Detección de Fallas en Rodamientos y Mantenimiento Predictivo

Causas de Fallas en los Rodamientos

Los principales fabricantes de rodamientos cuentan con estadísticas que indican que cerca del 16% de las fallas que se dan en los rodamientos son el resultado del mal manejo de estos. En este momento no hay indicadores de fallas en rodamientos. Si un indicador está presente durante la operación inicial del rodamiento, por lo general se trata de un ajuste en el rodamiento o un problema de ensamblado.

Impacto de las Fallas

• ¿Las fallas afectan la calidad del producto?
• ¿Cuál es la disponibilidad de la maquinaria para el reemplazo de los rodamientos?

Para evaluar con mayor exactitud el estado de los rodamientos y cuándo es el tiempo óptimo para reemplazarlos, es importante conocer las etapas de falla de los rodamientos.

Etapas de Falla de Rodamientos

Con la finalidad de tener un mejor conocimiento de lo que representa una falla en los rodamientos, los fabricantes realizaron una investigación para determinar cómo fallan estos. Dentro de la investigación se determinó que los rodamientos operan aproximadamente el 80% de su vida útil libres de defectos y, cuando la falla ocurre, estos generalmente se encuentran en alguna de las cuatro diferentes etapas de falla:

Etapa 1

Las fallas de los elementos rodantes normalmente se producen por debajo de la superficie de las pistas de rodadura. En este momento, se estima que tienen de un 10 a 20% de vida útil restante.

Etapa 2

Conforme la falla progresa, se producen huellas microscópicas (< 40 micras) en la superficie del componente averiado. Esto es considerado como Etapa 2 y se estima que tienen entre el 5 y 10% de vida útil restante.

Etapa 3

El desarrollo de las fallas va más allá de las causas iniciales, como son el agrietamiento y/o desprendimiento de metal, que normalmente están asociadas a las fallas de los rodamientos. La vida útil en este momento se ve limitada del 1 al 5%.

Etapa 4

Cuando se presenta desgaste, grietas múltiples y desprendimiento excesivo, podemos decir que estamos en la Etapa 4 y etapa final en la falla del rodamiento. Solo queda el 1% de la vida útil o tal vez una sola revolución.

La mayoría del personal de mantenimiento elige sustituir los rodamientos en la Etapa 3. La falla aparece visualmente; sin embargo, el daño es aún limitado al propio rodamiento. Este tipo de falla forzará a la máquina a salir de servicio y ocurrirá una falla catastrófica, generalmente causando un daño a otros elementos de la máquina como pudieran ser motor, acoplamientos, flecha, alojamientos, etc., resultando en un mayor impacto económico.

Importancia del Mantenimiento Predictivo

Fase de Detección

La fase de detección es la más importante, ya que se utiliza para identificar posibles fallas o fallas incipientes en la maquinaria. La fase de detección identifica cualquier falla potencial en rodamientos. Entre más rápido se realicen estas inspecciones, más equipos pueden ser protegidos, dando como resultado un programa mucho más efectivo.

Por ejemplo, la filosofía de la Fase de Detección es inspeccionar rápidamente tantos equipos como sean posibles. Este es también el momento ideal para corregir la causa de la falla, es decir, encontrar la causa raíz. Sin embargo, no existe una medición única o tecnología que proporcione una visión de las fallas en rodamientos al 100%. Muchas de las técnicas disponibles son especiales para la detección de estas fallas, pero tienen una capacidad limitada para identificar otros problemas en la maquinaria.

Análisis de la Firma Eléctrica (ESA)

El Análisis de la Firma Eléctrica (ESA – Electrical Signature Analysis) está demostrando ser una herramienta muy efectiva para identificar fallas incipientes en la Fase de Detección del mantenimiento predictivo (PdM). El ESA también tiene la capacidad de detectar fallas dentro del sistema de motor, como son barras rotas del rotor, excentricidad del rotor, cortos entre vueltas del devanado, etc., fallas que no pueden ser detectadas con análisis de vibraciones.

Determinando la Severidad de Falla del Rodamiento

A diferencia de la mayoría de las fallas de vibraciones mecánicas, la amplitud del pico espectral en la frecuencia de falla no indica con precisión la gravedad de dicha falla en los rodamientos. En muchos casos, la amplitud de la onda pico disminuirá en la medida en que la falla empeore.

Frecuencias Generadas por los Rodamientos

Cada juego de rotor con rodamientos crea un sistema único; por lo tanto, es extremadamente difícil determinar con precisión las frecuencias que se generan en cada una de las etapas. La flecha concéntrica o maquinados de esta, así como la excentricidad del alojamiento, pueden variar las frecuencias de falla en las primeras etapas.

Ahora revisaremos cada una de las etapas de falla de los rodamientos y los rangos de frecuencia que son generados por las fallas en cada uno de los elementos. Debe ponerse especial atención a las diversas mediciones y técnicas de procesamiento de señal que están disponibles actualmente para ayudar a identificar estas fallas.

Los sensores especiales y técnicas de procesamiento de señal han demostrado con éxito la identificación de las fallas tan temprano como la Etapa 1. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, la detección del proceso de falla es inicial y la detección visual es imperceptible, lo que resulta difícil de determinar. Se estima que cuando existe una falla en la Etapa 1, el 80% aproximadamente de la vida útil del rodamiento se ha gastado.

Detalles de la Etapa 2 (Vida útil 5-10%)

Como la falla va empeorando, el agrietamiento en la pista de rodadura comienza a extenderse hacia la superficie y causa corrosión microscópica en la superficie del componente averiado.

Las frecuencias naturales se encuentran en el rango de 30 a 60 KHz.

