Análisis De Fallas En Rodamientos

IDEAR Análisis De Fallas En Rodamientos

diciembre de 1998

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Análisis De Fallas En Rodamientos

FALLAS FALLAS EN RODAMI RODAMIENTOS ENTOS ...........................................................................................................3 INTRODUCCIÓN........................................................................................................................................3 TÉCNICAS UTILIZADAS PARA LA DETERMINACIÓN DE FALLAS EN RODAMIENTOS ...........................................3 Factor Factor de cresta..................................................................................................................................3 cresta..................................................................................................................................3 Impulsos Impulsos de de choque ............................................................................................................................4 Emisión misión acústica.................................................................................................................................4 acústica.................................................................................................................................4 Spike Energy Energy ......................................................................................................................................5 Análisis Análisis de envolvente envolvente ........................................................................................................................5

CONCEPTOS BÁSICOS PARA LA INTERPRETACIÓN DEL ANÁLISIS ANÁLISIS DE ENVOLVENTE ..6 IMPULSOS PERIÓDICOS IDEALES DE ANCHO 0..............................................................................................6 IMPULSOS PERIÓDIOS DE ANCHO τ ............................................................................................................6 TRANSFERENCIA MECÁNICA .....................................................................................................................6

MODELO DE REPRESENTACIÓN DE FALLAS EN RODAMIENTOS........................................9 FALLAS INCIPIENTES ................................................................................................................................9 FALLAS AVANZADAS ..............................................................................................................................11 RESUMEN ..............................................................................................................................................13

CONCEP CONCEPTO TO DE ENVOLVENTE ENVOLVENTE .....................................................................................................14 PASOS A SEGUIR EN EL ANÁLISIS ANÁLISIS DE ENVOLVENTE ENVOLVENTE ........... ..... ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ .......15 .15 TÉCNICAS PARA OBTENER LA ENVOLVENTE DE UNA SEÑAL...........................................16 DETECTOR DE ENVOLVENTE ENVOLVENTE ...................................................................................................................16 TANSFORMADA DE HILBERT ...................................................................................................................16

VENTAJA VENTAJASS DEL ANÁLISI ANÁLISISS DE ENVOLVEN ENVOLVENTE TE ...........................................................................17 FRECUENCIAS ASOCIADAS A FALLAS DE RODAMIENTOS..................................................18 BASE DE DATOS DE RODAMIENTOS ..........................................................................................................18 EJEMPLO PARA MÁQUINAS DE MUY BAJAS RPM ........................................................................................18

PASOS A SEGUIR SEGUIR EN EL CONTROL Y ANÁLISIS DE FALLAS FALLAS EN RODAMIENTOS RODAMIENTOS ........... ...... .....19 19 CONCLU CONCLUSION SIONES ES ..............................................................................................................................20

Ing. Alejandr o Suárez

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FALLAS EN RODAMIENTOS Introducción Uno de los problemas que se presentan con mayor frecuencia en una fábrica es el de las fallas en los rodamientos. Por esta razón, para poder llevar a cabo un buen programa de mantenimiento predictivo, es necesario contar con técnicas de monitoreo del estado de funcionamiento lo suficientemente precisas para poder evaluar: 1. Los cambios en el estado de funcionamiento de un rodamiento desde la primer etapa de desarrollo de una falla. 2. La naturaleza de la falla. A partir de esta información, el personal de mantenimiento dispondrá de la mayor cantidad de tiempo posible para programar la reparación. El objetivo de este trabajo es:

• Presentar un panorama general con las diferentes técnicas que permiten detectar fallas en

rodamientos. • Presentar un modelo simplificado para facilitar la comprensión de como se manifiesta una falla de rodamiento en su primer etapa y en estado avanzado. • Presentar la técnica de análisis de envolvente para la determinación de fallas incipientes en rodamientos.

