Entender el BPFI: frecuencia de paso de las bolas, pista interior
BPFI (Frecuencia de Pase de Pelota, Carrera Interna) es uno de los cuatro factores fundamentales frecuencias de fallo de los rodamientos y representa la velocidad a la que los elementos rodantes pasan por encima de un defecto en la pista interior giratoria de un rodamiento. Cuando se forma una escama, una grieta o una picadura en esa pista interior, cada elemento rodante choca contra el defecto a medida que la pista lo arrastra, generando impactos periódicos que se reflejan en el vibración señal en la frecuencia BPFI. Lo que distingue a la BPFI de las demás frecuencias características es su acompañamiento casi constante de ±1× bandas laterales — una huella que convierte los defectos de la pista interior en algunas de las anomalías que se diagnostican con mayor seguridad en análisis de vibraciones.
1. Definición: ¿Qué es el BPFI?
El BPFI mide el número de pasadas de los elementos rodantes que se producen sobre un punto concreto de la pista interior por unidad de tiempo. Dado que la pista interior gira con el eje, mientras que los elementos giran más lentamente a la velocidad de la jaula, el movimiento relativo entre la pista y los elementos es elevado, al igual que la frecuencia. El defecto se encuentra en la pista giratoria, por lo que recibe repetidos golpes de cada bola o rodillo que pasa por allí. Junto con la frecuencia de la pista exterior (BPFO), la frecuencia de la jaula (FTF), y la frecuencia de giro de los elementos rodantes (BSF), el BPFI constituye el conjunto estándar de frecuencias que un analista calcula para localizar los daños en un rodamiento. Los propios fallos forman parte del tema más amplio de defectos de los cojinetes.
2. Cálculo matemático
Fórmula y variables
El BPFI viene determinado por la geometría del rodamiento y la velocidad del eje:
BPFI = (N × n / 2) × [1 − (Bd/Pd) · cos β]
- norte = número de elementos rodantes del rodamiento.
- n = frecuencia de rotación del eje en Hz (o RPM ÷ 60).
- Bd = diámetro de la bola o del rodillo.
- Pd = diámetro de paso (el círculo que pasa por los centros de los elementos rodantes).
- β = ángulo de contacto.
¿Por qué el BPFI siempre es más alto que el BPFO?
Para el mismo rodamiento, el BPFI siempre supera al BPFO, y la fórmula explica exactamente por qué:
- La pista interior gira con el eje, mientras que los elementos rodantes se desplazan a una velocidad aproximadamente 0,4 veces superior a la de la jaula, por lo que la velocidad relativa en la pista interior es mayor.
- El BPFI utiliza el término [1 − Bd/Pd], mientras que el BPFO utiliza [1 + Bd/Pd].
- Al restar una fracción de uno, el multiplicador del BPFI sigue siendo mayor que el del BPFO.
- La relación típica BPFI/BPFO es de aproximadamente 1.6–1.8.
Valores típicos
- En el caso de los rodamientos comunes, el BPFI se sitúa en torno a 5–7× velocidad del eje.
- Ejemplo trabajado: Un rodamiento de 10 bolas a 1800 rpm (30 Hz) da un BPFI ≈ 173 Hz, aproximadamente 5,8 veces la velocidad del eje.
En lugar de evaluar esto manualmente para cada máquina, la mayoría de los analistas consultan el valor —junto con el BPFO, el BSF y el FTF— directamente desde el Calculadora de frecuencia de defectos en los rodamientos, introduciendo una sola vez la geometría del rodamiento y la velocidad de funcionamiento.
3. Mecanismo físico y modulación de la zona de carga
El defecto rotatorio
Un defecto en la carrera interior crea una situación que la carrera exterior nunca percibe, ya que el propio defecto se desplaza:
- El defecto se encuentra en la pista interior giratoria.
- A medida que gira la pista, la imperfección recorre toda la circunferencia del rodamiento.
- Cada elemento rodante la golpea al pasar; esa es la tasa de BPFI.
- Pero la fuerza de cada golpe depende de la posición del defecto con respecto a la zona de carga en ese instante.
El efecto de la zona de carga
Cada rodamiento sometido a carga presenta una zona —la zona de carga— en la que los elementos rodantes ejercen la mayor presión contra las pistas. A medida que el defecto de la pista interior gira y sale de esta zona una vez por cada vuelta del eje, la resistencia al impacto aumenta y disminuye:
- Defecto en la zona de carga: una fuerza de contacto elevada, un fuerte impacto cada vez que un elemento choca contra ella.
- Defecto situado frente a la zona de carga: una fuerza de contacto mínima o nula, un impacto débil o inexistente.
- Frecuencia de modulación: el defecto completa este ciclo una vez por cada vuelta del eje, es decir, en 1× velocidad de rotación.
- Resultado: los impactos del BPFI se modulan en amplitud a 1× la velocidad del eje.
Generación de banda lateral
Esa modulación de amplitud es la que produce el patrón de bandas laterales de diagnóstico:
- Frecuencia portadora: BPFI.
- Frecuencia de modulación: 1× velocidad del eje.
- Bandas laterales: BPFI ± 1×, BPFI ± 2×, BPFI ± 3×, distribuidos simétricamente alrededor del soporte.
- Valor diagnóstico: Esta familia de bandas laterales regulares de 1× es prácticamente patognomónica de un defecto de la pista interior, y es precisamente lo que distingue a la BPFI de las bandas laterales con espaciado FTF de una falla BSF.
4. Características de la firma vibratoria
Aspecto típico del espectro
- Pico central en la frecuencia BPFI.
