Las 4 fases de desgaste en rodamientos

Los rodamientos son elementos utilizados para soportar y permitir la rotación eficiente de ejes o flechas en máquinas como: motores eléctricos, turbinas, cajas de engranajes, bombas centrífugas, entre otros. Su principal ventaja es su coeficiente de rozamiento ya que gracias a su diseño los elementos rodantes pueden girar a baja fricción.

Existen varios tipos de rodamientos, entre los cuales están: los rodamientos de rodillos cilíndricos, cónicos, esféricos, rodamientos de bolas y agujas, pudiendo estos últimos ser rodamientos sellados o abiertos.

Las mejoras en el diseño y fabricación de los rodamientos durante los últimos años han permitido aumentar la confiabilidad de las máquinas y reducir el impacto de las variaciones de velocidad, temperatura de operación, carga y condiciones de lubricación.

Sin embargo, los rodamientos se destacan por ser uno de los elementos más críticos en los equipos rotativos, y es por esta razón que es necesario la aplicación de técnicas modernas de mantenimiento predictivo basadas en el análisis de fallas, con el fin de evitar fallas prematuras y el fin de su vida útil.

Las fallas más frecuentes en los rodamientos según sus componentes son: en la pista exterior, pista interior, elementos rodantes y finalmente en la jaula. Esto siempre y cuando el rodamiento haya sido bien montado.

Análisis de vibración en rodamientos

Con el análisis de vibraciones, es posible valorar problemas de rodamientos y de máquinas en general. Al presentarse vibraciones externas a alta frecuencia como: deterioro de engranajes, cavitación, frecuencias eléctricas, etc. 

Para determinar el deterioro progresivo de los rodamientos, se debe tomar en cuenta el nivel de impacto o pulso generado durante la rotación del eje. Es a través del análisis espectral y de la forma de onda en el tiempo, donde se pueden observar la evolución de las amplitudes de vibración, ayudando a predecir el grado de deterioro futuro y anticipar cambios necesarios.

Estos impulsos ocurren periódicamente con una frecuencia que es determinada, únicamente, por la localización del defecto, pudiendo este ser en la pista interna, pista externa o en el elemento girante.

Sin embargo, esas frecuencias son asíncronas, o sea, no son múltiplos enteros de la velocidad de rotación del eje, por lo tanto, es necesario determinar esas frecuencias en función de los parámetros dimensionales del rodamiento.

El deterioro de cada uno de estos elementos (pista externa o interna por ejemplo) generará una o varias frecuencias características en los espectros de frecuencia que nos permitirán una rápida y fácil identificación. Las cuatro posibles frecuencias características  de deterioro de un rodamiento son:

BPFO (Ball Pass Frequency Outer): También llamada frecuencia de deterioro de la pista exterior, 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 (Ball Pass Frequency Inner): es la frecuencia de deterioro de la pista interior y 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 (Ball Spin Frequency): corresponde físicamente con el número de giros que realiza una bola o rodillo del rodamiento sobre la pista de rodadura cada vez que el eje realiza un giro completo.

FTF (Fundamental Train Frequency): es la frecuencia de deterioro de la jaula, siendo el número de giros que realiza la jaula del rodamiento cada vez que el eje realiza un giro completo.

Fases de desgaste

Es interesante destacar que los defectos en los rodamientos evolucionan con una cierta lentitud, sin embargo, emiten señales con bastante anticipación antes de una falla funcional.

Los defectos típicos que evolucionan de esta forma son: rayaduras en las pistas de rodadura, rodillos o esferas, pitting, grietas, corrosión, o fluting, y debido a estos comportamientos de falla a lo largo de su vida útil, es posible clasificarlas en las 4 fases de desgaste en rodamientos:

Fase 1

Es considerada de operación normal del componente, pero es aquí donde se tienen los primeros indicios del desgaste en el rodamiento en los cuales comienzan a aparecer pequeñas rayaduras en las pistas, siendo estas muy leves, que no afectan la operación normal del rodamiento, observándose apenas en el espectro, la frecuencia de rotación y posiblemente algunos de sus armónicos

Fase 2

Aparecen lecturas de vibración a alta frecuencia, las cuales constituyen el primer indicador del inicio del desgaste abrasivo de un rodamiento. Estas 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 en los rodamientos, observándose también, el deterioro de las demás frecuencias. En esta fase, mediante el seguimiento de su evolución permite planificar su cambio en una máquina con suficiente antelación.

Fase 4

Es en esta fase final donde el rodamiento se encuentra muy dañado, apareciendo síntomas similares a holguras y roces. Además, se puede detectar un ruido de fondo en la aceleración a alta frecuencia. 

Aumenta la amplitud de 1x RPM y sus armónicos y disminuyen o desaparecen las frecuencias de falla enmascaradas en el ruido de fondo.

Detección de fallas en rodamientos a través del monitoreo online de TRACTIAN

A continuación, presentamos un caso de estudio con uno de nuestros clientes donde fué detectada una falla en la pista exterior de un rodamiento de una bomba que ya estaba en la tercera fase de deterioro.

El rodamiento en cuestión era de designación 6309 C3 de SKF operando a una velocidad de rotación constante de 1765 rpm, y cuyas frecuencias de fallas características son: BPFO = 89.34 Hz; BPFI = 145,99; BSF = 57,54; y FTF = 11,18.

Las frecuencias de las características de fallas mencionadas anteriormente fueron calculadas automáticamente por la plataforma TRACTIAN, la cual posee una librería de más de 70.000 tipos de designaciones de rodamientos.

En este caso, la alerta de falla fué generada automáticamente por el sensor de monitoreo online Smart Trac, activando al equipo de mantenimiento quienes inmediatamente revisaron la alerta.

Inicialmente fue visualizado el espectro de la aceleración pico, donde se logró observar unos picos altos de vibración en el orden de los 3700 Hz y 4200 Hz. 

También se puede apreciar que entre esos picos existe una distancia precisa entre ellos, en este caso de 83 Hz, ofreciendo un primer indicio de que la falla podría estar localizada en la pista exterior del rodamiento.

Después de ese primer diagnóstico, fue realizado un análisis de la envolvente del espectro de la aceleración conocido también como demodulación, de gran utilidad para diagnosticar problemas en rodamientos de máquinas de muy baja velocidad y una detección temprana de las frecuencias de falla, antes de que se vuelvan lo suficientemente fuertes como para aparecer en el espectro estándar.

Finalmente, en la envolvente del espectro de la aceleración, fueron visualizados picos de vibración en la frecuencia de falla de la pista externa externa del rodamiento 1x BPFO y sus múltiplos  2x BPFO y 3x BPFO como se muestra en la imagen de abajo.

Detectar una falla en la etapa inicial es de vital importancia para evitar paradas inesperadas y altos costos de mantenimiento. 

Gracias al monitoreo en línea de TRACTIAN, el equipo de mantenimiento es más organizado y ha mejorado considerablemente los tiempos de respuesta.

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