Técnicas utilizadas para la determinación de fallas en rodamientos

Factor de cresta Es una técnica que puede aplicarse cuando solamente se dispone de un instrumento de medición de valores RMS o pico de vibraciones mecánicas. Con estas dos mediciones se puede calcular el factor de cresta , definido como: FactorDeCresta

Valor Pico Incipiente Crece con respecto al valor histórico debido a la presencia de los primeros impulsos Medio

Se mantiene ya que aparece mayor cantidad de impulsos pero de la misma amplitud Avanzado Se mantiene

Ing. Alejandro Suárez

=

ValorPico ValorRMS

Valor RMS Se mantiene respecto del valor histórico ya que al comienzo la energía de los impulsos es baja Aumenta, debido a que al haber mayor cantidad de impulsos la energía crece Crece hasta alcanzar al valor pico

3

Factor de cresta Crece con respecto al valor histórico Disminuye en relación al estado de la falla incipiente. Disminuye hasta valores cercanos a 1

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3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

Valor Pico [g] Valor RMS [g] Factor de cresta

Ventajas • Método rápido • Simple • Se efectúa con un instrumento de bajo costo

Desventajas • Sensible a interferencias generadas por otras fuentes de vibraciones • No provee información para la determinación de la falla.

Impulsos de choque Éste método, comúnmente conocido como SPM (Shock Pulse Method), fue desarrollado en Suecia por la firma SPM Instrument. Se apoya en el hecho de que en el instante de colisión entre dos cuerpos, se produce una aceleración molecular cuya magnitud al comienzo del choque solamente depende de la velocidad del impacto y en que ni la masa ni la configuración de los cuerpos que colisionan influyen en este proceso. La aceleración molecular, causa una onda de compresión que se propaga a la velocidad del sonido y que es captada por un trasductor de impulsos de choque que permite realizar una medición indirecta de la velocidad del impacto. Este trasductor es un acelerómetro piezoeléctrico que está adaptado mecánica y eléctricamente a una frecuencia de resonancia de 32 Khz. El procedimiento para la medición es: 1. Obtener el valor inicial de medición dBi a partir de las RPM y diámetro del eje, utilizando las tablas correspondientes. 2. Medir el valor dBSV . 3. Obtener el valor dBN= dBSV -dBi . 4. Aplicar la siguiente regla: ZONA VERDE AMARILLA ROJA

Rango de dBN menor que 20 20-35 mayor que 35

Significado Buen funcionamiento Funcionamiento deficiente Mal funcionamiento

El valor dBi representa al valor que debe tener un rodamiento nuevo, bien montado y correctamente lubricado.

Emisión acústica Se denomina emisión acústica a la liberación de energía almacenada en una estructura en forma de sonido u ondas elásticas. Esta liberación de energía es irreversible y se presenta como emisión continua similar al ruido blanco, o como emisiones de pulsos que al excitar a las frecuencias naturales de la estructura, se manifiestan como senoides amortiguadas.


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Análisis De Fallas En Rodamientos La formación de fallas en un punto del material ocurre cuando las tensiones locales exceden a las tensiones de fractura, dando lugar a la formación de nuevas superficies con la correspondiente liberación de energía. En los rodamientos se suelen dar dos tipos de emisiones: 1. Emisión por pulsos debida a defectos en las pistas o rodillos. 2. Emisión continua en caso de que la lubricación sea deficiente.

Spike Energy Este método consiste en cuantificar la energía de los impulsos que puedan generarse en presencia de fallas. Estos impulsos se pueden generar por dos causas: 1. Emisión aleatoria de la energía almacenada en la estructura liberada en la formación de fallas. 2. Impulsos periódicos de choque entre los rodillos con las pistas del rodamiento. Estos impulsos excitan a las frecuencias naturales de la estructura y del sensor que están por encima de los 2khz. El spike energy es una medición de aceleración pico a pico de la señal en alta frecuencia. SEÑAL DE ACELERACIÓN

