Comprensión de los defectos de los elementos rodantes
Defectos de los elementos rodantes son daños, defectos o imperfecciones en las bolas o rodillos de un rodamiento de elementos rodantes. Entre ellos se incluyen desprendimientos superficiales, grietas, suciedad incrustada, inclusiones de material, corrosión e imperfecciones geométricas. Cuando una bola o un rodillo dañado gira por el interior del rodamiento, golpea tanto la pista interior como la exterior, generando vibración al frecuencia de giro de la bola (BSF) con el característico bandas laterales espaciados en el frecuencia de la celda o del tren fundamental (FTF). Los defectos en los elementos rodantes son uno de los cuatro tipos clásicos de defectos localizados defectos de los cojinetes, además de los fallos de interior, exterior y de jaula.
Son menos frecuentes que los defectos en las pistas de rodadura, ya que representan aproximadamente entre el 10 % y el 15 % de los fallos de los rodamientos, pero cuando se producen, generan una firma distintiva, a veces confusa, y pueden progresar rápidamente hasta provocar un fallo total del rodamiento. Dado que el defecto gira con el elemento en lugar de permanecer fijo en la zona de carga, su vibración se comporta de forma diferente a la de un defecto en la pista de rodadura —una peculiaridad que constituye tanto una pista para el diagnóstico como un quebradero de cabeza a la hora de analizar las tendencias.
1. Definición: ¿Qué son los defectos en los elementos rodantes?
Un elemento rodante —la bola de un rodamiento de bolas, o el rodillo cilíndrico, de agujas o cónico de un rodamiento de rodillos— es el componente que realmente soporta la carga entre las dos pistas mientras rueda. Su superficie es de acero para rodamientos, con un acabado preciso y endurecida en toda su masa, y debe mantenerse geométricamente perfecta para rodar sin problemas. Cualquier imperfección en esa superficie, ya sea de origen de fábrica o provocada durante el uso, se convierte en un punto de concentración de tensiones y en una fuente de impacto.
Cada vez que el defecto del elemento entra en contacto con una pista, produce un pequeño impulso. A lo largo de una órbita completa de la jaula, el elemento entra en contacto con la pista exterior una vez y con la pista interior otra vez, por lo que un solo defecto tiende a generar dos impactos por cada rotación del elemento —razón por la cual el segundo armónico, 2×BSF, es tan prominente en el espectro. La frecuencia de repetición de esos impactos viene determinada por la geometría del rodamiento (diámetro de la bola, diámetro primitivo, ángulo de contacto y número de elementos), lo que confiere al defecto una frecuencia característica calculable que es inconfundiblemente diferente de velocidad de funcionamiento or its armónicos.
2. Tipos de defectos en los elementos rodantes
Surface spalls
El defecto más común en los elementos rodantes. La fatiga por contacto de rodadura provoca que se desprenda una escama de material de la superficie, dejando un cráter o una picadura. Las escamas suelen tener un diámetro de entre 0,5 y 3 mm al principio, pero crecen a medida que los bordes afilados de la cavidad golpean las pistas y desprenden más residuos. Cada vez que la escama pasa por encima de una pista se produce un impacto, lo que genera una vibración a la frecuencia de paso de bolas (BSF) y, con frecuencia, un 2×BSF dominante. (Véase desconchado (en relación con el mecanismo subyacente de la fatiga).
Grietas
Las grietas se producen por sobrecargas, golpes o fatiga, y pueden ser superficiales o subyacentes. Una grieta se propaga hasta que se desprende un fragmento, momento en el que se convierte en una escama. Las grietas son difíciles de detectar antes de que eso ocurra y, en casos graves, una bola puede fracturarse y fragmentarse, provocando un fallo catastrófico repentino.
Inclusiones de material
Un defecto de fabricación: la presencia de material extraño o de un poro atrapado en el acero para rodamientos. Las inclusiones provocan una concentración de tensiones que da lugar a una fatiga prematura, normalmente indetectable hasta que se produce un desprendimiento alrededor de la inclusión. El único método de prevención eficaz es utilizar acero para rodamientos limpio y de alta calidad.