- Familia de banda lateral de picos en BPFI ± n×(1×).
- Familias armónicas a 2×BPFI y 3×BPFI, cada una con sus propias bandas laterales de ±1×.
- Patrón visual: una «valla de estacas» o un peine de picos espaciados uniformemente.
Por qué el espectro de la envolvente es decisivo
Los impactos de la pista interior excitan resonancias de alta frecuencia del rodamiento en lugar de depositar toda su energía directamente en el BPFI, por lo que un FFT puede parecer insignificante en las primeras etapas. Análisis de envolvente demodula esas ráfagas resonantes, y en el resultado espectro de envolvente el pico de la BPFI predomina y las bandas laterales de 1× se aprecian con una claridad excepcional —a menudo meses antes que el estándar espectro no muestra nada. A medida que el defecto crece, la amplitud de la envolvente aumenta rápidamente.
5. Detección, diagnóstico y prácticas de campo
Una secuencia de reconocimiento fiable
- Calcular BPFI a partir del número de modelo o la geometría del rodamiento.
- Buscar en el espectro para un pico en la frecuencia calculada, admitiendo una tolerancia de aproximadamente ±5 %.
- Comprueba las bandas laterales de ±1× — la característica clave que lo confirma.
- Comprueba los armónicos (2×BPFI, 3×BPFI) para sus propias bandas laterales.
- Evaluar la amplitud en comparación con los valores de referencia o las directrices de gravedad.
- Confirmar: Un valor de BPFI más 1× las bandas laterales indica un defecto en la carrera interna.
Sobre el terreno, el mismo flujo de trabajo se ejecuta en un instrumento portátil de dos canales. Un analista puede montar un acelerómetro en la carcasa del cojinete, registrar la vibración de alta frecuencia a velocidad de funcionamiento y analizar la envolvente in situ; precisamente el tipo de tarea de «medir donde funciona» que permite una herramienta como la Balanset-1A está diseñado para ello, ya que, además de su función de equilibrado de rotores, sirve como analizador de vibraciones sobre el terreno.
BPFI frente a BPFO: resumen
| Característica | BPFI (Pista interior) | BPFO (Pista exterior) |
|---|---|---|
| Frecuencia | Más alta (5–7 veces la velocidad del eje) | Más baja (3–5 veces la velocidad del eje) |
| Bandas laterales | Casi siempre presente (±1×) | Puede o no estar presente |
| Patrón de bandas laterales | Espaciado muy regular y claro | Menos regular cuando está presente |
| Aparición | Menos común (~25% de fallas) | Más comunes (~40% de fallas) |
6. Evolución, gravedad y vida útil restante
Etapas de desarrollo de los defectos
- Iniciación: Se forman grietas o picaduras microscópicas, aún no detectables
- Incipiente: En el espectro de envolvente aparece un pequeño pico de BPFI (≈ 0,1–0,5 g).
- Temprano: un pico BPFI nítido con uno o dos armónicos y bandas laterales (≈ 0,5–2 g).
- Moderado: múltiples armónicos, bandas laterales prominentes, un descascarillado visible al examinarlo (≈ 2–10 g).
- Avanzado: amplitud muy elevada, numerosos armónicos, un ruido de fondo creciente (> 10 g).
- Severo: predomina el ruido de banda ancha, los picos discretos se difuminan y el fallo catastrófico es inminente.
Orientación sobre la vida útil restante
- Desde la fase incipiente hasta la fase temprana: por lo general, le quedan entre 6 y 18 meses.
- De temprano a moderado: De 3 a 6 meses.
- De moderado a avanzado: 1-3 meses.
- De avanzado a grave: días a semanas.
- Advertencia: La vida útil real depende de la carga, la velocidad, la lubricación y el tamaño del rodamiento; las cifras son orientativas, no garantizadas, y se tienen en cuenta en cualquier cálculo formal vida útil restante estimación.
7. Causas y medidas correctivas
Causas habituales de los defectos en la pista interior
- Fatiga: fatiga subsuperficial por ciclos elevados debida a cargas repetitivas, el mecanismo clásico que marca el final de la vida útil.
- Instalación incorrecta: daños por montaje, como la instalación del rodamiento golpeando la pista interior.
- Daños en el eje: un asiento del eje rugoso o rayado que provoca desgaste por fricción.
- Ajuste a presión excesivo: Un ajuste a presión demasiado apretado que aumenta la tensión en el aro.
- Desalineación: una carga no uniforme que acelera la fatiga.
- Contaminación: partículas duras que dañan la pista.
- Fallo de lubricación: una capa insuficiente que provoca daños en la superficie y desconchado.
Planificación de la respuesta y la sustitución
En caso de detectarse el problema, aumente la frecuencia de supervisión (de mensual a semanal y, posteriormente, a diaria a medida que aumente la gravedad), programe la sustitución para la próxima parada de mantenimiento que resulte conveniente y analice la evolución de la amplitud para estimar la vida útil restante. Evite prolongarse en velocidades críticas que podrían acelerar el fallo. Al planificar el cambio, solicite el modelo de rodamiento adecuado, inspeccione el eje (un defecto avanzado en la pista interior puede rayar el asiento) y realice un análisis de las causas fundamentales para que la pieza de recambio no falle de la misma manera. Integrado en un proceso disciplinado monitorización de condición En este programa, la detección de la BPFI se convierte en un pilar fundamental de la fiabilidad de los rodamientos: su inconfundible pico de alta frecuencia con bandas laterales de 1× proporciona una alerta oportuna e inequívoca que evita daños secundarios en los ejes y los soportes.
