Los rodamientos son elementos fundamentales en las máquinas rotativas, utilizados prácticamente en todos los tipos de procesos productivos industriales. Si uno de estos componentes presenta una falla funcional en una máquina crítica, la producción se detiene y puede generar pérdidas millonarias para las empresas.
El mantenimiento predictivo en equipos rotativos se vuelve extremadamente atractivo, ya que permite anticiparse a los fallos de los rodamientos, posibilitando una intervención oportuna que evite su ruptura.
En este artículo, veremos cómo funciona el análisis de vibraciones en rodamientos y cómo implementar esta técnica en el mantenimiento.
Vibración en máquinas
Mientras operan, todas las máquinas generan vibraciones que se propagan por todo el equipo. Con el tiempo, estos efectos provocan el desgaste de las piezas y componentes. Esto aplica tanto para un compresor o una criba vibratoria, como para el eje de un motor.
El principio del análisis de vibraciones consiste en medir estas señales oscilatorias y evaluarlas en busca de irregularidades que indiquen defectos en las máquinas.
Existen dos formas de visualizar estas señales: en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. Ambas representan la misma señal dinámica, pero desde perspectivas distintas.
Al observar la vibración en el dominio del tiempo, vemos una forma de onda que muestra la vibración ocurriendo en cada instante. Su función principal es identificar eventos repetitivos, como impactos, y determinar su tasa de repetición.
Sin embargo, no es la mejor forma de visualizar individualmente los efectos de cada señal. Para ello, existe el análisis espectral en el dominio de la frecuencia.
Esta visualización muestra la amplitud de las señales a lo largo de todo el espectro, lo que permite analizar individualmente las amplitudes de cada frecuencia.
Al analizar los espectros de vibración, es posible identificar fallas en los equipos, ya que cada una presenta firmas espectrales propias.
De esta forma, es posible detectar fallas mecánicas clásicas como desalineación, desbalanceo, holguras, excentricidad y falta de lubricación.
Evolución de fallas en rodamientos
Las fallas en rodamientos suelen evolucionar lentamente y emiten señales con bastante anticipación a la falla funcional, que puede provocar el bloqueo o la rotura de los componentes. Mira:
Descubre cómo identificar las causas de fallas en rodamientos
Debido a la evolución gradual del desgaste a lo largo de la vida útil de los componentes, es posible clasificarlos en 4 etapas de falla de rodamientos.
1.ª Etapa
La primera etapa se considera como operación normal del componente, aunque ya es posible observar los primeros indicios de desgaste: aparecen pequeñas cavidades en las pistas, pero aún son muy leves y no afectan el funcionamiento del rodamiento.
Al analizar el espectro, solo se observan las frecuencias nominales de operación de los rodamientos.
2.ª Etapa
En la segunda etapa, el desgaste comienza a ser perceptible en el espectro y aparecen picos en el rango de 500 a 2 kHz, especialmente en el caso de máquinas críticas. En esta fase, ya se recomienda realizar una intervención para reparación.
3.ª Etapa
En la tercera etapa se destacan la aparición de las frecuencias características de falla de rodamientos y el aumento de la deterioración en las demás frecuencias. En esta fase, se recomienda el reemplazo del componente en todos los equipos.
4.ª Etapa
La última etapa ocurre al final de la vida útil del rodamiento, con un nivel de ruido elevado en todas las frecuencias y, en consecuencia, una alta probabilidad de falla funcional. Nunca se debe permitir que los rodamientos lleguen a esta etapa.
Frecuencias características de fallas en rodamientos
Existen frecuencias que están relacionadas con fallas típicas en las partes que componen los rodamientos.
Cuando un elemento entra en contacto con una superficie defectuosa, se genera un impulso que excita las resonancias del rodamiento, las cuales decaen debido al amortiguamiento.
Estos impulsos ocurren periódicamente con una frecuencia determinada por la ubicación de la falla, ya sea en las pistas, en los elementos rodantes o en la jaula.
Estas frecuencias son asíncronas, es decir, no son múltiplos enteros de la velocidad de rotación del eje. Por lo tanto, deben calcularse según los parámetros específicos del rodamiento.
Con estos parámetros es posible determinar las frecuencias características de falla de cualquier rodamiento.
