TECNICAS DE DIAGNOSTICO PARA EL ANALISIS DE VIBRACIONES DERODAMIENTOS

Estupiñan, Edgar  -  Saavedra, PedroUniversidad de Concepción

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA(Casilla 160-C, Fono: 204327, Fax: 251142, eestupin@udec.cl)

Concepción – CHILE

RESUMENLa señal de vibración emitida por un rodamiento puede contener componentes espectrales que están relacionadascon  la  geometría  del  rodamiento,  el  número  de  elementos  rodantes,  la  velocidad  de  rotación,  la  ubicación  deldefecto  y  el  tipo de  carga  aplicada;  lo  cual  marca  la  diferencia  con un descanso  de  tipo  hidrodinámico.  Es  degran importancia en la industria moderna poder detectar defectos en los rodamientos de las máquinas críticas enuna  etapa  incipiente  de  falla.  En  el  presente  trabajo  se  muestra  como  con  el  uso  de  algunas  de  las  técnicasmodernas  de  análisis  de  vibraciones  incluidas  en  analizadores  comerciales,  es  posible  detectar  defectos  en  losrodamientos en su etapa incipiente. Las técnicas utilizadas para el análisis fueron la técnica de Demodulación oenvolvente,  el  método  de  Peakvue  o  detección  del  valor  peak  y  el  Zoom  real.  Se  comparan  los  resultadosobtenidos con estas técnicas en ensayos de laboratorio para diferentes condiciones de carga y velocidad.

INTRODUCCIONLos rodamientos actúan como una fuente de ruido yvibración debido tanto a la variación de complianciacomo  a  la  presencia  de  defectos  en  ellos  [Tandon1992].  Los  defectos  en  los  rodamientos  se  puedenclasificar como distribuidos y localizados.El hecho de que la distribución de carga varíe sobrelos  elementos  rodantes  a  medida  que  éstos  giransobre las pistas de rodadura hace que losrodamientos   se   comporten   por   si   mismos   en   ungenerador de vibraciones. Este comportamientopuede provenir tanto de rodamientosgeométricamente   perfectos   como   de   rodamientoscon  imperfecciones  de  manufactura,  problemas  deinstalación,  lubricación  y  condiciones  ambientalesinadecuadas   o   de   algún   otro   factor   que   ayude   aproducir desgaste o fatiga [Akturk 1998].

Defectos LocalizadosSon  en  general  producidos  por  grietas,  hendiduras,rebordes,  resaltes,  picaduras  y  descascaramiento.  Elmas común de todos es la picadura de las pistas o delos  elementos  rodantes,  causado  cuando  una  grietapor  fatiga  originada  subsuperficialmente  se  propagahacia  la  superficie  hasta  que  una  pieza  de  metal  sedesprende superficialmente produciendo un pequeñodefecto.  La  falla  por  fatiga  superficial  es  aceleradacuando   el rodamiento está sobrecargado o sometidoa cargas de choque o impacto durante sufuncionamiento   o   instalación   y   también   con   elincremento de velocidad.

Defectos DistribuidosDentro   de   éstos   se   encuentran:   las   rugosidadessuperficiales, ondulaciones sobre las pistas,desalineamiento  de  las  pistas  y  elementos  rodantes

desiguales.  Pueden  ser  causados  por  errores  en  lamanufactura,   inadecuada   instalación   o   debido   aldesgaste.   Las   vibraciones   debidas   a   defectos   demanufactura   han   resultado   ser   más   bajas   en   lamayoría  de  los  casos,  que  las  debidas  a  defectosproducidos por desgaste o fatiga.

La  variación  de  las  fuerzas  de  contacto  entre  loselementos     rodantes     y     las     pistas     causan     unincremento   en   el   nivel   de   vibración.   Puesto   queresulta   difícil   discernir   cuando   la   vibración   escausada  por  defectos  localizados  o  distribuidos,  esrecomendable  analizar  tanto  la  frecuencia  como  laamplitud       de       las       componentes       espectralesrelacionadas con la vibración. [Tandon 1999].