FILTRO PASALTOS 5 Khz

DETECTOR DE VALOR PICO A PICO

INDICADOR DE NIVEL DE SPIKE ENERGY gSE

Los niveles de gSE medidos dependen de varios factores: 1. Rango de frecuencias de medición. Normalmente, cuanto mas amplio sea el rango de frecuencias, mayor será el valor medido. 2. Frecuencia de resonancia propia del sensor. Es recomendable trabajar con sensores que tengan frecuencias de resonancia del orden de los 40 Khz. 3. Frecuencia de resonancia del acoplamiento sensor-máquina. El acoplamiento debe ser lo mas rígido posible para que las vibraciones de alta frecuencia se transmitan a través del mismo. 4. Ubicación del punto de medición. Para mantener la repetitividad de las mediciones es necesario medir siempre en el mismo punto. Este punto debe estar en el lugar mas próximo al rodamiento y debe existir un camino de alta rigidez. Se debe medir sobre el soporte, y no se debe medir sobre la carcaza de la máquina. A modo de ejemplo, se presenta un cuadro de valores medidos en el proceso de desgaste de un conjunto de rodamientos de rodillos secadores de máquinas de papel: Estado

gSE

Erosionado leve Micro pitting Erosionado severo Marcas severas

0,3-0,5 0,5-0,8 0,8-1.2 1,2-2,0

Análisis de envolvente El análisis de envolvente tiene la particularidad de detectar la presencia de impactos periódicos tales como los que se producen en los elementos rotantes de un rodamiento pudiendo discriminarlos de otras fuentes de golpes aleatorios como los que se producen durante la cavitación.


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CONCEPTOS BÁSICOS PARA LA INTERPRETACIÓN DEL ANÁLISIS DE ENVOLVENTE Impulsos periódicos ideales de ancho 0 Un tren de impulsos muy angostos de período T0 tiene un espectro periódico de período con componentes separadas en: f 0

1

=

T 0

Tren de impulsos periódicos

Espectro del tren de impulsos

T 0

f 0

t

f

Aquí se observa que el espectro de un tren de impulsos muy angostos periódico tiene componentes de frecuencia muy elevadas.

Impulsos periódios de ancho τ τ Un tren de impulsos de ancho τ y período T0 tiene un espectro con componentes armónicas separadas en: f 0

1

=

T 0

pero a diferencia del caso anterior, las componentes espectrales mas significativas se extienden hasta la frecuencia de corte:

1

f τ =

τ

Tren de pulsos periódicos T 0

Espectro del tren de pulsos

τ f 0

t

f τ =1/ τ

f

Aquí se observa que cuanto mayor sea el ancho del pulso τ , tanto menor será la frecuencia de corte f τ . y que en el caso en que τ tienda a cero el espectro se ensancha tendiendo al caso del tren de impulsos ideales.

Transferencia mecánica La transferencia mecánica de una estructura es la relación que existe entre un esfuerzo aplicado y el movimiento vibratorio consecuente. Ing. Alejandro Suárez

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f(t)

a(t)

H(s)

Si f(t) es la fuerza variable en el tiempo aplicada a una estructura y a(t) es la aceleración del movimiento ocacionado, se define a la transferencia mecánica como: H ( s)

=

− k = K ∏(( s − q k )) ∏s p F ( s)

A( s)

donde: A(s): transformada de Laplace de a(t). F(s): transformada de Laplace de f(t). qk: ceros de H(s). pk=σk + jωk: polos de H(s) y las ωk representan a las frecuencias naturales de la estructura. La transferencia mecánica está vinculada con la impedancia mecánica a través de la relación:

H ( s)

=

s Z ( s)

Para el caso en que la estructura sea un cuerpo rígido de masa puntual M, la transferencia mecánica se reduce a una constante:

1

H ( s) =

M Si a la expresión general se la evalúa en s=jω se obtiene la respuesta en frecuencia de la estructura donde se pueden observar las frecuencias naturales. RESPUESTA EN FRECUENCIA DE LA ESTRUCTURA 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 |H(jw)| 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Frecuencia [KHz]

En esta figura se observa que la estructura tiene una frecuencia natural en ωn=6 Khz que depende de la masa del sistema y de la rigidez según la ecuación: ω n


=

K M

7

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Donde: K y M representan a la rigidez y a la masa del sistema. Para el caso en que se efectúe una medición sobre el soporte del rodamiento, debido a la gran rigidez de la estructura la frecuencia natural resultará elevada. Normalmente se encuentra por encima de los 2 Khz. Si la fuerza que excita a la estructura es senoidal pura con frecuencia mucho menor que la de natural, se dice que el movimiento resultante es un movimiento forzado o que hay excitación forzada en virtud de que el movimiento es impuesto por la fuente de excitación. Si en cambio, la frecuencia coincide con la frecuencia natural de la estructura, se dice que hay resonancia y en consecuencia el movimiento se ve amplificado. Aquí se observa que la estructura se comporta como un filtro pasabandas en el que se amplifican todas las respuestas a las componentes de frecuencia que estén cerca de la frecuencia de resonancia.