Contaminación incrustada
Las partículas duras —suciedad, arena de rectificado, virutas de metal— que se incrustan en la superficie del elemento forman una protuberancia que golpea las pistas de rodadura en cada pasada. La hendidura también se convierte en un punto de concentración de tensiones que puede provocar la formación de un desconchado (spall). El resultado es una vibración por impacto a la BSF (frecuencia de giro del elemento rodante), y la causa principal es casi siempre un sellado o una filtración inadecuados, la misma cadena de acontecimientos que se aborda en lubricación de cojinetes cleanliness.
Daños por corrosión y humedad
La entrada de agua o la condensación provocan manchas de óxido, picaduras, y la rugosidad de la superficie. Las zonas corroídas actúan como puntos de inicio de la fatiga. Un sellado adecuado y el uso de lubricantes anticorrosivos lo evitan.
Marcas de brinel y abolladuras
Las cargas de impacto —como la caída del rodamiento, los golpes durante la manipulación o la sobrecarga estática— dejan marcas permanentes en la superficie del elemento. También pueden producirse marcas de brinelling falsas debido a las vibraciones cuando la máquina está parada. Estas marcas generan impactos y concentraciones de tensión; la solución pasa por una manipulación cuidadosa y una instalación correcta.
3. La firma vibratoria
Contenido de frecuencia
Los defectos en los elementos rodantes producen un patrón reconocible en el espectro de vibración:
- Frecuencia principal: BSF, normalmente entre 2 y 3 veces la velocidad de giro.
- Segunda armónica intensa: 2×BSF suele ser mayor que la fundamental, ya que el defecto golpea ambas pistas durante cada rotación del elemento.
- Espaciado entre bandas laterales: Bandas laterales FTF (frecuencia de la jaula) — no Bandas laterales 1×. Este es el factor clave que lo distingue de una falla de la pista interior.
- Patrón: BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF y así sucesivamente, formando una «valla» de picos espaciados a la frecuencia de la jaula.
Dado que los impulsos son breves y de alta frecuencia, suelen quedar ocultos en el espectro sin procesar y solo se aprecian con claridad tras la demodulación. Análisis de envolvente rectifica y aplica un filtro de paso de banda a la señal para revelar la frecuencia de repetición, y el resultado espectro de envolvente es donde la familia BSF/FTF tiene mayor presencia. Las frecuencias estrechamente relacionadas frecuencias de fallo de los rodamientos para la pista interior, la pista exterior y la jaula, que completan el conjunto de herramientas de diagnóstico.
Distinción entre las cuatro fallas de rodamiento
| Característica | Pista exterior (BPFO) | Pista interior (BPFI) | Elemento rodante (BSF) |
|---|---|---|---|
| Frecuencia principal | BPFO (3–5×) | BPFI (5–7×) | BSF (2–3×) |
| Espaciado entre bandas laterales | Ninguno o mínimo | ±1× (velocidad del eje) | ±FTF (velocidad de la jaula) |
| Estabilidad de la amplitud | Relativamente estable | Estable | Variable (depende de la posición de la bola) |
| Aparición | Más común (~40%) | Común (~35%) | Los menos frecuentes (~10–15 %) |
Variabilidad de la amplitud
Una característica distintiva de los defectos esféricos es que la amplitud medida varía de una lectura a otra:
- Cuando el elemento defectuoso pasa por la zona de carga, los impactos son fuertes y la amplitud es elevada.
- Cuando el mismo elemento se encuentra en el lado sin carga del rodamiento, el contacto es ligero y la amplitud disminuye.
- Esta modulación depende de la frecuencia de la jaula (de ahí las bandas laterales FTF) y puede hacer que simples análisis de tendencias errático — pero el mero hecho de que el nivel suba y baje es en sí mismo indicativo de un fallo en los elementos rodantes.
4. Evolución y consecuencias
Desarrollo de defectos
- Iniciación: una pequeña grieta superficial o una inclusión subyacente.
- Micro-spall: se desprende un pequeño fragmento de material.
- Spall growth: Los impactos en los bordes de la fragmentación propagan el daño.
- Varias desconchaduras: Los residuos en suspensión desgastan la superficie y provocan nuevos defectos.
- Fragmentación de la bola: En los casos graves, la bola se agrieta y se rompe por completo.
- Fallo total: el rodamiento pierde capacidad de carga y, a menudo, se gripa.
Daños secundarios
- Daño en la pista: El elemento defectuoso daña tanto la pista interior como la exterior.
