondientes a las frecuencias de defectos en los rodamientos. Este enfoque combina la sensibilidad ultrasónica con las capacidades del análisis de frecuencia convencional.

El método de pulsos de choque (SPM) mide las amplitudes pico de los transitorios ultrasónicos mediante transductores resonantes especializados sintonizados a aproximadamente 32 kHz. Esta técnica proporciona indicadores adimensionales del estado de los rodamientos que se correlacionan adecuadamente con la gravedad del daño.

Los indicadores de condición ultrasónicos requieren una calibración y un análisis de tendencias minuciosos para establecer valores de referencia y la velocidad de progresión del daño. Factores ambientales como la temperatura, la carga y las condiciones de lubricación afectan significativamente los valores de los indicadores, lo que requiere bases de datos de referencia completas.

Análisis de modulación de vibraciones de alta frecuencia

Los rodamientos de elementos rodantes generan patrones de modulación característicos en vibraciones de alta frecuencia debido a las variaciones periódicas de carga a medida que los elementos rodantes experimentan defectos en las pistas. Estos patrones de modulación aparecen como bandas laterales alrededor de las frecuencias de resonancia estructural y las frecuencias propias del rodamiento.

Las técnicas de análisis de envolvente extraen información de modulación filtrando señales de vibración para aislar bandas de frecuencia que contienen resonancias de cojinetes, aplicando detección de envolvente para recuperar variaciones de amplitud y analizando el espectro de envolvente para identificar frecuencias de defectos.

La identificación de resonancias es crucial para un análisis de envolvente eficaz, ya que la excitación por impacto de los rodamientos excita preferentemente resonancias estructurales específicas. Las pruebas de barrido sinusoidal o el análisis modal de impacto ayudan a identificar las bandas de frecuencia óptimas para el análisis de envolvente de cada ubicación del rodamiento.

Las técnicas de filtrado digital para el análisis de envolventes incluyen filtros de respuesta de impulso finito (FIR) que proporcionan características de fase lineal y evitan la distorsión de la señal, y filtros de respuesta de impulso infinito (IIR) que ofrecen características de caída pronunciada con requisitos computacionales reducidos.

Los parámetros del análisis del espectro de la envolvente afectan significativamente la sensibilidad y la precisión del diagnóstico. El ancho de banda del filtro debe abarcar la resonancia estructural y excluir las resonancias adyacentes, y la longitud de la ventana de análisis debe proporcionar una resolución de frecuencia adecuada para separar las frecuencias de los defectos de los cojinetes y sus armónicos.

Sistemas integrales de monitoreo de equipos rotatorios

Las instalaciones modernas de mantenimiento de locomotoras emplean sistemas de monitoreo integrados que combinan múltiples técnicas de diagnóstico para brindar una evaluación completa del estado de los equipos rotativos. Estos sistemas integran el análisis de vibraciones con el análisis de aceite, el monitoreo térmico y los parámetros de rendimiento para mejorar la precisión del diagnóstico.

Los analizadores de vibraciones portátiles sirven como herramientas de diagnóstico principales para la evaluación periódica del estado durante los intervalos de mantenimiento programados. Estos instrumentos ofrecen análisis espectral, captura de formas de onda temporales y algoritmos automatizados de detección de fallas optimizados para aplicaciones en locomotoras.

Los sistemas de monitoreo instalados permanentemente permiten la vigilancia continua de componentes críticos durante su funcionamiento. Estos sistemas emplean redes de sensores distribuidos, transmisión inalámbrica de datos y algoritmos de análisis automatizados para evaluar el estado en tiempo real y generar alarmas.

Las capacidades de integración de datos combinan información de múltiples técnicas de diagnóstico para mejorar la fiabilidad de la detección de fallas y reducir las tasas de falsas alarmas. Los algoritmos de fusión ponderan las contribuciones de diferentes métodos de diagnóstico según su eficacia para tipos de fallas y condiciones operativas específicas.

Tecnologías de sensores y métodos de instalación

La selección del sensor de vibración afecta significativamente la calidad de la medición y la eficacia del diagnóstico. Los acelerómetros piezoeléctricos ofrecen una excelente respuesta de frecuencia y sensibilidad para la mayoría de las aplicaciones en locomotoras, mientras que los transductores de velocidad electromagnéticos ofrecen una respuesta superior a bajas frecuencias para maquinaria rotativa de gran tamaño.

Los métodos de montaje del sensor influyen decisivamente en la precisión y la fiabilidad de las mediciones. Los pernos roscados proporcionan un acoplamiento mecánico óptimo para instalaciones permanentes, mientras que el montaje magnético facilita las mediciones periódicas en superficies ferromagnéticas. El montaje adhesivo se adapta a superficies no ferromagnéticas, pero requiere preparación de la superficie y tiempo de curado.

La orientación del sensor afecta la sensibilidad de la medición a diferentes modos de vibración. Las mediciones radiales detectan con mayor eficacia el desequilibrio y la desalineación, mientras que las mediciones axiales revelan problemas en los cojinetes de empuje y la desalineación del acoplamiento. Las mediciones tangenciales proporcionan información única sobre la vibración torsional y la dinámica del engranaje.