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MODELO DE REPRESENTACIÓN DE FALLAS EN RODAMIENTOS Fallas incipientes A los efectos de poder comprender como se manifiestan las fallas en un rodamiento, se propone un modelo que simplifique a la realidad para poder poner de manifiesto como se originan y como evolucionan dentro de un proceso de desgaste.

Supongamos que el extremo de un eje que gira a 1000 RPM está apoyado sobre un rodamiento con las siguientes características: 1. 12 Bolas de diámetro 10 mm 2. Diámetro de pista externa: 100 mm 3. Diámetro de pista interna: 80 mm. Supongamos que en la parte inferior de la pista externa se produce una marca de ancho X=0.1mm. Cuando una bola pase por encima de la marca, el eje transferirá un impulso a la estructura dado por: τ

I

= ∫ p(t )dt

0

donde: p(t) es el peso del eje y τ es el tiempo que necesita una bola para pasar por encima de la marca. τ

=

60 01 . mm = 6,4 µ s 1000rpm 2 * Π * 100mm

Como pasan 12 bolas por revolución, estos impulsos se repiten con un período de: T b

=

60 1 = 5ms 1000rpm 12

De este modo, se puede pensar que la fuerza aplicada a la estructura es un tren de pulsos de ancho τ con período Tb. El espectro de este tren de pulsos tiene N=Tb/ τ= 781 componentes armónicas significativas separadas en Fb=1/Tb=200Hz y que en consecuencia alcanza hasta Fmax=781*200Hz ~ 156 KHz y con componentes de menor amplitud que llegan a algunos MHz. De aquí se deduce que: En la etapa inicial, una falla está caracterizada por tener:


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Análisis De Fallas En Rodamientos • •

Baja energía en virtud de que la marca es poco profunda. Gran ancho de banda . debido a la corta duración de los impulsos.

y de aquí se desprenden las siguientes conclusiones: 1. Debido al gran ancho de banda de la fuerza aplicada a la estructura, se excitan las frecuencias naturales 2. Debido a la baja energía de la fuerza aplicada las componentes de baja frecuencia no producen movimientos apreciables por lo que la respuesta forzada es despreciable. 3. En consecuencia, cuando las fallas son incipientes predomina la respuesta natural frente a la respuesta forzada. Al comienzo, las marcas son pequeñas y los impulsos tienen baja energía y corta duración.

I M P U LS O S P E R I Ó D I C O S A P L I C A D O S A L A E S T R U C T U R A

1. 1 0.5 0

Fuerza

-0.5 -

0

5

1

1

20

25

tiempo [mS]

Como los impulsos tienen corta duración, las componentes espectrales de la excitación llegan a frecuencias muy elevadas.

ESPECTRO DE LA EXCITACIÓN

0.3 0.25 0.2 0.15 |F(jw)| 0.1 0.05 00

La estructura rígida tiene frecuencias naturales altas.

1

2

3

4

5 6 7 Frecuencia [KHz]

R E S P U E S T A E N F R E C U E N C IA D E

8

9

10

L A E S T R U C T U R A

1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 |H(jw)| 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0

Cada impulso aplicado a la estructura excita a la frecuencia natural. Predomina la respuesta natural frente a la respuesta forzada.

0

1

2

3

4 5 Frecuencia [KHz]

6

7

8

9

10

RESPUESTA DE LA ESTRUCTURA

1 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0

Acel[g]

-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -


10

0

5

1

1 tiempo [mS]

20

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Análisis De Fallas En Rodamientos El espectro de la respuesta es el producto entre el espectro de la excitación por la respuesta en frecuencia de la estructura. Aún en este caso en que se supone que existe una sola fuente de excitación, se puede observar que el espectro tiene muchas componentes muy juntas, y que es necesario poder discriminar componentes que están separadas algunos hertz pero en el entorno de frecuencias de varios Khz.

