Vibraciones en Rodamientos

Los rodamientos son elementos mecánicos presentes en la mayoría de las máquinas

rotativas. Su vida útil depende de una serie de factores: la carga, la velocidad de trabajo,

la lubricación, el montaje, la temperatura, las fuerzas exteriores causadas por

desalineaciones, desequilibrios, etc., de ahí que sea prácticamente imposible determinar

su duración por métodos analíticos. La importancia y criticidad de estos elementos hace

necesaria la utilización de técnicas modernas de mantenimiento predictivo (basadas en el

análisis de vibraciones) que contribuyan a un mejor reconocimiento de su estado y, por lo

tanto, de la disponibilidad de las máquinas rotativas en las que están instalados.

Los objetivos que nos planteamos en este capítulo son dos: identificar los defectos en

rodamientos mediante el diagnóstico espectral y de la onda en el tiempo; y determinar los

factores a tener en cuenta para predecir el grado de deterioro o severidad del daño en el

rodamiento, con el fin de estimar la vida útil restante del mismo. Hay que tener en cuenta

que el análisis espectral de vibraciones, además de indicarnos en todo momento el estado

del rodamiento, va a ser una herramienta imprescindible para determinar la causa raíz de

fallos crónicos en rodamientos y erradicarlos definitivamente.

Diagnóstico de rodamientos, técnicas para la detección de fallos

Las técnicas para determinar deterioros en rodamientos se basan en la detección de

fuertes impactos o pulsos originados durante la rotación. Distinguiremos dos grandes

grupos:

 

Técnicas basadas en el análisis de parámetros simplificados

Valor global de vibración RMS o Pico. Normalmente se aplica la norma ISO

2372.

Factor de cresta: relación entre el valor de pico y el valor RMS.

Kurtosis: es un parámetro estadístico calculado de la onda en el tiempo y que

informa de los picos que tiene la onda.

Skewness: también es un parámetros estadístico calculado a partir de la onda

en el tiempo, dando información sobre como es de simétrica la señal con

respecto a su valor medio.

Banda variable a alta frecuencia, definida entre 1 kHz y 20 kHz.

HFD o banda a alta frecuencia (entre 5 y 30 kHz) en aceleración.

Spike-energy o banda a alta frecuencia (entre 5 y 60 kHz).

SPM o Impulsos de choque que mide la vibración a alta frecuencia (entre 30 y

40 kHz).

Detección acústica de fisuras/IFD. Banda entre 80 y 120 kHz.

Emisión acústica, banda con un rango superior a los 200 kHz.

 

Las principales limitaciones de estas técnicas son su incapacidad para poder discernir

entre problemas de rodamientos y otros problemas de la máquina que generan también

vibraciones a alta frecuencia como pueden ser: deterioro de engranajes, cavitación,

frecuencias eléctricas, etc. Otras limitaciones, no menos importantes, son los rangos

limitados de respuesta en frecuencia de los sensores que utilizan y su forma de fijación a

la máquina.

 

Técnicas basadas en el análisis espectral y de la onda en el tiempo

El estudio espectral y de la onda en el tiempo es determinante a la hora de diagnosticar un deterioro de un rodamiento permitiéndonos, por comparación de la evolución de las amplitudes espectrales, llegar a predecir el grado de deterioro y planificar su cambio con la suficiente antelación. En este capítulo se va a profundizar en la utilización de esta técnica.

Componentes y frecuencias de deterioro de un rodamiento

Los rodamientos están formados por varios componentes claramente diferenciados: pista

interior, bolas o rodillos, jaula y pista exterior. El deterioro de cada uno de estos elementos

generará una o varias frecuencias características en los espectros de frecuencia que nos

permitirán una rápida y fácil identificación. Las cuatro posibles frecuencias de deterioro de

un rodamiento son:

BPFO o frecuencia de deterioro de la pista exterior. Físicamente es el número

de bolas o rodillos que pasan por un punto de la pista exterior cada vez que el

eje realiza un giro completo.

BPFI o frecuencia de deterioro de la pista interior. Físicamente es el número

de bolas o rodillos que pasan por un punto de la pista interior cada vez que el

eje realiza un giro completo.

BSF o frecuencia de deterioro de los elementos rodantes. Físicamente es el

número de giros que realiza una bola del rodamiento cada vez que el eje

realiza un giro completo.

FTF o frecuencia fundamental de tren o de deterioro de la jaula. Físicamente

es el número de giros que realiza la jaula del rodamiento cada vez que el eje

realiza un giro completo.

 

 

Figura 88: Componentes de un rodamiento.