La protección ambiental requiere una cuidadosa consideración de las temperaturas extremas, la exposición a la humedad y las interferencias electromagnéticas. Los acelerómetros sellados con cables integrados ofrecen una fiabilidad superior a la de los conectores extraíbles en entornos ferroviarios hostiles.

Acondicionamiento de señales y adquisición de datos

La electrónica de acondicionamiento de señales proporciona la excitación, la amplificación y el filtrado del sensor necesarios para mediciones precisas de vibraciones. Los circuitos de excitación de corriente constante alimentan los acelerómetros piezoeléctricos, manteniendo una alta impedancia de entrada para preservar la sensibilidad del sensor.

Los filtros antialiasing previenen los artefactos de plegado de frecuencia durante la conversión de analógico a digital, atenuando los componentes de la señal por encima de la frecuencia de Nyquist. Estos filtros deben proporcionar un rechazo adecuado de la banda de rechazo, manteniendo una respuesta de banda de paso plana para preservar la fidelidad de la señal.

La resolución de conversión de analógico a digital determina el rango dinámico y la precisión de la medición. La conversión de 24 bits proporciona un rango dinámico teórico de 144 dB, lo que permite la medición de firmas de fallas de baja amplitud y vibraciones operativas de alta amplitud dentro de la misma adquisición.

La selección de la frecuencia de muestreo sigue el criterio de Nyquist, que exige frecuencias de muestreo al menos el doble de la frecuencia de interés más alta. Las implementaciones prácticas emplean relaciones de sobremuestreo de 2,5:1 a 4:1 para adaptar las bandas de transición del filtro antialiasing y proporcionar flexibilidad de análisis.

Selección y orientación del punto de medición

Un monitoreo eficaz de vibraciones requiere la selección sistemática de puntos de medición que proporcionen la máxima sensibilidad a las condiciones de falla, minimizando al mismo tiempo la interferencia de fuentes de vibración externas. Los puntos de medición deben ubicarse lo más cerca posible de los soportes de los rodamientos y otras rutas de carga críticas.

Las mediciones de las carcasas de los rodamientos proporcionan información directa sobre su estado y dinámica interna. Las mediciones radiales en las carcasas de los rodamientos detectan con mayor eficacia desequilibrios, desalineaciones y defectos, mientras que las mediciones axiales revelan problemas de carga axial y acoplamiento.

Las mediciones del bastidor del motor capturan la vibración electromagnética y el estado general del motor, pero pueden mostrar menor sensibilidad a los defectos de los rodamientos debido a la atenuación de la vibración a través de la estructura del motor. Estas mediciones complementan las mediciones de la carcasa del rodamiento para una evaluación integral del motor.

Las mediciones de la caja de engranajes detectan la vibración del engranaje y la dinámica interna de los engranajes, pero requieren una interpretación cuidadosa debido a las complejas vías de transmisión de vibraciones y a las múltiples fuentes de excitación. Las ubicaciones de medición cerca de los ejes de los engranajes ofrecen la máxima sensibilidad a los problemas relacionados con el engranaje.

Selección del modo de funcionamiento para pruebas de diagnóstico

La eficacia de las pruebas de diagnóstico depende en gran medida de la selección de condiciones de operación adecuadas que proporcionen una excitación óptima de la vibración relacionada con la falla, manteniendo al mismo tiempo la seguridad y la protección del equipo. Los diferentes modos de operación revelan diferentes aspectos del estado de los componentes y el desarrollo de la falla.

Las pruebas en vacío eliminan las fuentes de vibración dependientes de la carga y proporcionan mediciones de referencia para compararlas con las condiciones de carga. Este modo revela con mayor claridad desequilibrios, desalineaciones y problemas electromagnéticos, a la vez que minimiza la vibración del engranaje y los efectos de la carga sobre los rodamientos.

Las pruebas de carga a diversos niveles de potencia revelan fenómenos dependientes de la carga, como la dinámica del engranaje, los efectos de la distribución de la carga en los rodamientos y las influencias de la carga electromagnética. La carga progresiva ayuda a diferenciar entre fuentes de vibración independientes y dependientes de la carga.

Las pruebas direccionales con rotación hacia adelante y hacia atrás proporcionan información diagnóstica adicional sobre problemas asimétricos, como patrones de desgaste de los dientes de engranajes, variaciones en la precarga de los rodamientos y características de desgaste del acoplamiento. Algunas fallas presentan sensibilidad direccional que facilita su localización.

Las pruebas de barrido de frecuencia durante el arranque y la parada capturan el comportamiento de las vibraciones en todo el rango de velocidad de operación, revelando condiciones de resonancia y fenómenos dependientes de la velocidad. Estas mediciones ayudan a identificar velocidades críticas y ubicaciones de frecuencias naturales.

Efectos de la lubricación en las firmas diagnósticas

El estado de la lubricación afecta significativamente las señales de vibración y la interpretación del diagnóstico, especialmente en aplicaciones de monitoreo de rodamientos. El lubricante nuevo proporciona una amortiguación eficaz que reduce la transmisión de vibraciones, mientras que el lubricante contaminado o degradado puede amplificar las señales de falla.

Los cambios de viscosidad del lubricante con la temperatura afectan la dinámica y las características de vibración de los rodamientos. El lubricante frío aumenta la amortiguación viscosa y puede enmascarar defectos incipientes en los rodamientos, mientras que el lubricante sobrecalentado reduce la amortiguación y la protección.