EVOLUCION DE LA FALLA POR PICADURAEl  primer  síntoma  que  se  presenta  cuando  apareceesta  falla,  es  decir,  en  su  etapa  incipiente,  es  unavibración    con    componentes    de    alta    frecuencia(generalmente  mayores  a  5  Khz),  producto  de  lageneración de ondas de esfuerzo y de otros tipos, lasque a la vez excitan frecuencias naturales del soportey pistas del rodamiento y/o del sensor con el cual serealiza la medición. En esta etapa la temperatura nose  incrementa  y  las  grietas  no  son  visibles  y  confrecuencia  ocurren  debajo  de  la  superficie  de  laspistas.  En  esta  etapa  aún  no  es  necesario  el  cambiodel rodamiento.

En  una  segunda  etapa  las  grietas  empiezan  a  servisibles   al   ojo   humano   y   el   rodamiento   producesonido audible y la temperatura en algunos casos seincrementa.   En   esta   etapa   aparecen   componentesfrecuenciales     relacionadas  con  las  frecuencias  defalla  de  los  rodamientos  en  la  zona  de  frecuenciabaja  e  intermedia  y  hay  un  incremento  del  ruido

audible. Las frecuencias de falla de los rodami

entosson comúnmente designadas por BPFO, BPFI, 

del canastillo o jaula que contiene los elementos rodantes. Estas técnicas son consideradas como las

estos métodos son principalmente: De   las   técnicas   que   analizan   la   zona   de   alta

BSFy   FTF*   [Harris   1966],   [Tandon   1999],   [Reeves1998]. Estas frecuencias son determinadas en base ala geometría y velocidad de rotación del rodamientoo directamente de diferentes software comerciales.

A medida que la falla avanza, pueden aparecer grancantidad de bandas laterales alrededor de lasfrecuencias  de  falla,  relacionadas  con  la  velocidadde rotación o la FTF [Reeves 1998], y modulacionesentre  las  diferentes  frecuencias  de  falla  cuando  lapicadura   se   ha   extendido   a   pistas   y   elementosrodantes. En esta etapa se hace necesario comenzar aprogramar el cambio del rodamiento.

En una tercera etapa, cerca a una falla catastrófica,el  ruido  incrementa  significativamente  y  se  puedeproducir sobrecalentamiento. El rápido desgasteincrementa los huelgos dentro del rodamiento lo quepermite  movimiento  del  eje  relativo  al  rodamiento,pudiendo  llegar  a  ser  muy  peligroso  por  roces  conotros  componentes  de  la  máquina.  En  esta  etapa,  lavibración en la región de alta frecuencia disminuye,crece la componente a la velocidad de rotación y lasvibraciones tienden a ser aleatorias. En estemomento,  será  necesario  el  cambio  inmediato  delrodamiento [Jones 1996], [Saavedra 1998].

Aunque ésta es la forma más general que se presentacuando  un  rodamiento  desarrolla  una  falla,  se  debetener   presente   que   cada   rodamiento   puede   tenermodos de falla diferentes y con una rata deprogresión  distinta  que  depende  en  gran  medida  delas   condiciones   de   carga,   velocidad,   temperatura,humedad y lubricación a que esté sometido.

TECNICAS DE DIAGNOSTICODiferentes   métodos   han   sido   utilizados   para   la

Análisis de VibracionesTodas las máquinas tienen un nivel de vibración quepuede   ser   considerado   normal   o   inherente   a   sufuncionamiento.    Cuando    este    nivel    aumenta    yempieza  a  ser  excesivo,  es  normalmente  el  síntomade la presencia de una falla.Debido  a  la  presencia  de  defectos  localizados,  seproducen   cambios   abruptos   en   los   esfuerzos   decontacto   en   las   interfaces,   lo   cual   resulta   en   lageneración  de  pulsos  de  muy  corta  duración,  quepueden excitar las frecuencias naturales de las pistasy soporte del rodamiento (Figura 1).

Figura 1 Generación de impactos por la presencia de un defecto.

La  presencia  de  componentes  de  alta  frecuencia,  esel  síntoma  que  permite  detectar  incipientemente  lafalla. Cuando la falla progresa, la excitación de tipoimpulsiva  aumenta  por  un  tiempo  hasta  cuando  losfilos,  esquinas  o  rebordes  de  los  defectos  se  alisanproducto   del   desgaste   y   los   niveles   de   impactodisminuyen e incluso pueden llegar a desaparecer.