ESPECTRO DE LA RESPUESTA

2.5

2

1. |A(jw)| 1

0.5

0 0

1

2

3


7

8

9

1

Fallas avanzadas

Siguiendo con el modelo anterior, podemos pensar que el proceso de desgaste provoca: 1. Que la profundidad de la falla aumente y que en consecuencia aumente la energía de la excitación aplicada. 2. Que la longitud de la marca aumente y que en consecuencia se reduzca el ancho de banda de la excitación. Suponiendo que el ancho de la marca ahora sea de 5 mm, el ancho de los pulsos aplicado es: τ =

60 5mm = 0.47ms 1000rpm 2 * Π * 100mm

El espectro de este tren de pulsos tiene N=Tb/ τ ~= 10 componentes armónicas significativas separadas en Fb=1/Tb=200Hz y que en consecuencia alcanza hasta Fmax=6*200Hz ~ 1.2 KHz. De aquí, se obtienen las siguientes conclusiones: 1. Al disminuir el ancho de banda de la fuerza aplicada no se exitan las frecuencias naturales de la estructura, o si lo hace, es a través de componentes d menor energía relativa. 2. Debido al aumento de la energía de la fuerza aplicada, las componentes de baja frecuencia generan movimientos apreciales. 3. En consecuencia, cuando las fallas son avanzadas predomina la respuesta forzada frente a la respuesta natural.


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Análisis De Fallas En Rodamientos A medida que la marca se agranda aumenta la energía de los impulsos y el tiempo en que una bola pasa por la marca.

1.5

IMPULSOS PERIÓDICOS APLICADOS A LA ESTRUCTURA

1 0.5 0 Fuerza -0.5 -1 -1.5 0

Al aumentar el tiempo en que se transfiere el impulso hacia la estructura, disminuye el ancho de banda de la fuerza de excitación.

5

10

15 tiempo [mS]

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25

ESPECTRO DE LA EXCITACIÓN

6 5 4 3 |H(jw)| 2 1 0 0

Las respuesta en frecuencia de la estructura no cambia al evolucionar la falla.

1

2

3

4


8

9

10

TRANSFERENCIA

1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 |H(jw)| 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Frecuencia [KHz]

Las respuesta de la estructura es similar a la excitación. Predomina la respuesta forzada frente a la respuesta natural.

RESPUESTA DERESPUESTA LA ESTRUCTURA DE LA ESTRUCTURA 1.5

1

0.5

Acel[g]

0

-0.5 -1

-1.5 0

Como la energía de la excitación está en frecuencias menores que la frecuencia natural de la estructura, el espectro de la respuesta es similar al de la excitación por lo que la naturaleza periódica de la falla se puede determinar mediante un análisis espectral en banda base.

5

10

15 tiempo [mS]

20

25

ESPECTRO DE LA RESPUESTA

4.5 4 3.5 3 2.5 |A(jw)|

2 1.5 1 0.5 0 0


12

1

2

3


7

8

9

10

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Análisis De Fallas En Rodamientos Resumen Falla incipiente Energía Baja Ancho de banda de la excitación Decenas de kilohertz Respuesta predominante Natural


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Falla avanzada Alta Algunos cientos de hertz Forzada

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CONCEPTO DE ENVOLVENTE La envolvente de una señal es el contorno que se obtiene uniendo todos los picos del semiciclo positivo. ENVOLVENTE DE LA RESPUESTA DE LA ESTRUCTURA 1.5

1

0.5

cel [g]

0

-0.5

-1

-1.5 0

2

4

6

8

10

12

tiempo [mS]

En la figura se observa como la envolvente elimina a las oscilaciones correspondientes a la respuesta natural de la estructura sin perder la información de periodicidad de la excitación que permite determinar las fuentes de vibraciones periódicas que caracterizan a las fallas en los rodamientos . 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 0

20

40

60

80

100

120

De aquí puede observarse que: 1. La envolvente es siempre positiva, por lo que se debe remover el valor medio para eliminar en a la componente de continua innecesaria. 2. La frecuencia máxima de la envolvente es mucho menor que la de la señal modulada. 3. Como la envolvente es una señal de baja frecuencia, la frecuencia máxima de los espectros puede ser baja con lo que se aumenta la resolución. 4. La envolvente contiene la información frecuencial de la fuente de vibraciones.