El lubricante contaminado que contiene partículas de desgaste, agua o materiales extraños genera fuentes adicionales de vibración debido al contacto abrasivo y la turbulencia del flujo. Estos efectos pueden eclipsar las señales de falla reales y dificultar la interpretación del diagnóstico.

Los problemas del sistema de lubricación, como el flujo inadecuado, las variaciones de presión y las irregularidades en la distribución, generan condiciones de carga en los rodamientos que varían con el tiempo y que afectan los patrones de vibración. La correlación entre el funcionamiento del sistema de lubricación y las características de vibración proporciona información valiosa para el diagnóstico.

Reconocimiento de errores de medición y control de calidad

Un diagnóstico fiable requiere la identificación y eliminación sistemática de errores de medición que pueden llevar a conclusiones erróneas y a acciones de mantenimiento innecesarias. Las fuentes de error más comunes incluyen problemas de montaje del sensor, interferencias eléctricas y parámetros de medición inadecuados.

La verificación del montaje del sensor emplea técnicas sencillas, como pruebas de excitación manuales, mediciones comparativas en ubicaciones adyacentes y verificación de la respuesta en frecuencia mediante fuentes de excitación conocidas. Un montaje suelto suele reducir la sensibilidad a las altas frecuencias y puede introducir resonancias espurias.

La detección de interferencias eléctricas implica la identificación de componentes espectrales a la frecuencia de línea (50/60 Hz) y sus armónicos, la comparación de mediciones con la alimentación desconectada y la evaluación de la coherencia entre la vibración y las señales eléctricas. Una conexión a tierra y un apantallamiento adecuados eliminan la mayoría de las fuentes de interferencia.

La verificación de parámetros incluye la confirmación de las unidades de medida, la configuración del rango de frecuencia y los parámetros de análisis. La selección incorrecta de parámetros puede generar artefactos de medición que imitan señales de falla reales.

Arquitectura de sistemas de diagnóstico integrados

Las instalaciones modernas de mantenimiento de locomotoras emplean sistemas de diagnóstico integrados que combinan diversas técnicas de monitorización del estado con capacidades centralizadas de gestión y análisis de datos. Estos sistemas permiten una evaluación completa de los equipos, a la vez que reducen la necesidad de recopilar y analizar manualmente los datos.

Las redes de sensores distribuidos permiten la monitorización simultánea de múltiples componentes en toda la locomotora. Los nodos de sensores inalámbricos reducen la complejidad de la instalación y los requisitos de mantenimiento, a la vez que proporcionan transmisión de datos en tiempo real a los sistemas de procesamiento central.

Los algoritmos de análisis automatizados procesan los flujos de datos entrantes para identificar problemas en desarrollo y generar recomendaciones de mantenimiento. Las técnicas de aprendizaje automático adaptan los parámetros del algoritmo en función de los datos históricos y los resultados del mantenimiento para mejorar la precisión del diagnóstico a lo largo del tiempo.

La integración de bases de datos combina los resultados del análisis de vibraciones con el historial de mantenimiento, las condiciones de operación y las especificaciones de los componentes para brindar una evaluación integral del equipo y soporte para la planificación del mantenimiento.

2.3.1.6. Implementación práctica de la tecnología de medición de vibraciones

Familiarización y configuración del sistema de diagnóstico

Un diagnóstico eficaz de vibraciones comienza con un conocimiento profundo de las capacidades y limitaciones de los equipos de diagnóstico. Los analizadores portátiles modernos integran múltiples funciones de medición y análisis, lo que requiere una capacitación sistemática para utilizar todas las funciones disponibles eficazmente.

La configuración del sistema implica establecer parámetros de medición adecuados para aplicaciones de locomotoras, como rangos de frecuencia, ajustes de resolución y tipos de análisis. Las configuraciones predeterminadas rara vez ofrecen un rendimiento óptimo para aplicaciones específicas, lo que requiere una personalización según las características de los componentes y los objetivos de diagnóstico.

La verificación de la calibración garantiza la precisión de las mediciones y la trazabilidad según las normas nacionales. Este proceso implica conectar fuentes de calibración de precisión y verificar la respuesta del sistema en todos los rangos de frecuencia y amplitud utilizados para las mediciones de diagnóstico.

La configuración de la base de datos establece jerarquías de equipos, definiciones de puntos de medición y parámetros de análisis para cada componente monitoreado. Una organización adecuada de la base de datos facilita la recopilación eficiente de datos y permite la comparación automatizada con tendencias históricas y límites de alarma.

Desarrollo de rutas y configuración de bases de datos

El desarrollo de rutas implica la identificación sistemática de puntos y secuencias de medición que proporcionen una cobertura completa de los componentes críticos, optimizando al mismo tiempo la eficiencia de la recopilación de datos. Las rutas eficaces equilibran la exhaustividad del diagnóstico con las limitaciones prácticas de tiempo.

La selección de puntos de medición prioriza las ubicaciones que ofrecen la máxima sensibilidad a posibles fallos, a la vez que garantiza la repetibilidad de la ubicación del sensor y un acceso seguro. Cada punto de medición requiere documentación de su ubicación exacta, la orientación del sensor y los parámetros de medición.

