¿Cómo identificar fallas en jaulas de rodamiento?

Para responder a esta pregunta, es necesario analizar el contexto del problema del desgaste natural de los rodamientos.

En las industrias de diferentes sectores productivos, las máquinas rotativas usan cojinetes para soportar la carga y mantener los espacios libres entre los elementos estacionarios y rotativos.

En este universo de maquinaria, más del 90% tienen rodamientos. Desafortunadamente, los rodamientos de los elementos rodantes son propensos a una multitud de fallas prematuras.

Se observa en la literatura técnica que solo el 10% de los rodamientos alcanzan el límite de la vida útil de diseño (L10), o sea, la vida útil esperada del 90% de los rodamientos de cierto tipo en condiciones de operación similares.

En general, las fallas iniciales se atribuyen a lubricación, desalineación, sobrecarga, errores de diseño y aplicación, e incluso problemas preexistentes que no se detectaron durante la fabricación.

Se debe preparar un programa de mantenimiento integral basado en el análisis del estado, que incorpore el mantenimiento predictivo, para detectar el inicio del desgaste y el deterioro de los rodamientos a lo largo de su ciclo de vida.

Un programa de mantenimiento maduro proporciona no solo indicaciones de desgaste en los rodamientos, sino también una evaluación de la gravedad del hecho y recomendaciones para acciones correctivas para el mantenimiento consiguiente.

Las fallas más comunes de las jaulas de rodamiento generalmente están relacionadas con sus elementos principales, como la pista interna, la pista externa, la jaula y el elemento rodante.

Estos elementos de rodamiento se ilustran en la Figura 01.

Una vez que el rodamiento está montado en su cojinete se obtiene un nuevo sistema dinámico y, debido a la alta rigidez, es esperado que este sistema siempre tenga componentes de resonancia de alta frecuencia (> 2 kHz).

En la resonancia del rodamiento, es posible mostrar la frecuencia del defecto del rodamiento: la frecuencia de paso de la pista interna (BPFI) y la pista externa (BPFO), la frecuencia de giro del elemento rodante (BSF) y la frecuencia de la jaula (FTF).

Uno de los modos de falla en un rodamiento es la rotura y / o desgaste de la jaula.

Aunque menos común, estos modos de falla tienen una alta severidad, porque cuando ocurren causan una parada inmediata del rodamiento porque compromete el desempeño de su función.

La forma de capturar este modo de falla mediante análisis de vibración requiere algunas observaciones y precauciones importantes.

Para comenzar, es necesario comprender cómo se produce el fenómeno de falla de la jaula del rodamiento. La falla ocurre por razones tales como:

• Desgaste de la jaula donde se montan los elementos rodantes;
• Por desprender un alfiler de la jaula;
• Por fricción de la jaula en las otras partes del rodamiento, o incluso por ruptura directa de la jaula.

Poco después de que ocurran algunos de estos modos de falla, el colapso de los rodamientos no tarda mucho en ocurrir.

Con eso, el tiempo para capturar la falla se acorta.

El modo de falla de la jaula, con esta particularidad, se vuelve más desafiante para el sistema de monitoreo de vibraciones, así como para cualquier analista de vibraciones experimentado.

Esto se debe a que la falla puede manifestarse en la frecuencia natural del rodamiento (si tiene impactos).

Otra forma de capturar esta falla es hacer la demodulación usando la técnica de Envelope usando un filtro en la región de alta frecuencia, aprovechando la frecuencia natural del rodamiento para amplificar las frecuencias periódicas.

Debido a la baja frecuencia de la jaula, o sea, aproximadamente entre 1/4 y 2/5 de su rotación, se debe tener especial cuidado al parametrizar la recopilación de datos, donde siempre se considera que la duración de la recopilación es al menos un período de dos a cuatro vueltas de la jaula sobre su eje.

Otro aspecto importante es garantizar que la vibración transmitida por la estructura es bien recibida en la ubicación de montaje del sensor. Para eso la fijación del sensor debe ser rígida y correcta en ese punto de monitoreo. 

Por esta razón, el sensor de vibración debe estar lo más cerca posible del área de carga del rodamiento bajo investigación.

La dirección de medición del sensor debe ser aproximadamente perpendicular a la zona de carga, como se muestra en la Figura 02.

Es importante tener en cuenta que no es aconsejable controlar el defecto de la jaula en el espectro de aceleración / velocidad a baja frecuencia, porque el defecto no tiene energía / potencia en amplitud que exceda los valores de las frecuencias convencionales, como la rotación de eje y las vibraciones de la máquina misma, que se manifiestan en baja frecuencia.

Teniendo en cuenta los puntos presentados anteriormente sobre el monitoreo y la detección del defecto en la jaula rodante, la tecnología Dynamox demuestra ser capaz de evidenciarlos con fiabilidad.

El sensor Dynalogger HF (alta frecuencia) permite el monitoreo a alta frecuencia de hasta 6,4 kHz, la región cercana a donde se produce la respuesta del rodamiento a su frecuencia natural, por lo que si hay algún impacto de la jaula en las otras partes del rodamiento, ser visible en el espectro.

Otro punto importante a considerar es la posibilidad de usar el Envelope en más de 5 filtros de frecuencia.

También es importante que, usando el número de líneas y la frecuencia máxima, tengamos el período deseado para parametrizar el número de ciclos necesarios para una recolección confiable.

En la Figura 03 se muestra un ejemplo de un espectro de envolvente de rodamiento.

Además, esta tecnología permite realizar recolecciones de 1 a 60 minutos, lo que favorece y aumenta la probabilidad de identificar la falla, ya que tendremos información más rápida debido a frecuencia de muestras con tendencias, lo que ayuda mucho a identificar la falla.

Otra herramienta importante en este escenario es la forma de onda que permite visualizar los impactos y las modulaciones, así como la información estadística de la señal recopilada, como: RMS, factor de cresta (FC) y curtosis (KURT).

En la Figura 04 se muestran ejemplos de una forma de onda defectuosa y no defectuosa.

Esta información también puede ser relevante por banda de frecuencia, que puede extraerse fácilmente utilizando filtros de paso alto, paso bajo o incluso un filtro de paso de banda

Esta funcionalidad también está disponible en la Plataforma Dynamox Web.

Además, con un banco de frecuencias (BPFO, BPFI, BSF y FTF) de casi 70 mil rodamientos de las principales marcas y modelos, la Plataforma Dynamox Web (parte de la Solución Dynamox) está lista para agregar marcas automáticas y manuales (ver Figura 04) en el espectro para facilitar la interpretación de datos y agilizar la recopilación de información.

Por lo tanto, los obstáculos para los diagnósticos asertivos de este tipo de detección son comunes a todas las plataformas de vibración, de este modo, el diferencial es cumplir con los criterios enumerados y poder contar con la diversidad de soluciones presentadas por Dynamox.