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PASOS A SEGUIR EN EL ANÁLISIS DE ENVOLVENTE La falla del ejemplo anterior tenía un período Tb=0,5mS y una frecuencia natural de 6 Khz.

SEÑAL SINFILTRAR

5 4 3 2

Para poder mejorar el rango dinámico de la medición, es necesario realizar un filtrado pasaaltos para remover las vibraciones de bajas frecuencias causadas por desbalanceos, desalineaciones, etc.

1 0 Acel[g] -1 -2 -3 -4 -5 0

5

10

15

20

25

tiempo[mS]

Esta figura muestra a la señal filtrada donde han quedado la respuesta de la estructura a la excitación periódica generada por la falla. Criterios para la selección de la frecuencia de corte del filtro pasaaltos 1. La frecuencia de corte del filtro pasaaltos debe ser levemente inferior a la frecuencia natural excitada. 2. La banda de energía creciente observada en el espectro de banda base puede servir para determinar la frecuencia de corte del filtro pasaaltos. 3. En general, la frecuencia de corte está en el orden de 1 Khz.

SEÑAL FILTRADA 5 4 3 2 1 0 Acel[g] -1 -2 -3 -4 -5 0

5

10

15

20

25

20

25

tiempo [mS]

Aquí se ha amplificado a la señal para mejorar la relación señal/ruido antes de efectuar el procesamiento de la envolvente.

SEÑAL AMPLIFICADA 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Acel[g] -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0

5

10

15 tiempo [mS]

La figura muestra la envolvente de la señal amplificada.

ENVOLVENTE 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Acel[g] -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0

5

10

15

20

25

tiempo[mS]

Aquí se muestra el espectro de la envolvente que muestra claramente a la componente de 100 Hz correspondiente a la marca en la pista externa y a las armónicas características de los impulsos periódicos.

ESPECTRO DE LA ENVOLVENTE 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 |H(jw)| 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0


15

0.2

0.4

0.6

0.8 1 1.2 Frecuencia [KHz]

1.4

1.6

1.8

2

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TÉCNICAS PARA OBTENER LA ENVOLVENTE DE UNA SEÑAL Detector de envolvente Una manera de obtener la envolvente de la señal modulada es a partir de un detector de envolvente conformado por un detector de picos. El detector de picos carga rápidamente a un capacitor y la descarga se realiza lentamente a través de una resistencia. ACONDICIONADOR DE SEÑAL

FILTRO PASABANDAS (2-5 Khz típico)

DEMODULADOR (Detector de envolvente)

ANÁLISIS ESPECTRAL

CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL

AMPLIFICADOR

FILTRO ANTIALÍASSING

Tansformada de Hilbert Otra manera de obtener la envolvente es a través de la transformada de Hilbert de la señal digitalizada. SEÑAL DIGITALIZADA

TRANSFORMADA DE HILBERT

MÓDULO DE LA TRANSFORMADA DE HILBERT

ENVOLVENTE

ANÁLISIS ESPECTRAL

La transformada de Hilbert es una transformación lineal aplicada a la señal, que da como resultado una función analítica con las siguientes propiedades: 1. La parte real coincide con la señal de entrada. 2. La parte imaginaria está en cuadratura con la señal de entrada. Esto significa, que cada componente del espectro de la parte imaginaria está a 90° respecto de la misma componente de la parte real. Como la parte real e imaginaria están en cuadratura, al obtener el módulo de la transformada se eliminan las componentes de alta frecuencia con lo que queda la envolvente.