Los sistemas de identificación de componentes permiten la organización y el análisis automatizados de datos al vincular los puntos de medición con equipos específicos. La organización jerárquica facilita el análisis y la comparación de componentes similares en toda la flota de locomotoras.

La definición de parámetros de análisis establece rangos de frecuencia, ajustes de resolución y opciones de procesamiento adecuados para cada punto de medición. Las ubicaciones de los rodamientos requieren capacidad de alta frecuencia con opciones de análisis de envolvente, mientras que las mediciones de balance y alineación priorizan el rendimiento de baja frecuencia.

Procedimientos de inspección visual y preparación

La inspección visual proporciona información esencial sobre el estado del componente y las posibles complicaciones de la medición antes de realizar mediciones de vibración. Esta inspección revela problemas obvios que podrían no requerir un análisis detallado de vibraciones, a la vez que identifica factores que podrían afectar la calidad de la medición.

La inspección del sistema de lubricación incluye la verificación de los niveles de lubricante, la detección de fugas y los indicadores de contaminación. Una lubricación inadecuada afecta las características de vibración y puede indicar fallas inminentes que requieren atención inmediata, independientemente del nivel de vibración.

La inspección de los herrajes de montaje identifica pernos sueltos, componentes dañados y problemas estructurales que podrían afectar la transmisión de vibraciones o el montaje del sensor. Estos problemas podrían requerir corrección antes de que sea posible obtener mediciones fiables.

La preparación de la superficie para el montaje del sensor implica limpiar las superficies de medición, eliminar la pintura o la corrosión y asegurar un enganche roscado adecuado para los pernos de montaje permanentes. Una preparación adecuada de la superficie afecta directamente la calidad y la repetibilidad de la medición.

La evaluación de riesgos ambientales identifica problemas de seguridad, como superficies calientes, maquinaria rotatoria, riesgos eléctricos y estructuras inestables. Las consideraciones de seguridad pueden requerir procedimientos especiales o equipo de protección para el personal de medición.

Establecimiento del modo de funcionamiento del componente

Las mediciones de diagnóstico requieren el establecimiento de condiciones operativas consistentes que proporcionen resultados repetibles y una sensibilidad óptima a las condiciones de falla. La selección del modo operativo depende del diseño del componente, la instrumentación disponible y las restricciones de seguridad.

El funcionamiento sin carga proporciona mediciones de referencia con mínimas influencias externas, como la carga mecánica o las variaciones de la carga eléctrica. Este modo revela con mayor claridad problemas fundamentales, como desequilibrios, desalineaciones y fallos electromagnéticos.

El funcionamiento con carga a niveles de potencia específicos revela fenómenos dependientes de la carga que podrían no presentarse durante las pruebas sin carga. La carga progresiva ayuda a identificar problemas sensibles a la carga y establece relaciones de gravedad para fines de análisis de tendencias.

Los sistemas de control de velocidad mantienen velocidades de rotación constantes durante la adquisición de mediciones para garantizar la estabilidad de la frecuencia y permitir un análisis espectral preciso. Las variaciones de velocidad durante la medición generan borrosidad espectral que reduce la resolución del análisis y la precisión del diagnóstico.

El establecimiento del equilibrio térmico garantiza que las mediciones representen las condiciones normales de funcionamiento, en lugar de los efectos transitorios del arranque. La mayoría de las máquinas rotativas requieren de 15 a 30 minutos de funcionamiento para alcanzar la estabilidad térmica y niveles de vibración representativos.

Medición y verificación de la velocidad de rotación

La medición precisa de la velocidad de rotación proporciona información de referencia esencial para el análisis espectral y el cálculo de la frecuencia de fallas. Los errores en la medición de velocidad afectan directamente la precisión del diagnóstico y pueden provocar una identificación incorrecta de fallas.

Los tacómetros ópticos miden la velocidad sin contacto mediante cinta reflectante o características naturales de la superficie. Estos instrumentos ofrecen alta precisión y ventajas de seguridad, pero requieren acceso directo a la línea de visión y un contraste de superficie adecuado para un funcionamiento fiable.

Los sensores de captación magnética detectan el paso de elementos ferromagnéticos, como dientes de engranajes o chaveteros de ejes. Estos sensores ofrecen excelente precisión e inmunidad a la contaminación, pero requieren la instalación de captadores y objetivos en los componentes rotatorios.

La medición de velocidad estroboscópica utiliza luces intermitentes sincronizadas para crear imágenes aparentemente estacionarias de los componentes giratorios. Esta técnica permite verificar visualmente la velocidad de rotación y observar el comportamiento dinámico durante el funcionamiento.

La verificación de la velocidad mediante análisis espectral implica la identificación de picos espectrales prominentes correspondientes a frecuencias de rotación conocidas y su comparación con mediciones directas de velocidad. Este método confirma la precisión de la medición y ayuda a identificar los componentes espectrales relacionados con la velocidad.

Recopilación de datos de vibración multipunto

La recopilación sistemática de datos de vibración sigue rutas y secuencias de medición predeterminadas para garantizar una cobertura completa, manteniendo la calidad y la eficiencia de las mediciones. Los procedimientos de recopilación de datos deben adaptarse a las diferentes condiciones de acceso y configuraciones de los equipos.

