Diagnóstico de defectos en engranajes mediante análisis de vibraciones
Defectos del engranaje existen diversos tipos de desgaste y daños —desgaste de los dientes, grietas, excentricidad, desalineamiento— que se producen en los engranajes utilizados para la transmisión de potencia en la maquinaria industrial. El engranamiento de los dientes es un proceso intrínsecamente ruidoso y vibratorio, por lo que los engranajes en buen estado producen una firma vibratoria muy clara y estable; cualquier desviación de esa firma es un claro indicio de que hay un problema. Debido a que análisis de vibraciones Puede detectar estas anomalías en una fase muy temprana, lo que permite detectar fallos en los engranajes mucho antes de que se conviertan en un fallo catastrófico de la caja de engranajes.
1. La firma de vibración de los engranajes
Cada tren de engranajes presenta una huella característica en el dominio de la frecuencia, dominada por la velocidad a la que se acoplan los dientes y rodeada por la actividad relacionada con la rotación de cada eje. Por lo tanto, una medición de referencia de una caja de engranajes en buen estado es una de las referencias más valiosas con las que puede contar un programa de fiabilidad: los fallos no se diagnostican en función de un número absoluto, sino de cómo el espectro actual y forma de onda temporal difieren de esa firma de funcionamiento correcto. La disciplina del diagnóstico de engranajes consiste, en gran medida, en interpretar correctamente esa diferencia, razón por la cual los engranajes ocupan un lugar tan destacado en las revisiones rutinarias monitorización de condición.
2. Frecuencia de malla de engranajes (GMF)
La frecuencia más importante en el análisis de la caja de engranajes es la Frecuencia de malla de engranajes (GMF) — la velocidad a la que los dientes de dos engranajes en malla se engranan entre sí.
GMF = Número de dientes en un engranaje × Velocidad de rotación de ese engranaje
En una caja de cambios en buen estado, la Espectro FFT muestra un pico claro en la GMF, normalmente con algunos pequeños armonía (2×GMF, 3×GMF). La amplitud del pico de GMF refleja la carga que soportan los engranajes, por lo que un pico de GMF elevado por sí solo no es necesariamente un fallo; puede significar simplemente que la caja de cambios está trabajando a pleno rendimiento. La información diagnóstica real se encuentra en las frecuencias en torno a el pico del GMF, no el pico en sí mismo. Dado que el GMF depende tanto del número de dientes como de la velocidad, es fácil confundirlo al identificarlo manualmente; un Calculadora de la frecuencia de engrane calcula la GMF y sus bandas laterales para un juego de engranajes determinado en cuestión de segundos.
3. Uso de bandas laterales para diagnosticar fallos
Bandas laterales son la herramienta más eficaz para diagnosticar problemas específicos en los engranajes. Se trata de pequeños picos que aparecen a ambos lados de la GMF y sus armónicos, y que se producen cuando un fallo modula el proceso de engranaje. La clave fundamental es su espaciado: la diferencia entre una banda lateral y el pico de la GMF es igual a la velocidad de rotación del eje que lleva el engranaje defectuoso, lo que le indica de inmediato que eje que hay que inspeccionar.
- Engranaje desgastado o excéntrico: un desgastado, excéntrico o un engranaje defectuoso modula la GMF a su propia velocidad de rotación, creando bandas laterales separadas por velocidad de giro (1×) del eje de ese engranaje. Si las bandas laterales coinciden con la velocidad del eje de entrada, el fallo se encuentra en el engranaje de entrada.
- Desgaste general de los dientes: desgaste de los engranajes suele aumentar la amplitud de la FPD (frecuencia de paso de dientes) y sus armónicos, acompañado de bandas laterales de 1× procedentes del engranaje correspondiente.
- Diente agrietado o roto: Un solo diente agrietado o roto genera un pico intenso a la velocidad de funcionamiento de ese engranaje (1×), a menudo acompañado de numerosos armónicos, además de bandas laterales alrededor de la frecuencia de paso de dientes (GMF) espaciadas según la velocidad de ese engranaje. La forma de onda temporal resulta especialmente valiosa en este caso, ya que muestra un impacto claro y periódico cada vez que el diente dañado intenta engranar.
- Desalineación de los engranajes: desalineación La desalineación de los engranajes suele generar un armónico 2×GMF de gran amplitud, a veces superior al pico GMF principal, acompañado de nuevo de bandas laterales a la velocidad de giro.
Un efecto relacionado que conviene conocer es el , la bajísima frecuencia con la que un par concreto de dientes vuelve a engranar; los fallos que afectan a un diente defectuoso en cada engranaje pueden provocar esta situación., la bajísima frecuencia con la que un par concreto de dientes vuelve a engranar; los fallos que afectan a un diente defectuoso en cada engranaje pueden provocar esta situación.
4. Técnicas de análisis especializadas
Dado que la vibración de los engranajes es tan compleja, el análisis espectral estándar suele complementarse con técnicas que aíslan la señal de los engranajes:
- Análisis de la forma de onda en el tiempo: es fundamental para confirmar dientes rotos o agrietados, que se manifiestan como impactos bruscos y repetitivos sincronizados con la rotación del engranaje, y no con el engrane.
- Análisis del cepstro: una transformación que condensa familias enteras de bandas laterales espaciadas uniformemente en componentes únicos y de fácil lectura, lo que permite visualizar los patrones de bandas laterales cuando quedan ocultos en una FFT saturada.
- Análisis de envolvente: demodula la portadora de alta frecuencia para revelar la frecuencia de impacto de baja frecuencia de un defecto localizado en un diente, complementando así la imagen de la banda lateral.
5. Etapas de falla de engranajes
El análisis de vibraciones permite seguir la evolución de un fallo en los engranajes a lo largo de cuatro etapas identificables, lo que da a los equipos de mantenimiento tiempo suficiente para planificar una intervención:
- Etapa 1 (inicial): Aparecen pequeñas bandas laterales alrededor del GMF. Es posible que el nivel general de vibración no varíe en absoluto.
- Etapa 2 (moderada): las amplitudes de las bandas laterales aumentan y comienzan a aparecer armónicos de la GMF con sus propias bandas laterales.
- Etapa 3 (grave): La GMF y sus armónicos contienen numerosas bandas laterales amplias, la frecuencia 1× del engranaje problemático comienza a aumentar y el umbral de ruido del espectro se eleva.
- Fase 4 (catastrófica): El GMF puede desaparecer y ser sustituido por una vibración aleatoria y ruidosa cuando los dientes están muy dañados o destruidos.
6. Ponerlo en práctica sobre el terreno
El diagnóstico de los engranajes comienza con una medición precisa in situ a la velocidad y la carga de funcionamiento. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A captura el espectro FFT y la forma de onda temporal sin procesar en cada cojinete, lo que permite al ingeniero localizar la GMF (frecuencia de engrane), determinar el espaciado entre bandas laterales para identificar el fallo en un eje concreto y observar en la forma de onda el impacto periódico característico de un diente roto, todo ello sin necesidad de abrir la caja de engranajes. Cuando la caja de engranajes también acciona o soporta un rotor, el mismo instrumento verifica que el cojinete y las vibraciones debidas al desequilibrio se mantienen dentro de los límites establecidos por normas como la ISO 20816, por lo que un fallo confirmado en el engranaje no queda enmascarado por fuentes ajenas al mismo. Si se detecta en la fase 1 o 2, un defecto en el engranaje se convierte en una reparación programada en lugar de una avería imprevista.