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VENTAJAS DEL ANÁLISIS DE ENVOLVENTE • • • •

Detecta de fallas incipientes a partir de la amplificación de los movimientos de la estructura en resonancia Extiende las posibilidades del análisis de espectros convencional que solamente permite detectar los movimientos forzados de las estructuras correspondientes a las fallas en estado avanzado Ofrece precisión en el diagnóstico de fallas de los elementos rotantes Detecta otros golpes periódicos de baja energía


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FRECUENCIAS ASOCIADAS A FALLAS DE RODAMIENTOS Las fallas localizadas en los elementos que constituyen al rodamiento generan impactos que se repiten periódicamente a un ritmo que depende de las RPM del eje y su geometría. Frecuencia de paso de bola por pista externa Frecuencia de paso de bola por pista interna Frecuencia de giro de una bola

Frecuencia fundamental del tren de rodadura debida a fallas en la jaula

1 − d cos φ   2  D f  d  BPFI = n 1 + cos φ  2  D  2  f   d  BSF = D 1 −  cosφ    2d   D f  d  FTF = 1 − cos φ  2  D  BPFO = n

f

donde: n: Número de bolas o rodillos. f: Velocidad del eje (o de la pista externa respecto de la pista interna). d: diámetro de las bolas o rodillos. D: Diámetro del paso (medida entre ejes de bolas diametralmente opuestas). φ: Ángulo de contacto en la dirección radial.

Base de datos de rodamientos Las frecuencias de falla de los rodamientos se pueden obtener utilizando los programas de rodamientos. Existen varias opciones: Unas sobre rodamientos de SKF y otros que abarcan a otras marcas. La forma de utilizarlos es: 1. Ingresar el número que caracteriza al rodamiento. 2. Ingrersar las RPM. Y de este modo, el programa calcula las frecuencias de falla características. Ejemplo para Máquinas de muy bajas rpm En el caso de máquinas de muy bajas RPM como es el caso de los rodillos secadores de las máquinas de papel, el análisis de envolvente se transforma en una herramienta especialmente útil para la determinación de fallas de rodamientos. Supongamos que el eje gira a f=1,35 Hz (81RPM) y que los datos del rodamiento son: n=25 bolas d=36 mm

D=326 mm φ=15°

Aplicando las ecuaciones anteriores se obtiene: BPFO=15,1Hz BSF=6,0Hz

BPFI=18,7Hz FTF=0,6Hz

En este caso, los trenes de impulsos excitarán a las frecuencias naturales del rodamiento (que están en el orden de 6 Khz) y la falla se manifestará por medio de un crecimiento en este rango de frecuencias. Para poder discriminar a estas componentes en el entorno de una frecuencia de 6 Khz, se requerirá de mucha resolución y en gran rango dinámico. En lugar de esto, mediante la demodulación de los impulsos periódico por medio del análisis de envolvente y haciendo un análisis espectral con frecuencia máxima=50Hz, las componentes se podrán resolver con mucha exactitud. Ing. Alejandro Suárez

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PASOS A SEGUIR EN EL CONTROL Y ANÁLISIS DE FALLAS EN RODAMIENTOS Controlar espectros de aceleración con frecuencia máxima=10 Khz y máscaras de alarma lo suficientemente próximas al espectro. Si aumenta la energía de una banda que esté cerca de 5 Khz, es posible que existan fallas incipientes en rodamientos.

Efectuar el análisis de envolvente

Si el análisis de envolvente no muestra componentes espectrales definidas, entonces el cambio de estado de funcionamiento se debe a una fuente de vibraciones aleatoria como por ejemplo: • Cavitación • Fallas en la película lubricante

Si el análisis de envolvente muestra la presencia de componentes espectrales definidas, entonces el cambio de estado de funcionamiento se debe a fuentes de vibraciones periódicas

Con el código de rodamiento y las RPM del eje correspondientes, ingresar a la base de datos para obtener las frecuencias características Si no hay coincidencia, se debe a otros golpes periódicos de baja energía • Partes flojas • Huelgos excesivos.


Si hay coincidencia, el cambio de condición se debe a una falla incipiente en el rodamiento.

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CONCLUSIONES En general, el primer síntoma que indica una falla de rodamiento es un aumento gradual de las vibraciones por encima de los 2 Khz. En presencia de fallas existen impulsos que excitan a las frecuencias naturales estructurales y del trasductor que pasan a formar parte del espectro. El análisis de envolvente permite separar a los efectos de la estructura para facilitar el análisis de los impulsos generados por las fallas.


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Análisis De Fallas En Rodamientos

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