La repetibilidad de la colocación del sensor garantiza la consistencia de las mediciones entre sesiones sucesivas de recopilación de datos. Los pernos de montaje permanentes proporcionan una repetibilidad óptima, pero pueden no ser prácticos para todas las ubicaciones de medición. Los métodos de montaje temporal requieren documentación cuidadosa y ayudas de posicionamiento.

Las consideraciones sobre el tiempo de medición incluyen un tiempo de estabilización adecuado tras la instalación del sensor, una duración de medición suficiente para garantizar la precisión estadística y la coordinación con los horarios de funcionamiento del equipo. Las mediciones apresuradas suelen producir resultados poco fiables que dificultan la interpretación del diagnóstico.

La documentación de las condiciones ambientales incluye la temperatura ambiente, la humedad y los niveles de fondo acústico que pueden afectar la calidad o la interpretación de las mediciones. Las condiciones extremas pueden requerir el aplazamiento de las mediciones o la modificación de parámetros.

La evaluación de la calidad en tiempo real implica la monitorización de las características de la señal durante la adquisición para identificar problemas de medición antes de finalizar la recopilación de datos. Los analizadores modernos ofrecen visualizaciones espectrales y estadísticas de señal que permiten una evaluación inmediata de la calidad.

Monitoreo acústico y medición de temperatura

El monitoreo de emisiones acústicas complementa el análisis de vibraciones al detectar ondas de tensión de alta frecuencia generadas por la propagación de grietas, la fricción y los fenómenos de impacto. Estas mediciones proporcionan una alerta temprana sobre problemas en desarrollo que aún no pueden producir cambios medibles en las vibraciones.

Los dispositivos de escucha ultrasónica permiten la monitorización audible del estado de los rodamientos mediante técnicas de desplazamiento de frecuencia que convierten las emisiones ultrasónicas en frecuencias audibles. Los técnicos con experiencia pueden identificar sonidos característicos asociados a tipos específicos de fallas.

Las mediciones de temperatura proporcionan información esencial sobre el estado térmico de los componentes y ayudan a validar los resultados del análisis de vibraciones. El monitoreo de la temperatura de los rodamientos revela problemas de lubricación y condiciones de carga que afectan las características de vibración.

La termografía infrarroja permite la medición de temperatura sin contacto y la identificación de patrones térmicos que indican problemas mecánicos. Los puntos calientes pueden indicar problemas de fricción, desalineación o lubricación que requieren atención inmediata.

El análisis de tendencias de temperatura, combinado con el análisis de tendencias de vibración, proporciona una evaluación completa del estado de los componentes y sus tasas de degradación. El aumento simultáneo de temperatura y vibración suele indicar un desgaste acelerado que requiere un mantenimiento inmediato.

Verificación de la calidad de los datos y detección de errores

La verificación de la calidad de las mediciones implica la evaluación sistemática de los datos adquiridos para identificar posibles errores o anomalías que podrían llevar a conclusiones diagnósticas incorrectas. Los procedimientos de control de calidad deben aplicarse inmediatamente después de la recopilación de datos, mientras las condiciones de medición se mantengan frescas en la memoria.

Los indicadores de calidad del análisis espectral incluyen niveles de ruido de fondo adecuados, ausencia de artefactos de aliasing evidentes y un contenido de frecuencia razonable en relación con las fuentes de excitación conocidas. Los picos espectrales deben coincidir con las frecuencias esperadas según las velocidades de rotación y la geometría de los componentes.

La inspección de la forma de onda temporal revela características de la señal que podrían no ser evidentes en el análisis del dominio de la frecuencia. El recorte, las desviaciones de CC y las anomalías periódicas indican problemas en el sistema de medición que requieren corrección antes del análisis de datos.

La verificación de repetibilidad implica la recopilación de múltiples mediciones en condiciones idénticas para evaluar la consistencia de las mediciones. Una variabilidad excesiva indica condiciones operativas inestables o problemas en el sistema de medición.

La comparación histórica proporciona contexto para evaluar las mediciones actuales en relación con datos anteriores de los mismos puntos de medición. Los cambios repentinos pueden indicar problemas reales en el equipo o errores de medición que requieran investigación.

2.3.1.7. Evaluación práctica del estado de los rodamientos mediante datos de medición primarios

Análisis de errores de medición y validación de datos

El diagnóstico fiable de rodamientos requiere la identificación y eliminación sistemática de errores de medición que pueden ocultar señales de fallo reales o generar indicaciones falsas. El análisis de errores comienza inmediatamente después de la recopilación de datos, mientras que las condiciones y los procedimientos de medición se conservan en la memoria.

La validación del análisis espectral implica examinar las características del dominio frecuencial para verificar su coherencia con las fuentes de excitación conocidas y las capacidades del sistema de medición. Las firmas de defectos de rodamientos genuinos presentan relaciones de frecuencia y patrones armónicos específicos que las diferencian de los artefactos de medición.

El análisis del dominio temporal revela características de la señal que pueden indicar problemas de medición, como recortes, interferencias eléctricas y perturbaciones mecánicas. Las señales de defectos en los rodamientos suelen presentar características impulsivas con factores de cresta elevados y patrones de amplitud periódicos.

