Entender la BSF: frecuencia de giro de la bola
BSF (La frecuencia de giro de la bola, también denominada frecuencia de giro de los elementos rodantes) es una de las cuatro fundamentales frecuencias de fallo de los rodamientos y describe la velocidad a la que gira un solo elemento rodante —una bola o un rodillo— sobre su propio eje mientras el rodamiento está en funcionamiento. Cuando ese elemento presenta un defecto superficial, como una astilla, una grieta o una inclusión dura, el defecto golpea sucesivamente las pistas interior y exterior, generando impactos periódicos que se manifiestan en el vibración señal. De las cuatro frecuencias características, la BSF es la que los ingenieros observan con menos frecuencia, ya que los elementos rodantes fallan con mucha menos frecuencia que las pistas sobre las que se desplazan; sin embargo, cuando aparece, su firma es una de las más complejas de interpretar con análisis de vibraciones.
1. Definición: ¿Qué es la frecuencia de giro de la bola?
En cualquier rodamiento de elementos rodantes, cada bola o rodillo realiza dos movimientos a la vez. Esto órbitas el centro del rodamiento, que gira junto con la jaula en el Frecuencia fundamental del tren (FTF), y al mismo tiempo gira sobre su propio eje. Esa velocidad de giro es la frecuencia de giro de la bola. Dado que un defecto presente en la superficie del elemento es arrastrado por el giro, entra en contacto periódicamente con la pista de rodadura contra la que se presiona, lo que genera una función de forzamiento repetitiva que el analizador puede aislar.
Los defectos en los elementos rodantes solo representan aproximadamente entre el 10 % y el 15 % de los fallos de los rodamientos, razón por la cual la BSF es la menos frecuente de las cuatro frecuencias. No obstante, completa el cuadro diagnóstico: una evaluación adecuada del rodamiento comprueba la pista interior (BPFI), pista exterior (BPFO), de jaula (FTF) y de elementos rodantes (BSF), de modo que no se pase por alto ningún modo de fallo. La familia más amplia de estos problemas se aborda en defectos en los elementos rodantes.
2. Cálculo matemático
Fórmula y variables
El BSF se obtiene a partir de la geometría del rodamiento y la velocidad del eje:
BSF = (Pd / 2·Bd) × n × [1 − (Bd/Pd)² · cos² β]
- Pd = diámetro de paso (el diámetro del círculo que pasa por los centros de los elementos rodantes).
- Bd = diámetro de la bola o del rodillo.
- n = frecuencia de rotación del eje en Hz (o RPM ÷ 60).
- β = ángulo de contacto.
Fíjate en los términos al cuadrado: la BSF depende de la cuadrado de la relación de diámetros y el cuadrado del coseno del ángulo de contacto, por lo que es más sensible a la geometría del rodamiento que las frecuencias de la pista.
Forma simplificada y valores típicos
En el caso de un rodamiento radial con ángulo de contacto nulo (β = 0°), el término del coseno desaparece:
- BSF ≈ (Pd / 2·Bd) × n × [1 − (Bd/Pd)²]
- Para un cojinete típico con Bd/Pd ≈ 0,2, esto da como resultado un BSF ≈ 2,4 × n.
- Por regla general, el BSF suele situarse entre Velocidad del eje de 1,5× y 3×.
- Se sitúa por debajo tanto de la BPFI como de la BPFO, pero por encima de la frecuencia de la jaula (FTF).
- Ejemplo trabajado: Un cojinete a 1800 rpm (30 Hz) con un factor de 2,4 da como resultado un BSF ≈ 71 Hz.
Dado que el cálculo manual en las cuatro frecuencias puede dar lugar a errores aritméticos, la mayoría de los analistas obtienen los valores directamente de una herramienta como la Calculadora de la frecuencia de defectos en rodamientos (BPFO, BPFI, BSF, FTF), que toma en cuenta la geometría y la velocidad del rodamiento y calcula todas las frecuencias características a la vez.
3. Mecanismo físico
Dos movimientos simultáneos
Para entender por qué el BSF se comporta así, sigue el recorrido de un elemento rodante:
- Gira alrededor del rodamiento a la frecuencia de la jaula, que es aproximadamente 0,4 veces la velocidad del eje.
- Al mismo tiempo, gira sobre su propio eje en BSF.
- La velocidad de giro viene determinada por la relación entre el diámetro de paso y el diámetro de la bola.
- Cada vuelta completa hace que cualquier imperfección de la superficie entre en contacto con ambas pistas de rodadura.
Doble impacto por revolución
Un defecto en un elemento rodante produce un patrón característico de doble impacto:
- Primer impacto: el defecto afecta a la pista interior.
- Media vuelta más tarde: el mismo defecto, ahora girado 180°, afecta a la pista exterior.
- Resultado: dos impactos por vuelta del elemento, por lo que la energía se concentra en 2×BSF.
- En la práctica: A menudo aparecen picos tanto en la frecuencia fundamental (BSF) como en la doble frecuencia fundamental (2×BSF), y la segunda armónica suele ser la más intensa de las dos.
Modulación por la jaula
Otro factor que aumenta la complejidad es el recorrido orbital del elemento a través de la zona de carga del rodamiento:
- La bola defectuosa atraviesa la zona de carga una vez por cada vuelta de la jaula.
- Por lo tanto, la intensidad del impacto es elevada en la zona de carga y débil en el resto: la señal está modulada en amplitud.
- Esto crea bandas laterales espaciados en el Intervalo FTF (jaula), y no a una velocidad del eje de 1×.