Para   realizar   el   análisis   y   diagnóstico   de   fallasutilizando   la   medición   de   la   vibración,   se   handesarrollado    diferentes    técnicas    e    instrumentos,dependiendo   del   rango   de   frecuencias   dentro   delcual se desea hacer el análisis. Unas están enfocadasa la zona de las altas frecuencias y otras a la zona defrecuencias bajas e intermedias.

detección y diagnóstico de defectos de rodamientos,frecuencia   para   la   detección   incipiente   de   fallas,

- Análisis de vibración, ruido y ondas. están   las   que   se   basan   en   la   excitación   de   la- Análisis de temperatura. frecuencia natural del sensor utilizado, es decir sobre- Análisis de partículas en el aceite. una  banda  de  frecuencia  prefijada  y  normalmenteEl método de análisis de vibraciones, ruido y ondas entregan  un  valor  global  que  se  relaciona  con  laha  sido  el  más  ampliamente  utilizado  haciendo  uso severidad del defecto. Dentro de estas técnicas, estánde   diferentes   técnicas   como   son:   el   análisis   de los pulsos de choque (SPM), la detección devibración  en  tiempo  y  frecuencia,  análisis  de  ondas emisiones  acústicas  (AE),  energía  espectral  emitidade  choque,  análisis  del  ruido,  análisis  de  emisión (SEE),   técnica   de   detección   de   alta   frecuenciaacústica, etc. (HFD) y el ultrasonido.

Otras técnicas que analizan vibraciones afrecuencias   no   tan   altas   (1–5   khz)   y   que   estánrelacionadas   con   la   excitación   de   las   frecuencias

* BPFO (Ball pass frequency of the outer race), es la frecuenciade  paso  de  los  elementos  rodantes  por  un  defecto  en  la  pistaexterna.BPFI (Ball pass frequency of the inner race), es la frecuencia depaso de los elementos rodantes por un defecto en la pista interna.BSF  (Ball  spin  frequency),  es  la  frecuencia  de  giro  de  los

naturales del soporte y las pistas del rodamiento sonlas   técnicas   de   Demodulación   o   envolvente,   latécnica  del  Peakvue  y  el  análisis  con  Zoom  realsobre  las  zonas  resonantes.  Técnicas  en  las  que  secentra el presente estudio.

elementos rodantes.FTF (Fundamental train frequency), es la frecuencia de rotación

herramientas   más   efectivas para   diagnosticar

tempranamente   la   presencia   de   defectos   en   los

rodamientos.  Buscan  principalmente  detectar  zonasresonantes   excitadas   o   moduladas   por  fuerzas  deimpacto periódicas, cuya frecuencia de repetición esun indicador del lugar donde se encuentra el defectoy la amplitud de la señal de los impactos puede serutilizada  en  algunos  casos  como  un  indicador  de  laseveridad y progresión de la falla.

Dichas técnicas deben superar dos dificultadesprincipalmente.   La   primera,   es   que   las   señalesimpulsivas  de  alta  frecuencia  son  de  una  amplitudgeneralmente  baja,  comparadas  con  la  mayoría  decomponentes  de  baja  frecuencia  que  componen  lavibración  global.  Y  la  segunda  es  que  una  bandaamplia  de  frecuencia  que  abarque  las  frecuenciasnaturales del rodamiento, puede enmascarar lafrecuencia  e  intensidad  de  los  impactos  debido  alruido y a la falta de buena resolución.

Para facilitar el diagnóstico se deben aislar entonceslas   vibraciones   de   alta   frecuencia   de   las   otrasvibraciones,  empleando  un  filtro  pasa  alto  o  pasabanda   alrededor   de   la   frecuencia   natural   que   esexcitada. De esta forma es posible extraer lafrecuencia   y   la   amplitud   de   los   impactos   de   lavibración   global.   Para   poder   lograr   esto   se   debesacar provecho de las propiedades de estasvibraciones.   Dos   de   estas   propiedades   que   danorigen  a  las  técnicas  de  Demodulación  y  Peakvueson  la envolvente de los impactos y la detección delos peaks máximos (Figura 2).