El análisis de tendencias históricas proporciona un contexto esencial para evaluar las mediciones actuales en relación con datos anteriores de ubicaciones de medición idénticas. Los cambios graduales indican una degradación real del equipo, mientras que los cambios repentinos pueden indicar errores de medición o influencias externas.

La verificación entre canales implica comparar las mediciones de varios sensores en el mismo componente para identificar la sensibilidad direccional y confirmar la presencia de fallas. Los defectos en los rodamientos suelen afectar a múltiples direcciones de medición, manteniendo las relaciones de frecuencia características.

La evaluación de factores ambientales considera influencias externas, como variaciones de temperatura, cambios de carga y fondo acústico, que pueden afectar la calidad o la interpretación de las mediciones. La correlación entre las condiciones ambientales y las características de vibración proporciona valiosa información diagnóstica.

Verificación de la velocidad de rotación mediante análisis espectral

La determinación precisa de la velocidad de rotación sienta las bases para el cálculo de la frecuencia de fallos en los rodamientos y la interpretación de diagnósticos. El análisis espectral ofrece múltiples enfoques para la verificación de la velocidad que complementan las mediciones directas con tacómetro.

La identificación de la frecuencia fundamental implica la localización de los picos espectrales correspondientes a la frecuencia de rotación del eje, que deberían aparecer prominentemente en la mayoría de los espectros de maquinaria rotativa debido a desequilibrios residuales o ligeras desalineaciones. La frecuencia fundamental proporciona la referencia base para todos los cálculos de frecuencias armónicas y de rodamientos.

El análisis de patrones armónicos examina la relación entre la frecuencia fundamental y sus armónicos para confirmar la precisión de la velocidad e identificar problemas mecánicos adicionales. El desequilibrio rotacional puro produce vibración predominantemente de frecuencia fundamental, mientras que los problemas mecánicos generan armónicos más altos.

La identificación de frecuencia electromagnética en aplicaciones de motores revela los componentes de frecuencia de línea y las frecuencias de paso de ranura que permiten una verificación independiente de la velocidad. Estas frecuencias mantienen relaciones fijas con la frecuencia de alimentación eléctrica y los parámetros de diseño del motor.

La identificación de la frecuencia de engrane en sistemas de engranajes proporciona una determinación de velocidad altamente precisa mediante la relación entre la frecuencia de engrane y la velocidad de rotación. Las frecuencias de engrane suelen producir picos espectrales prominentes con excelentes relaciones señal-ruido.

La evaluación de la variación de velocidad examina la nitidez de los picos espectrales y la estructura de las bandas laterales para evaluar la estabilidad de la velocidad durante la adquisición de mediciones. La inestabilidad de la velocidad genera borrosidad espectral y bandas laterales que reducen la precisión del análisis y pueden enmascarar las características de los defectos en los rodamientos.

Cálculo e identificación de la frecuencia de defectos en los rodamientos

Los cálculos de frecuencia de defectos en rodamientos requieren datos precisos sobre su geometría e información precisa sobre la velocidad de rotación. Estos cálculos proporcionan frecuencias teóricas que sirven como plantillas para identificar las características reales de los defectos en los rodamientos en los espectros medidos.

La frecuencia de paso de bolas en la pista exterior (BPFO) representa la frecuencia con la que los elementos rodantes encuentran defectos en la pista exterior. Esta frecuencia suele oscilar entre 0,4 y 0,6 veces la frecuencia de rotación, dependiendo de la geometría del rodamiento y las características del ángulo de contacto.

La frecuencia de paso de bola (BPFI) indica la tasa de contacto del elemento rodante con los defectos de la pista interna. La BPFI suele superar a la BPFO en 20-40% y puede presentar modulación de amplitud a la frecuencia de rotación debido a los efectos de la zona de carga.

La frecuencia fundamental del tren (FTF) representa la frecuencia de rotación de la jaula y suele ser de 0,35 a 0,45 veces la frecuencia de rotación del eje. Defectos en la jaula o problemas de lubricación pueden generar vibraciones en la FTF y sus armónicos.

La frecuencia de giro de la bola (BSF) indica la frecuencia de rotación de cada elemento rodante y rara vez aparece en los espectros de vibración, a menos que los elementos rodantes presenten defectos específicos o variaciones dimensionales. La identificación de la BSF requiere un análisis minucioso debido a su amplitud típicamente baja.

Las consideraciones de tolerancia de frecuencia tienen en cuenta las variaciones de fabricación, los efectos de la carga y las incertidumbres de medición que pueden provocar que las frecuencias reales de los defectos difieran de los cálculos teóricos. Los anchos de banda de búsqueda de ±5% en torno a las frecuencias calculadas se adaptan a estas variaciones.

Reconocimiento de patrones espectrales e identificación de fallas

La identificación de fallas en los rodamientos requiere técnicas sistemáticas de reconocimiento de patrones que diferencien las señales de defectos genuinos de los rodamientos de otras fuentes de vibración. Cada tipo de falla produce patrones espectrales característicos que, al interpretarse correctamente, permiten un diagnóstico específico.