- Circulación de residuos: El material desprendido provoca una abrasión de tres cuerpos en todo el cojinete.
- Daños en la jaula: Un elemento rugoso desgasta los huecos de la jaula.
- Deterioro rápido: Una vez que un elemento se daña, los demás le siguen rápidamente, por lo que el margen de tiempo entre la detección de la avería y el fallo es muy breve.
5. Causas habituales
Defectos de fabricación y de los materiales
- Inclusiones internas o huecos en el material del elemento.
- Un tratamiento térmico inadecuado que da lugar a una dureza insuficiente o desigual.
- Defectos en el acabado superficial.
- Imperfecciones geométricas, como bolas ovaladas.
Daños causados por la instalación
- Golpes durante la manipulación: caídas o impactos en el rodamiento.
- Brinelling debido a una sobrecarga estática, o falso brinelling debido a la vibración en reposo.
- Contaminación introducida durante el montaje, que provoca la incrustación de partículas en la superficie.
Condiciones de funcionamiento
- Una lubricación insuficiente provoca daños en la superficie y microsoldaduras.
- Una sobrecarga que acelera la fatiga por contacto rodante.
- Una corriente eléctrica parásita que atraviesa el rodamiento, provocando estrías y picaduras.
- Entornos corrosivos que atacan las superficies de los elementos.
- La contaminación por partículas duras provoca hendiduras.
6. Detección, diagnóstico y medidas correctivas
Análisis de vibraciones
- Calcular el BSF y el FTF para la geometría específica del rodamiento — a Calculadora de frecuencia de defectos en los rodamientos convierte directamente la velocidad del eje y las dimensiones de los cojinetes en BPFO, BPFI, BSF y FTF.
- Busca el pico de BSF en el espectro de envolvente.
- Comprueba el patrón de banda lateral FTF: es la forma más fiable de confirmar un fallo en los elementos rodantes.
- Comprueba la señal 2×BSF, cuya amplitud suele superar a la de la señal fundamental.
- Realice varias mediciones; la variabilidad esperada en la amplitud es en sí misma un factor confirmatorio.
Sobre el terreno, toda esta secuencia —medir el nivel de banda ancha, capturar el espectro y realizar un análisis de envolvente— es precisamente el tipo de diagnóstico de cojinetes para el que está diseñado un analizador portátil de dos canales. El Balanset-1A registra el espectro FFT y la forma de onda temporal de los propios cojinetes de la máquina a velocidad de funcionamiento, de modo que un analista puede detectar la familia BSF y sus bandas laterales FTF in situ sin necesidad de desmontar la máquina, y luego clasificar el daño con una herramienta como la Clasificador de daños en rodamientos (ISO 15243). Este mismo instrumento también permite confirmar que el fallo del rodamiento es real y no se trata simplemente de un artefacto estructural antes de decidir su sustitución.
Inspección física
- Desmonta el rodamiento e inspecciona cada bola o rodillo por separado.
- Busque desconchones, grietas, material incrustado y corrosión.
- Comprueba la rugosidad de la superficie: elementos lisos frente a elementos rugosos.
- Comprueba la precisión geométrica (descentrado).
- Fotografía todos los defectos para el registro de mantenimiento.
Medidas correctivas y causa raíz
La respuesta inmediata es aumentar la frecuencia de los controles de acuerdo con gravedad del defecto, planificar la sustitución del rodamiento y comprobar si las pistas presentan daños secundarios. La solución duradera pasa por analizar la causa raíz: revisar la selección y la capacidad del rodamiento, verificar que la lubricación sea adecuada, localizar las fuentes de contaminación, revisar los procedimientos de instalación y considerar la posibilidad de mejorar las especificaciones del rodamiento en los casos en que el fallo haya sido prematuro. Incorporar estos hallazgos en un proceso estructurado monitorización de condición programa es lo que convierte un fallo puntual en uno evitado.
Los defectos en los elementos rodantes, aunque menos frecuentes que los defectos en las pistas de rodadura, exigen un conocimiento profundo de su característica firma BSF con bandas laterales FTF para poder realizar un diagnóstico preciso. La detección precoz mediante el análisis de la envolvente permite llevar a cabo un mantenimiento planificado mucho antes de que el defecto derive en daños graves en el rodamiento y en un posible fallo catastrófico.