- La fórmula es BSF ± n×FTF, para n = 1, 2, 3 …
Esa separación entre bandas laterales FTF es el indicio más útil para distinguir un defecto en el elemento rodante de un defecto en la pista interior, cuyas bandas laterales presentan, en cambio, una separación de 1×.
4. Firma vibratoria y detección de campo
Características del espectro
- Pico primario: en BSF o, más a menudo, 2×BSF.
- Bandas laterales FTF: espaciadas a intervalos de la frecuencia de la jaula — el rasgo característico de un defecto de bola.
- Armonía: Es habitual encontrar 2×BSF y 3×BSF.
- Amplitud variable: Las lecturas pueden variar notablemente entre una medición y otra a medida que la bola defectuosa se desplaza por la zona de carga, un comportamiento que rara vez se observa en los defectos de pista.
Por qué es importante el análisis de envolventes
La energía BSF suele quedar oculta tras los componentes a la velocidad de giro en una señal bruta FFT. Análisis de envolvente — la demodulación de las ráfagas de impacto de alta frecuencia — hace que el pico de BSF y sus bandas laterales FTF se distingan del ruido en la señal resultante espectro de envolvente, lo que a menudo permite detectar el fallo mucho antes de que sea visible en una prueba estándar espectro. Sobre el terreno, un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A permite a un técnico registrar la vibración de alta frecuencia en la carcasa del rodamiento a velocidad de funcionamiento y analizarla in situ en busca de estos patrones de impacto, sin necesidad de desmontar la máquina. Dado que los fallos en los elementos rodantes se confirman tanto por la energía de impacto total como por un pico concreto, parámetros como factor de cresta y curtosis respaldan de manera útil las pruebas espectrales.
5. Por qué los defectos en los elementos rodantes son menos frecuentes
Hay varios factores mecánicos que explican la relativa rareza de los fallos en las bolas y los rodillos:
- Distribución de la carga: Un elemento rodante gira de forma continua, distribuyendo la tensión de contacto por toda su superficie, mientras que una pista —especialmente la exterior— soporta una carga concentrada en una zona determinada. La mayor uniformidad del campo de tensiones retrasa la fatiga en los elementos.
- Calidad de fabricación: Las bolas y los rodillos suelen someterse a un control de calidad más estricto, ya que están fabricados con un material más duro y presentan un acabado superficial más fino que las pistas de rodadura, por lo que los defectos del material son menos frecuentes.
- Patrones de tensión: Los bordes y los redondeos de las pistas de rodadura son más propensos a la concentración de tensiones y a alcanzar mayores picos de tensión de contacto hertziana, lo que hace que las pistas de rodadura sean, por lo general, el primer punto de fallo.
6. Dificultades diagnósticas y confirmación
¿Qué es lo que hace que el BSF sea complicado?
- La estructura de banda lateral FTF hace que el patrón BSF sea, por naturaleza, más complejo que un peine limpio de defectos de pista.
- La frecuencia BSF puede coincidir con las de otras máquinas y dar lugar a lecturas erróneas.
- Su amplitud, que varía de forma natural, complica Tendencias a lo largo del tiempo.
- Si varios elementos están dañados, sus huellas se superponen y se difuminan, lo que enturbia la imagen.
- En el caso de defectos de tamaño similar, los picos de BSF presentan a veces una amplitud menor que los picos de defectos de pista, lo que exige un análisis más minucioso.
Una secuencia de confirmación fiable
- Calcular el BSF según las especificaciones del rodamiento.
- Buscar en el espectro de envolvente a la frecuencia calculada.
- Comprobación de 2×BSF, que suele ser más fuerte que el fundamental.
- Verificar las bandas laterales FTF — espaciado a la frecuencia de la jaula, no 1× es la prueba decisiva.
- Observar la variabilidad de la amplitud entre tiradas, un indicio de defectos en las bolas.
- Descartar la BPFI y la BPFO antes de llegar a una conclusión sobre los elementos rodantes.
Cuando los picos se ensanchan o se dividen en varias frecuencias adyacentes, es probable que haya varios elementos dañados, lo que constituye un indicio de deterioro avanzado en el que lo más seguro es sustituir los rodamientos sin demora.
7. Causas y prevención
Entre los orígenes habituales de los defectos en los elementos rodantes se incluyen:
- Inclusiones de materiales: huecos internos o cuerpos extraños introducidos en la bola o el rodillo.
- Daños causados por la instalación: aparición de marcas de brinelling debido a los golpes sufridos durante la manipulación o el montaje.
- Contaminación: partículas duras que se incrustan en la superficie del elemento o la rayan.
- Daños eléctricos: corrientes parásitas que provocan arcos eléctricos en el cojinete y picaduras (pitting) en la superficie, un problema frecuente en los motores accionados por variadores de frecuencia.
- Falso brinelling: desgaste por fricción debido a las vibraciones cuando la máquina está parada.
- Corrosión: la humedad o la agresión química, que provocan picaduras en la superficie, precursoras de desconchado.
La prevención se deriva directamente de las causas: especificar rodamientos de calidad de fabricantes de prestigio, manipularlos y montarlos con cuidado, controlar la contaminación mediante juntas eficaces y un montaje limpio, lubricarlos adecuadamente para evitar la corrosión, instalar rodamientos aislados o híbridos de cerámica en motores alimentados por variadores, y aislar las unidades almacenadas o transportadas de las vibraciones externas. La comprobación del BSF se integra en una rutina monitorización de condición El programa garantiza que la avería de elementos rodantes, poco frecuente pero de rápida progresión, se detecte con la misma fiabilidad que la más conocida defectos de los cojinetes en las carreras.