Las señales de defectos en la pista exterior suelen aparecer como picos espectrales discretos en el BPFO y sus armónicos, sin modulación de amplitud significativa. La ausencia de bandas laterales de frecuencia rotacional distingue los defectos en la pista exterior de los problemas en la pista interior.

Las señales de defectos en la pista interna presentan una frecuencia fundamental BPFI con bandas laterales espaciadas a intervalos de frecuencia rotacional. Esta modulación de amplitud se debe a los efectos de la zona de carga a medida que el área defectuosa rota en condiciones de carga variables.

Las señales de defectos de los elementos rodantes pueden aparecer en el BSF o generar modulación de las frecuencias de otros rodamientos. Estos defectos suelen generar patrones espectrales complejos que requieren un análisis minucioso para distinguirlos de los defectos de pista.

Las señales de defectos en la jaula suelen manifestarse en FTF y sus armónicos, a menudo acompañados de un aumento en los niveles de ruido de fondo y características de amplitud inestables. Los problemas en la jaula también pueden modular otras frecuencias de los rodamientos.

Implementación e interpretación del análisis de envolventes

El análisis de envolvente extrae información de modulación de amplitud de la vibración de alta frecuencia para revelar patrones de defectos de baja frecuencia en los rodamientos. Esta técnica resulta especialmente eficaz para detectar defectos en rodamientos en etapas tempranas que podrían no producir vibraciones de baja frecuencia mensurables.

La selección de la banda de frecuencia para el análisis de la envolvente requiere la identificación de las resonancias estructurales o frecuencias naturales de los rodamientos que se excitan por las fuerzas de impacto. Las bandas de frecuencia óptimas suelen oscilar entre 1000 y 8000 Hz, dependiendo del tamaño del rodamiento y las características de montaje.

Los parámetros de diseño del filtro afectan significativamente los resultados del análisis de envolvente. Los filtros paso banda deben proporcionar un ancho de banda adecuado para capturar las características de resonancia, excluyendo las resonancias adyacentes que podrían contaminar los resultados. Las características de roll-off del filtro afectan la respuesta transitoria e impactan la sensibilidad de detección.

La interpretación del espectro de envolvente sigue principios similares al análisis espectral convencional, pero se centra en las frecuencias de modulación en lugar de las frecuencias portadoras. Las frecuencias de defectos de los rodamientos aparecen como picos discretos en los espectros de envolvente, cuyas amplitudes indican la gravedad del defecto.

La evaluación de la calidad del análisis de envolvente implica evaluar la selección de filtros, las características de la banda de frecuencia y la relación señal-ruido para garantizar resultados fiables. Unos resultados deficientes en el análisis de envolvente pueden indicar una selección inadecuada de filtros o una excitación de resonancia estructural insuficiente.

Evaluación de amplitud y clasificación de gravedad

La evaluación de la gravedad de los defectos en los rodamientos requiere una evaluación sistemática de las amplitudes de vibración en relación con los criterios establecidos y las tendencias históricas. La clasificación de la gravedad permite planificar el mantenimiento y evaluar los riesgos para garantizar la continuidad del funcionamiento.

Los criterios de amplitud absoluta proporcionan directrices generales para la evaluación del estado de los rodamientos, basadas en la experiencia y los estándares de la industria. Estos criterios suelen establecer niveles de alerta y alarma para la vibración general y bandas de frecuencia específicas.

El análisis de tendencias evalúa los cambios de amplitud a lo largo del tiempo para evaluar las tasas de degradación y predecir la vida útil restante. El crecimiento exponencial de la amplitud suele indicar un daño acelerado que requiere un mantenimiento inmediato.

El análisis comparativo evalúa el estado del rodamiento en relación con rodamientos similares en aplicaciones idénticas para tener en cuenta las condiciones de funcionamiento y las características de instalación específicas. Este enfoque proporciona una evaluación de la gravedad más precisa que la de los criterios absolutos por sí solos.

La integración de múltiples parámetros combina información sobre los niveles generales de vibración, las frecuencias específicas de defectos, los resultados del análisis de envolvente y las mediciones de temperatura para proporcionar una evaluación completa de los rodamientos. El análisis de un solo parámetro puede proporcionar información incompleta o engañosa.

Análisis de patrones de modulación y efectos de zona de carga

La distribución de la carga en los rodamientos afecta significativamente las señales de vibración y la interpretación del diagnóstico. Los efectos de la zona de carga crean patrones de modulación de amplitud que proporcionan información adicional sobre el estado de los rodamientos y las características de carga.

La modulación de los defectos en la pista interna se produce a medida que las áreas defectuosas giran a través de zonas de carga variables en cada revolución. La modulación máxima se produce cuando los defectos se alinean con las posiciones de carga máxima, mientras que la modulación mínima corresponde a las posiciones sin carga.

La identificación de zonas de carga mediante análisis de modulación revela patrones de carga en los apoyos y puede indicar desalineación, problemas de cimentación o distribución anormal de la carga. Los patrones de modulación asimétricos sugieren condiciones de carga no uniformes.

El análisis de banda lateral examina los componentes de frecuencia que rodean las frecuencias de defectos de los rodamientos para cuantificar la profundidad de modulación e identificar las fuentes de modulación. Las bandas laterales de frecuencia rotacional indican efectos en la zona de carga, mientras que otras frecuencias de banda lateral pueden revelar problemas adicionales.