La operación del transductor en la resonancia amplifica señales muy pequeñas del defecto dentro de un rango utilizable. Conforme la falla progresa, la rigidez de los componentes disminuye, lo que reduce la frecuencia natural de los componentes. Esto causa que las señales se acerquen a la frecuencia natural del sensor (25 kHz). Como la frecuencia de la falla es cercana a la frecuencia natural, la salida del sensor aumenta.

Estos métodos han demostrado ser muy eficaces y un cambio en estos valores se produce cuando un rodamiento empieza a fallar, pero hay otras fallas en el sistema de máquinas que también pueden causar que estas frecuencias aumenten o disminuyan. Cuando las señales aparecen en los rangos de frecuencias de 30 a 60 kHz, los rodamientos están ahora en una Etapa 2 de falla temprana.

Conforme la Etapa 2 progresa, incrementa la intensidad de las señales, las cuales excitan la frecuencia natural del sistema (incluyendo la flecha y el sistema de rodamientos). El incremento de la masa causa que el sistema de frecuencia natural sea menor que la frecuencia natural de los componentes del rodamiento, situándose generalmente en el rango de 500 a 2000 Hz. En muchos casos, estas señales están escondidas en la vibración global de la máquina.

El ESA identifica fallas en las máquinas mediante la localización de los picos del espectro de las líneas de frecuencia (normalmente 50 a 60 Hz) en torno a una frecuencia central. En el eje de frecuencia se observan bandas laterales en el espectro de corriente que no se presentan en el espectro de voltaje, lo que indica que la falla proviene de la máquina o del proceso.

Este espectro muestra una frecuencia de falla del rodamiento que aparece cercana a los 2500 Hz. Cuando las señales aparecen en el rango de 500 a 2000 Hz, el rodamiento presenta una falla temprana (Etapa 2).

Detalles de la Etapa 3 (1-5% de vida útil)

En esta etapa, la falla del rodamiento continúa y las grietas presentes empeoran; se generan rebabas, desprendimiento y posiblemente agujeros u otros defectos en la superficie. Esta es la condición en la que el defecto se puede observar visualmente.

Estas fallas generan una señal suficientemente fuerte para aparecer en el espectro de vibraciones en lo que comúnmente se conoce como Frecuencias de Falla de Rodamiento (BDF – Bearing Defect Frequencies). Este es el punto donde las mediciones de velocidad (mm/s) o aceleración (mm/s²) pueden identificar por primera vez el defecto. Si estas señales están presentes, el rodamiento tiene un defecto.

Generación de Frecuencias de Defecto

En el supuesto de una falla en la pista exterior de rodadura, se producirá un impacto cada vez que uno de los elementos rodantes pase sobre este defecto. El impacto causará una vibración a la frecuencia natural del componente (30 a 60 kHz) o una señal a la frecuencia natural del sistema (500 a 2000 Hz).

La frecuencia de la pista exterior es a menudo llamada BPFO (Frecuencia de paso de bola en el anillo exterior). Note que la respuesta de frecuencia será la frecuencia natural del rodamiento y la frecuencia de impacto será BPFI (Frecuencia de paso de las bolas en la pista interna).

Entendiendo la Frecuencia de Falla del Rodamiento

La frecuencia de falla depende de la geometría del rodamiento y la velocidad de giro de la flecha o eje:

• Pd: Distancia medida de la línea central de un elemento rodante al opuesto.
• Bd: Ángulo de contacto. En un rodamiento de bolas de ranura profunda es 0 grados; en uno axial es 90 grados.

Los fabricantes publican cálculos de frecuencias de falla (ej. BPFO = 4.68X, BPFI = 7.32X la velocidad de operación). Es vital separar esto de otras fallas que son múltiplos exactos de la velocidad de operación. Las frecuencias reales suelen diferir de las calculadas entre un 5 a 10%.

Cuando las señales aparecen en el BDF o múltiplos (2X BDF, 3X BDF, etc.), el rodamiento está en una Etapa 3 de defecto temprano. Si aparecen bandas laterales alrededor del BDF o armónicos, el rodamiento está en una Etapa 3 tardía y se recomienda el cambio inmediato.

Etapa 4: Falla Final

En esta etapa, la mayoría de los indicios de falla tienden a desaparecer del espectro (BDF, bandas laterales y armónicos) debido al caos mecánico. El ruido de fondo de todo el espectro se incrementa significativamente.

Conclusión

La identificación de las fallas en los elementos rodantes es un proceso clave para la operación exitosa de cualquier planta. El Análisis de la Firma Eléctrica (ESA) es una herramienta adicional para identificar rápidamente no solo fallas internas del motor, sino también la detección temprana de fallas en rodamientos.

Matriz de Diagnóstico ESA

• Potencia de entrada: SI
• Control: SI
• Conexiones / Cables: SI
• Estator Eléctrico: SI
• Estator Mecánico: SI
• Rotor: SI
• Entrehierro: SI
• Aislamiento: SI
• Rodamientos: SI
• Alineación: SI
• Desbalanceo: SI
• Carga / Drive: SI

Para más información, por favor visite www.alltestpro.com o escriba a [email protected]

Biografía del Autor: William Kruger ha estado en el medio del Mantenimiento Predictivo por casi 40 años. Es graduado de la Escuela de Fuerza Nuclear Naval y obtuvo su grado BS en la Universidad del Estado de San Diego. Después trabajó como ingeniero de aplicaciones para la división DYMAC de Dynamics Spectral. Kruger ha conducido cursos de entrenamiento en 6 continentes y es conocido alrededor del mundo por su enfoque práctico al análisis de maquinaria y su habilidad para pre