ANALISIS CON ZOOMEl  análisis  con  Zoom  real,  permite  por  medio  defiltros  digitales,  adquirir  la  señal  con  un  ancho  debanda estrecho sobre la frecuencia resonante, la cualdebe haber sido previamente identificada. Se obtienede esta manera un espectro con una buenaresolución,  permitiendo  identificar  más  fácilmentelas   frecuencias   moduladoras   que causan   laexcitación de la frecuencia. En la figura 8, se ilustrael  resultado  obtenido  de  un  análisis  con  Zoom  realalrededor de la frecuencia resonante de 60 kcpm. Lamayoría de analizadores poseen la utilidad de zoomque consiste en una expansión del eje de frecuenciasy no en un zoom real.

DEMODULACIÓNEsta técnica consiste básicamente en aplicar sobre laseñal temporal un filtro pasa alto o pasa banda con elfin  de  aislar  zonas  resonantes  de  alta  frecuencia,luego   rectificar   la   señal   modulada,   eliminar   lacomponente  continua  y  finalmente  con  un  detectorde envolvente (figura 2) y un filtro pasa bajo extraerla  señal  moduladora,  tal  y  como  se  ilustra  en  lafigura 3.

a)

b)Figura 2. Análisis de las vibraciones de impacto.

a) Envolvente. b) Detección del valor peak

Figura 3. Proceso de Demodulación

El   análisis   frecuencial   de   la   señal   demoduladaentrega  como  resultado  la  frecuencia  de  repeticiónde los impactos.

PEAKVUEEs   una   técnica   que   capta   el   valor   peak   de   losimpactos  que  se  producen  (figura  2b)  y  luego  pormedio    de    un    análisis    espectral    se    obtiene    lafrecuencia de repetición de los impactos. Detecta lapresencia    de    las     ondas    de     esfuerzo     debidasprincipalmente  al  contacto  metal-metal  durante  unaetapa   temprana   de   falla.     Al     igual   que   lademodulación, aisla las zonas resonantes por mediode  filtros  digitales  pasa  alto  o  pasa  banda,  pero  sediferencia del proceso de demodulación en que en laetapa final no emplea el detector de envolvente, sinoque utilizando una frecuencia de muestreo alta (100khz)  capta  el  valor  peak  para  cada  intervalo  ∆t  del

tiempo   de   muestreo   normal   (figura   4),   [Canada1998].

rodamiento con falla se identifica una zona con unaalta  energía  de  vibración  alrededor  de  la  frecuenciade  60  kcpm,  la  cual  corresponde  a  una  frecuencianatural.  Realizando  un  Zoom  real  en  torno  a  estafrecuencia,   se   distinguen   en   el   espectro   bandaslaterales con una separación entre ellas a la

No Designación DesignaciónAB

Descanso LibreDescanso Motriz

Rod. Rígido de BolasSKF Ref. 6306-2z.

C Polea Ref. 6207-2zD Acople ElásticoE Motor 1400 rpm De inducción trifásico (1.5hp)

Con variador de frecuencia.

frecuencia  de  BPFO*,  identificando  como  causa  dela  excitación  de  la  frecuencia  natural  un  defecto  enla pista externa (figura 7).

Figura 4. Valor peak para cada intervalo de tiempo.

ENSAYOS Y RESULTADOSEn este trabajo,   se   realizaron   ensayos   conrodamientos  en  buen  estado  y  con  rodamientos  condefectos   localizados   sobre   la   pista   externa,   condiferentes   grados   de   severidad   y   para   diversascondiciones  de  carga  y  velocidad.  Se  utilizaron  lastécnicas de análisis espectral normal, Demodulación,

Figura 6. Espectro en aceleración (Velocidad = 1000 rpm)

Peakvue  y  Zoom  real.  Para  realizar  las  pruebas,  seutilizó  un  banco  de  ensayo  como  el  ilustrado  en  lafigura 5, cuyas características se indican en la tabla1.  Para  el  análisis  de  las  vibraciones  se  utilizó  unanalizador CSI 2120-2, acelerómetros de alta y bajafrecuencia (0.1 y 0.5 V/g) y una grabadora digital deseñales análogas.

Figura 7. Análisis con Zoom (observar bandas laterales).

Figura 5. Banco de ensayo

Tabla 1. Características del banco de pruebas.