El análisis de fase de los patrones de modulación proporciona información sobre la ubicación de los defectos en relación con las zonas de carga y puede ayudar a predecir la progresión de los daños. Las técnicas avanzadas de análisis permiten estimar la vida útil restante del rodamiento basándose en las características de modulación.

Integración con técnicas de diagnóstico complementarias

La evaluación integral de rodamientos integra el análisis de vibraciones con técnicas de diagnóstico complementarias para mejorar la precisión y reducir las falsas alarmas. Diversos enfoques de diagnóstico confirman la identificación del problema y optimizan la evaluación de su gravedad.

El análisis de aceite revela partículas de desgaste en los rodamientos, niveles de contaminación y degradación del lubricante, que se correlacionan con los resultados del análisis de vibraciones. El aumento de la concentración de partículas de desgaste suele preceder varias semanas a los cambios detectables en la vibración.

El monitoreo de temperatura proporciona información en tiempo real sobre el estado térmico y los niveles de fricción de los rodamientos. El aumento de temperatura suele acompañar al aumento de la vibración durante los procesos de degradación de los rodamientos.

El monitoreo de emisiones acústicas detecta ondas de tensión de alta frecuencia provenientes de la propagación de grietas y fenómenos de contacto superficial que pueden preceder a las señales de vibración convencionales. Esta técnica permite la detección temprana de fallas.

La monitorización del rendimiento evalúa los efectos de los rodamientos en el funcionamiento del sistema, incluyendo cambios en la eficiencia, variaciones en la distribución de la carga y estabilidad operativa. La degradación del rendimiento puede indicar problemas en los rodamientos que requieren investigación, incluso cuando los niveles de vibración se mantienen aceptables.

Requisitos de documentación e informes

Un diagnóstico eficaz de los rodamientos requiere una documentación completa de los procedimientos de medición, los resultados del análisis y las recomendaciones de mantenimiento para respaldar la toma de decisiones y proporcionar registros históricos para el análisis de tendencias.

La documentación de las mediciones incluye la configuración del equipo, las condiciones ambientales, los parámetros de funcionamiento y los resultados de la evaluación de calidad. Esta información permite la repetibilidad de las mediciones en el futuro y proporciona contexto para la interpretación de los resultados.

La documentación del análisis registra los procedimientos de cálculo, los métodos de identificación de frecuencias y el razonamiento diagnóstico para sustentar las conclusiones y permitir la revisión por pares. La documentación detallada facilita la transferencia de conocimientos y las actividades de capacitación.

La documentación de recomendaciones proporciona una guía clara de mantenimiento, que incluye la clasificación de urgencia, los procedimientos de reparación sugeridos y los requisitos de monitoreo. Las recomendaciones deben incluir una justificación técnica suficiente para respaldar las decisiones de planificación del mantenimiento.

El mantenimiento de la base de datos histórica garantiza que los resultados de las mediciones y los análisis permanezcan accesibles para el análisis de tendencias y estudios comparativos. Una organización adecuada de la base de datos facilita el análisis de toda la flota y la identificación de problemas comunes en equipos similares.

Conclusión

El diagnóstico de vibraciones de componentes de locomotoras ferroviarias representa una sofisticada disciplina de ingeniería que combina principios mecánicos fundamentales con tecnologías avanzadas de medición y análisis. Esta guía completa ha explorado los elementos esenciales necesarios para la implementación eficaz de la monitorización del estado basada en vibraciones en las operaciones de mantenimiento de locomotoras.

La base de un diagnóstico de vibraciones exitoso reside en un conocimiento profundo de los fenómenos oscilatorios en maquinaria rotativa y de las características específicas de los bloques de ruedas-motor (WMB), los bloques de ruedas-engranaje (WGB) y las máquinas auxiliares (AM). Cada tipo de componente presenta señales de vibración únicas que requieren enfoques de análisis y técnicas de interpretación especializados.

Los sistemas de diagnóstico modernos ofrecen potentes capacidades para la detección temprana de fallas y la evaluación de su gravedad, pero su eficacia depende fundamentalmente de una implementación adecuada, el control de calidad de las mediciones y la interpretación experta de los resultados. La integración de múltiples técnicas de diagnóstico mejora la fiabilidad y reduce las tasas de falsas alarmas, a la vez que proporciona una evaluación completa del estado de los componentes.

Los avances continuos en tecnología de sensores, algoritmos de análisis y capacidades de integración de datos prometen mejoras adicionales en la precisión del diagnóstico y la eficiencia operativa. Las organizaciones de mantenimiento ferroviario que inviertan en capacidades integrales de diagnóstico de vibraciones obtendrán beneficios significativos gracias a la reducción de fallos imprevistos, la optimización de la programación del mantenimiento y una mayor seguridad operativa.

La implementación exitosa del diagnóstico de vibraciones requiere un compromiso continuo con la capacitación, el avance tecnológico y los procedimientos de control de calidad. A medida que los sistemas ferroviarios evolucionan hacia velocidades más altas y mayores requisitos de confiabilidad, el diagnóstico de vibraciones desempeñará un papel cada vez más crucial para mantener la seguridad y eficiencia de las operaciones de las locomotoras.