Figura 89: Frecuencias de deterioro de un rodamiento

Fórmulas para el cálculo de las frecuencias de deterioro de un rodamiento

Cada rodamiento tiene unas características geométricas propias a partir de las cuales podemos determinar sus frecuencias de deterioro. Estas frecuencias aparecerán en las firmas espectrales cuando el rodamiento está deteriorado, y las fórmulas para su cálculo se muestran en la Figura 89. Para la mayoría de los rodamientos estas frecuencias de deterioro no serán números enteros, por lo que la vibración dominante, cuando exista un defecto de alguno de los componentes del rodamiento, será no síncrona (no coincidente con armónicos de la frecuencia de giro).

Cuando alguno de los componentes del rodamiento está dañado distinguiremos en el espectro de frecuencias la frecuencia fundamental correspondiente al elemento dañado, acompañada siempre de armónicos.

En aquellos casos en que se desconozcan los parámetros físicos del rodamiento, hay unas fórmulas experimentales bastante aproximadas que nos permitirán determinar las frecuencias de deterioro de las pistas y de la jaula de un rodamiento en función del número de elementos rodantes y la velocidad de giro:

 

Influencia de la variación del ángulo de contacto en las frecuencias de deterioro de un rodamiento

Las frecuencias de deterioro de los rodamientos, según las fórmulas matemáticas expresadas anteriormente, dependen del ángulo de contacto, de ahí que cualquier pequeña variación de éste se traducirá en una variación de las frecuencias ideales de deterioro del rodamiento, dificultando la identificación de dichas frecuencias en el espectro. Las causas que pueden producir variaciones del ángulo de contacto pueden ser muy diversas: desalineaciones, dilataciones térmicas, aprietes excesivos, picaduras o desconchamientos en las pistas, etc. Todo esto influirá en que las frecuencias pre calculadas de antemano (ideales) no coincidan exactamente con las frecuencias que aparecen en el espectro (frecuencias reales), por lo que en muchos casos hay que permitir cierto error a la hora de identificar las frecuencias de defecto.

Predicción del grado de severidad del deterioro de los rodamientos

Cuando realicemos un diagnóstico espectral de un problema en un rodamiento debemos

tener en cuenta las consideraciones siguientes:

Los fallos más frecuentes de los componentes de un rodamiento se suelen dar

en el orden siguiente: pista exterior, pista interior, elementos rodantes y

finalmente en la jaula. Esto ocurre siempre y cuando el rodamiento haya sido

correctamente montado.

Es realmente importante saber si el rodamiento tiene un defecto en la pista

interior o en la pista exterior. La importancia de la localización del tipo de

defecto se encuentra en la necesidad de saber cual es la vida útil que le queda

al rodamiento. De ahí la importancia de conocer si el defecto se está

produciendo en la pista interior o en la exterior, ya que los rodamientos con

defectos en la pista exterior tienen generalmente una mayor duración que

rodamientos con defectos en la pista interior.

Defectos idénticos en las dos pistas de rodadura de un mismo rodamiento se

caracterizan porque las amplitudes de las frecuencias de defecto de la pista

interior serán menores que las amplitudes de las frecuencias de defecto en la

pista exterior. La razón está basada en la propia construcción del rodamiento y

en la trayectoria que recorre la vibración hasta llegar al sensor. Si colocamos

el sensor en la zona de carga del rodamiento, donde ocurren la mayoría de los

defectos de la pista exterior, la transmisión al sensor se produce a través de la

pista exterior y la cajera. Esta es una trayectoria de transmisión que

proporciona una indicación fiable de la vibración debida al defecto. Si el

defecto está localizado en una zona de la pista interior, que es la que gira en

la mayoría de los casos, la energía de la vibración se transmite en este caso

desde la pista interior al sensor a través de las bolas o rodillos, la jaula, la pista

exterior y la cajera, por lo que, la transmisión es normalmente más pobre.

Además, hay que añadir el hecho que la pista interior se está moviendo y se

encuentra a menudo fuera de la zona de carga, por lo que, la amplitud de los

impactos es significativamente inferior. Es importante asegurarse de que el

muestreo de datos de cada medida tarde, por lo menos, el tiempo de una

revolución del eje, ya que si los datos se toman muy rápidamente puede

ocurrir que no se almacene la señal fuerte de la onda producida al pasar el

defecto por la zona de carga, factor a tener en cuenta cuando se utiliza la

onda en el tiempo para el diagnóstico de defectos en rodamientos.

La lecturas de vibración a alta frecuencia son el primer indicador del inicio de

deterioro de un rodamiento, ya que los impactos de un pequeño defecto

suelen excitar las frecuencias naturales de las pistas de rodadura (a alta

frecuencia). Estas medidas se realizan en unidades de aceleración en la

banda comprendida entre 1 y 20 kHz.