Observando   la  forma   de   onda   en   aceleración,   sepuede   identificar   la   periodicidad   de   los   impactosproducidos  por  el  paso  de  los  elementos  rodantessobre el defecto, tal y   como se ilustra en la figura 8,para la velocidad de giro de 1000 rpm.

Se   compararon   las   vibraciones   medidas   sobre   eldescanso  del  lado  libre  en  dirección  vertical,  tantopara   rodamientos   sin   falla,   como   con   falla.   Serealizó  el  ensayo  para  las  condiciones  de  velocidadde 1000 rpm y 60 rpm y aplicando una carga de 200Kg sobre la polea. Para los ensayos con rodamientosdefectuosos,  se  utilizaron  cinco  rodamientos,  cadauno de ellos con un defecto sobre la pista externa. Eldefecto  fue  realizado  intencionalmente  para  simularuna falla en etapa incipiente.

En la figura 6, se muestran los espectros en unidadesde   aceleración   obtenidos   para   un   rodamiento   sinfalla  y  otro  con  falla  para  la  velocidad  de  giro  de1000 rpm. Es claro que en el espectro del

Figura 8. Identificación de impactos en la señal temporal.

* Para el rodamiento SKF 6306-2z, BPFO=2.51xRPM.

RPM : velocidad de rotación del rodamiento.

En   las  figuras   9   y  10,   se   ilustran   los  resultadosobtenidos de los análisis de Demodulación yPeakvue de la vibración de un rodamiento sin falla yotro   con   una   raya   en   la   pista   externa,   con   unavelocidad de giro de 1000 rpm y 200 kg de carga. Enel rodamiento con falla se identifican claramente lascomponentes a BPFO y sus armónicos, confirmandola presencia de un defecto en la pista externa.

Figura 12. Demodulación.  (Velocidad = 60 rpm)

Figura 9. Demodulación (velocidad = 1000 rpm)

Figura 13. PeakVue. (Velocidad = 60 rpm)

DISCUSIONDe los resultados obtenidos en las diferentespruebas, se puede concluir que:

- Independiente  de  la  velocidad  de  rotación,  seproduce una excitación sobre la zona de las altasfrecuencias   para   el   caso   del   rodamiento   con

Figura 10. PeakVue.(velocidad = 1000 rpm)

Aplicando   estas   técnicas   para   el   caso   en   que   elrodamiento   gira   a   baja   velocidad   (60   rpm),   seobserva  en  el  espectro  de  aceleración  la  excitaciónde  la  zona  resonante  par  el  rodamiento  con  falla(figura 11). Empleando las técnicas deDemodulación   y   Peakvue   (figuras   12   y   13),   seidentifica   la   presencia   de   la   falla   aunque  no   tanclaramente como para velocidades más altas.

Figura 11. Espectro en aceleración (Velocidad = 60 rpm)

falla.    Sin    embargo,    a    baja    velocidad    laexcitación    que    se    produce    es    de    menorintensidad y se excitan las frecuencias naturalesmás bajas.

-     Con el uso del Zoom y el análisis de la señal enel  tiempo,  es  posible  identificar  los  impactosque   se   producen   periódicamente.   Para   bajavelocidad  no  se  obtuvieron  buenos  resultadoscon   estas   técnicas,   pues   la   amplitud   de   losimpactos producidos son muy bajas, además deestar  mezcladas  con  las  componentes  de  bajafrecuencia.

-     Las    técnicas    de    Demodulación    y    Peakvue,entregaron  resultados  similares.  Sin  embargo,las   amplitudes   obtenidas   utilizando   Peakvuefueron   mayores   que   con   la   Demodulación.Resulta  ser  más  ventajoso  el  empleo  de  estastécnicas para aplicaciones de baja velocidad, endonde  por  medio  de  los  otros  métodos  no  seobtuvieron buenos resultados.

Se    debe    tener    presente    que    este    trabajo    fuedesarrollado  en  condiciones  controladas  de  ruido  yvibración.  En  la  industria  se  pueden  encontrar  aúnmás    dificultades    especialmente    para    las    bajasvelocidades al tener en cuenta las diferentes fuentesde   ruido,   las   vibraciones   provenientes   de   otras

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