Causas de fallas en los Rodamientos

Los principales fabricantes de rodamientos cuentan  con  estadísticas  donde  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 problema de ensamblado.

¿Las fallas afectan la calidad de producto?

¿Cuál es la disponibilidad de la maquinaria para el remplazo 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, éstos generalmente se encuentran en alguna de las cuatro  diferentes  etapas  de falla, las cuales describiremos a continuación:

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, huellas microscópicas (<40 micras)="" se="" producen="" 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="">40>

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, desprendimiento excesivo podemos decir que estamos en la Etapa 4 y etapa final en la falla del rodamiento. Sólo queda el 1% de la vida útil o tal vez una revolución.

Fase de Detección

La fase de detección es la fase más importante, ya que se utiliza para identificar posibles fallas ó 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 el 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 medición única ó tecnología que proporcione una visión dentro de las fallas en rodamientos al 100%. Más aún, 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.

El  Análisis  de   la   firma   eléctrica   (ESA)

(Electrical   Signature   Analysis   -   ESA).   Está demostrando ser una herramienta muy efectiva para identificar fallas incipientes en la  Fase de Detección del PdM.

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. Y estas fallas 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 Generados por los Rodamientos ó Frecuencias de Falla de los elementos rodantes del Rodamiento

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 de

La  flecha  concéntrica  ó maquinados de esta, así como la excentricidad del alojamiento,  puede  variar las frecuencias de falla en las primeras etapas.

Ahora revisaremos cada una 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 en cada una de las etapas.

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, y esto 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.

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 son 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.

Con forme la falla progresa la rigidez de los componentes disminuya, esta  reduce  la  frecuencia natural de los componentes. Esto causa que las señales se acerquen a la  frecuencia natural del sensor 25kHz 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 ó disminuyan.

Estos métodos han demostrado ser muy eficaces, pero también están limitadas en su capacidad para detectar otros tipos de faltas.

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 de falla progresa incrementa la intensidad de las señales. Estas señales intensas entonces excita la frecuencia natural del sistema. La frecuencia natural del sistema incluye 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. El sistema de frecuencia natural generalmente está en el rango de 500 a 2000 Hz. En muchos casos, estas señales están escondidas en la vibración global de la máquina.

ESA identifica fallas en las maquinas 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, pero estas   no se presentan en el espectro de Voltaje, esto nos indica que la falla posiblemente proviene  de la máquina o del proceso. En algunos casos estas señales han estado presentes en  la  firma eléctrica antes de la mayor parte de los métodos de monitoreo mecánicos estándar que muestran un problema.

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 es ahora una falla temprana, es decir, Etapa 2

Los fabricantes de instrumentos y rodamientos publican tablas o  cálculos de frecuencias de falla. Es decir, BPFO = 4.68X,  BPFI 7.32X velocidad  de operación.

Es muy importante separar esto de otras fallas de maquinas, las cuales son siempre múltiplos exactos de la velocidad de operación.

Las frecuencias de falla calculadas generalmente no son exactas. Por lo tanto, la frecuencia calculada usualmente difiere de la frecuencia medida. Estas variaciones en los defectos de la frecuencia real son generalmente dentro del 5 a 10% de las frecuencias calculadas.

Si el BPFO y las frecuencias de BPFI se suman siempre serán igual número de elementos rodantes. X, BPFI será Nb X 0.6.

La amplitud de la señal no indica la severidad de la falla del  rodamiento,  pero es la  más frecuencia más importante de falla de rodamiento.

Las Frecuencias de Falla de Rodamiento (Bearing Defect Frequencies - BDF) generadas en    el espectro de ESA son normalemente las mismas frecuencias que en análisis de vibraciones   ó el  espectro mecánico. Sin embargo, las frecuencias aparecen primero en el espectro de   ESA que en el espectro mecánico. Esta vibración es un requisito para un sistema de medición de vibraciones detecte esta condición.

Cuando las señales aparecen en el BDF o múltiplos 2X  BDF, o 3X BDF, etc. El rodamiento  está ahora en una Etapa 3 de defecto de falla temprana.

En la Etapa 3, como la falla continua el elemento se sigue deteriorando, la amplitud de las frecuencias de falla comenzará a modular o truncar. Esto hará que el espectro desarrolle bandas laterales alrededor del BDF o armónicos del BDF

Cuando las bandas laterales aparecen alrededor del BDF o una serie de armónicos están presentes, el rodamiento está ahora en una etapa de falla tardía 3. Y entonces ahora se recomienda que se cambien los rodamientos.

Las normas para la detección de Etapa 3 de elementos rodantes de rodamiento usando ESA son los mismos que para el análisis de vibraciones.
Algo muy importante es notar que hay frecuencias de falla y si las frecuencias de falla están presentes, el rodamiento se ha dañado.

En esta etapa, la mayoría si no es que todos los indicios de falla de rodamiento tienden a desaparecer; Los espectros  del  BDF,  bandas  laterales  y armónicos. Además, el ruido de fondo de todo el espectro puede incrementarse ya que la frecuencia generada no ocurrirá exactamente  al mismo tiempo del intervalo.

En muchos casos ESA ha identificado fallas en rodamientos tan temprano como la Etapa 2. Estas fallas han sido  confirmadas  usando el método de Aceleración Envolvente. Las frecuencias en el espectro ESA fueron las mismas que estaban usando en la Aceleración Envolvente.

Bandas laterales de la línea de frecuencia que están presentes en el espectro de corriente,  pero no están presentes en el espectro de Voltaje, indican que la falla proviene de la máquina   ó del proceso.

Los espectros de frecuencia de falla que aparecen en ESA, serán las mismas frecuencias que el espectro de análisis de vibraciones. En ambos casos, esto     indica     que     el     rodamiento     se     ha     alcanzado     la     Etapa     3     de     falla.

También aparece en 2 X su BPFI como bandas laterales a la frecuencia de línea (50 Hz) alrededor del sistema 70748 CPM ≈ 1179.13 Hz.

P O T E N C I A

D E

E N T R A D A

C O N T R O L

C O N E X I O N E S

C A B L E S

E S T A T O R

E L E C T R I C O

E S T A T O R

M E C A N I C O

R O T O R

E N T R E H I E R R O

A I S L A M I E N T O

R O D A M I E N T O S

A L I N E A C I O N

D E S B A L A N C

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C A R G A

D R I V E

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Para mas información, por favor ir al sitio www.Alltestpro.Como por e-mail [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