En fases iniciales de deterioro de pistas de un rodamiento suelen aparecer, en

los espectros, los armónicos a altas frecuencias con bajas amplitudes. Su

identificación nos permitirá conocer la etapa inicial de deterioro de un

rodamiento y poder realizar un seguimiento de su evolución, permitiéndonos

planificar su cambio con la suficiente antelación. A medida que el daño

progresa aumentarán las amplitudes de las frecuencias de fallo localizadas

inicialmente y aparecerán armónicos intermedios de dichas frecuencias de

fallo, hasta que en una etapa final, de máxima severidad del daño, aparecerán

claramente los primeros armónicos de las frecuencias de fallo.

La aparición de otras frecuencias de fallo del rodamiento indicará una mayor

severidad del defecto.

Las frecuencias de deterioro en pistas de un rodamiento suelen ir

acompañadas por bandas laterales cuya diferencia de frecuencia con respecto

a las fundamentales coinciden con la frecuencia de giro. Otra frecuencia que

puede modular las frecuencias de deterioro en pista de un rodamiento es la

FTF o frecuencia de deterioro de las jaulas del rodamiento, indicando un

mayor deterioro del rodamiento. El aumento del número y amplitud de estas

bandas laterales indicará la progresión del daño.

Cuando hay deterioros importantes del rodamiento pueden desaparecer

frecuencias individuales y aparecer bandas anchas de energía que suelen

indicar cambios en la geometría del rodamiento.

Si la lubricación no es la adecuada, se acelerará el deterioro del rodamiento,

por lo que, es conveniente cuando se localiza el daño, engrasar el rodamiento

adecuadamente para tratar de prolongar su vida.

El análisis de la onda en el tiempo puede ayudarnos a la hora de emitir un

diagnóstico del estado del rodamiento. Para rodamientos muy deteriorados se

caracterizará por presentar elevados impactos en aceleración y una diferencia

de frecuencia entre crestas próximas que coinciden aproximadamente con la

frecuencia de giro.

¿Cómo influye la velocidad de giro en la progresión del deterioro de un

rodamiento?. Está demostrado que para velocidades de giro de 50 Hz o

superiores se acelera la degradación considerablemente, mientras que para

velocidades por debajo de 5 Hz la progresión del defecto es muy lenta

pudiendo prolongarse durante varios meses.

 

El desarrollo de casos históricos nos ayudará bastante a la hora de determinar la

severidad en casos futuros. Por ejemplo, si se identifica un defecto en un rodamiento y se

predice una duración de tres semanas será una excelente oportunidad para comparar el

fallo con los datos de vibración obtenidos. Si el defecto es muy grave, la próxima vez que

los niveles alcancen los obtenidos en la última lectura sabremos que el daño es muy

severo. Si, por otro lado, se cambia un rodamiento y presenta un desconchado regular

sabremos que si en el futuro el rodamiento presenta las mismas características todavía

podrá seguir trabajando durante más tiempo. Aunque las máquinas no sean idénticas, es

posible extrapolar los resultados de rodamientos similares, teniendo en cuenta algunas

pequeñas diferencias de comportamiento.

Defectos típicos en rodamientos y su identificación espectral

A continuación se presentan los defectos más típicos de rodamientos y su identificación

en el espectro de frecuencias:

Defectos en la pista interior. Los espectros presentan varios picos armónicos

de la frecuencia de deterioro de la pista interior (normalmente entre 8 y 10

armónicos de la BPFI) modulados por bandas laterales a 1x RPM.

Defectos en la pista exterior. Los espectros se caracterizan por presentar

picos armónicos de la frecuencia de deterioro de la pista exterior (entre 8 y 10

armónicos de la BPFO).

Defectos en bolas o rodillos. Se caracterizan por presentar en los espectros

las frecuencias de deterioro de los elementos rodantes (BSF). En la mayoría

de las ocasiones, el armónico de mayor amplitud nos suele indicar el número

de bolas o rodillos deteriorados. Normalmente van acompañadas por defectos

en pista.

Deterioro de jaula. Generalmente un defecto en jaula va acompañado por

defectos en pistas y las FTF suelen modular a estas frecuencias de deterioro

de pista como sumas y/o diferencias de frecuencias.

Defectos de múltiples componentes. Es bastante frecuente encontrar

rodamientos con múltiples componentes deteriorados, en cuyo caso

aparecerán todas las frecuencias de deterioro y sus armónicos

correspondientes.