Frecuencia de fallas en las pistas (BPFO y BPFI)
Cada vez que uno de los elementos rotatorios pasa sobre una cavidad en una de las pistas, se emite un impulso en las frecuencias conocidas como BPFO (Ball Pass Frequency Outer race) y BPFI (Ball Pass Frequency Inner race).
Estas se determinan con las fórmulas mencionadas anteriormente y corresponden al número de elementos que pasan por un punto específico en cada vuelta del eje.
Frecuencia de fallas en los elementos rodantes (BSF)
Cuando hay una falla en uno de los elementos rodantes, como una grieta o desgaste, se generan picos en la frecuencia de rotación conocida como BSF (Ball Spin Frequency).
Corresponde al número de giros que realiza el elemento rodante cada vez que el eje completa una vuelta.
Frecuencia de fallas en la jaula (FTF)
Las fallas en la jaula se identifican mediante la fórmula conocida como FTF (Fundamental Train Frequency), que representa la cantidad de giros que realiza la jaula por cada vuelta del eje.
Cuando la jaula se rompe en puntos suficientes para permitir el movimiento de los elementos rodantes, comienzan a aparecer múltiples frecuencias en el espectro con un alto nivel de ruido. En ese punto, la falla ya es inminente.
Por eso, al realizar el análisis espectral, se evalúa la presencia de picos que coincidan con las frecuencias características de fallas. En la imagen a continuación, podemos observar un pico alineado perfectamente con la frecuencia de BPFO.
Continuando con el análisis, se evalúan las frecuencias múltiples de la BPFO y se observa que los picos se alinean, lo que indica una fuerte señal de fallo en la pista externa del rodamiento.
Implementación del análisis de vibraciones en rodamientos
El análisis de vibraciones es una excelente estrategia para identificar fallas en los rodamientos y prevenir fallas funcionales, pero solo alcanza su verdadero potencial cuando se implementa de forma eficaz en la rutina de los equipos de mantenimiento industrial.
Existen dos formas de realizar las inspecciones en rodamientos: offline y online.
Recolección de vibraciones offline y online: conoce las diferencias
Las recolecciones offline son realizadas por un técnico especializado que se desplaza hasta el activo y utiliza un colector manual para medir la vibración en la máquina. La toma de datos se realiza en intervalos definidos dentro de rutas de inspección y puede ser un proceso bastante lento, especialmente en equipos de difícil acceso dentro de las plantas industriales.
Por otro lado, las recolecciones online son realizadas por sensores acoplados a los activos que monitorean continuamente las máquinas durante su operación. Estos sensores miden las vibraciones en tiempo real sin requerir desplazamientos, tiempo ni esfuerzo del equipo técnico.
Lee nuestra guía comparativa sobre mantenimiento offline y online.
Los datos son enviados a una plataforma que analiza la información y detecta automáticamente patrones de fallas en rodamientos.
Un ejemplo de sensor de monitoreo online es el Smart Trac de Tractian, que monitorea más de 100 tipos de activos y detecta más de 70 modos de falla en máquinas, como desgaste, falta de lubricación y desalineación.
¿Cómo funciona? El sensor se instala en el activo en hasta 3 minutos y, mediante tecnología IoT, comienza a recolectar datos de vibración, temperatura y horómetro automáticamente, aprendiendo el comportamiento de la máquina para anticipar fallas desde sus etapas iniciales.
Cuando se aplica el Smart Trac a rodamientos, por ejemplo, la lógica es la misma: instalar el sensor en el equipo y registrar el componente en la plataforma. Luego, solo es necesario seleccionar el código del rodamiento en el catálogo para completar automáticamente los parámetros e identificar las frecuencias características de fallas en los gráficos de análisis.
Pero no termina ahí. Lo que diferencia el monitoreo online de TRACTIAN de otras tecnologías del mercado es su capacidad no solo de señalar que algo está mal en la máquina, sino también de ofrecer análisis precisos y alertas certeras con prescripciones y rutas de solución, para que el equipo de mantenimiento sepa exactamente cómo actuar.
La tecnología de detección de fallas de TRACTIAN incluso recibió una patente de la principal institución de patentes del mundo: la USPTO (Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos).
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Referencias bibliográficas
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