Holguras. Podemos distinguir los tipos siguientes:

o Excesiva holgura interna en el rodamiento. Suelen presentar

una firma espectral caracterizada por la presencia de vibración

síncrona (armónicos de la velocidad de giro), vibración subsíncrona

(0,5x RPM) y no síncrona (1,5x RPM, 2,5xRPM, 3,5x RPM, etc.). A

veces pueden ir moduladas por la FTF.

o Holguras entre rodamiento y eje. Aparecen varios armónicos de

la frecuencia de giro y normalmente el múltiplo dominante es el 3x

RPM.

o Holguras entre rodamiento y cajera. Presenta varios armónicos a

la frecuencia de giro, destacando por su mayor amplitud los picos a

1x y 4x RPM.

Rodamientos desalineados. Como ya se ha comentado en el capítulo de

desalineación, las firmas espectrales se caracterizan por la presencia de

vibración a varios armónicos de la frecuencia de giro, destacando por su

mayor amplitud el pico a NB·RPM, siendo NB el número de elementos

rodantes del rodamiento.

Inadecuada lubricación. Los problemas de lubricación se caracterizan por

presentar vibración a alta frecuencia (entre 50.000 y 100.000 CPM)

presentando bandas de picos distanciadas entre sí un rango de frecuencia

variable entre 48.000 y 7.800 CPM, debidas a la excitación de las frecuencias

de resonancia de los rodamientos que se encuentran en estas zonas de

frecuencia.

 

 

Figura 91: Fallo en la pista exterior.  Figura 93: Fallo en la pista interior.

 

 

Figura 92: Fallo en el elemento rodante.  Figura 94: Fallo de jaula.

 

 

Figura 95: Picadura en el aro exterior.   Figura 97: Deterioro de una jaula.

 

Figura 96: Rodamiento en avanzado estado de

deterioro.

Figura 98: Evolución del deterioro de

una picadura.

Fases de deterioro en rodamientos

Fase 1: En esta fase, el rodamiento se encuentra en perfecto estado con lo

cual en el espectro sólo se aprecian la frecuencia de giro y posiblemente

algunos de sus armónicos.

Fase 2: Aparecen lecturas de vibración a alta frecuencia, las cuales

constituyen el primer indicador del inicio del deterioro de un rodamiento.

Dichas lecturas se deben a impactos, provocados por un pequeño defecto,

que suelen excitar las frecuencias naturales de las pistas de rodadura a alta

frecuencia. Estas medidas se realizan en el espectro de aceleración en una

banda comprendida entre 1 kHz y 20 kHz.

Fase 3: Aparecen las frecuencias características de defectos y sus armónicos.

A medida que el daño progresa se incrementa las magnitud de los armónicos

de las frecuencias de fallo y aumenta la aceleración a alta frecuencia. El

seguimiento de su evolución nos permite planificar su cambio con la suficiente

antelación.

Fase 4: Esta es la fase final del rodamiento. Cuando este se encuentra muy

dañado aparecen síntomas similares a holguras y roces. Aparece además,

ruido de fondo detectable en aceleración a alta frecuencia. Aumenta la

amplitud de 1x RPM y sus armónicos y disminuyen o desaparecen las

frecuencias de fallo enmascaradas en el ruido de fondo.

 

Figura 99: Fase 1 del deterioro de un

rodamiento.

 Figura 101: Fase 3 del deterioro de un

rodamiento.

 

 

Figura 100: Fase 2 del deterioro de un

rodamiento.

 Figura 102: Fase 4 del deterioro de un

rodamiento.

Bandas de frecuencia para el estudio de la condición de rodamientos

La posibilidad de descomponer el valor global del espectro en bandas de frecuencia nos permite conocer de antemano las zonas en las que se suelen manifestar los problemas más típicos y nos ayudan a su identificación, incluso antes de llegar a visualizar el espectro en frecuencias y la onda en el tiempo. Para máquinas normales en las que se pretende controlar problemas a bajas y medias frecuencias (desequilibrios, desalineaciones, holguras, etc.) y a altas frecuencias (rodamientos) recomendamos utilizar las bandas de frecuencia indicadas en la tabla siguiente.

Tabla 12: Bandas espectrales para la detección de problemas en rodamientos

Parámetro espectral   Ancho de banda

Desequilibrio, desalineación, holguras, rozamientos y

desgaste de correas.

  0,3 a 1,5x RPM

Desalineación y holguras.   1,5 a 2,5x RPM

Holguras, desalineación y BSF.   2,5x a 4,5x RPM

Primeros armónicos de las frecuencias de rodamientos,

BPFO, BPFI y BSF.

  4,5 kHz a 20,5 kHz

Armónicos superiores de las frecuencias de rodamientos y

presencias de frecuencias eléctricas.

  20,5 kHz a 50 kHz

Banda espectral de alta frecuencia, en unidades de

aceleración (G's). Parámetro de alarma sobre estados

incipientes de deterioro en rodamientos, presencia de

cavitación o falta de lubricación.

  1 kHz a 20 kHz