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Detección de Fallas en Rodamientos a través del Análisis de Vibraciones

Por: MSc. Abraham J. Gassán Primera [email protected]

Centro de Desarrollo en Ingeniería de Mantenimiento C.A.

Contactos: [email protected] / [email protected] / [email protected] / +58-261-3251376 www.cdimca.com

1. Introducción

En análisis de vibraciones representa la técnica más importante para la detección

temprana de fallas en rodamientos que aún se encuentran operativos dentro de máquinas

rotativas.

La técnica es tan eficaz, que a través de ella se puede identificar incluso cuál de los

componentes que conforman al rodamiento en estudio presenta el problema, es decir, si la

falla es en el camino de rodadura de la pista interna o pista externa, elementos rodantes o

en la jaula.

En el presente artículo se ilustrará la forma de cómo detectar la falla de un rodamiento;

específicamente a través del análisis de los ESPECTROS DE FRECUENCIA Vs.

AMPLITUD, adquiridos de una máquina rotativa por medio de un colector-analizador de

vibraciones. Para ello se plasman diversos casos reales donde después de detectado el

problema se desmonta el rodamiento para su respectivo análisis de falla.

2. Fundamentos Teóricos

Los rodamientos (también denominados cojinetes de elementos rodantes) son

componentes de máquinas utilizados para guiar el movimiento giratorio de un eje y/o

alojamiento, disminuir la fricción y soportar las cargas aplicadas según sea el caso.

Existen gran variedad de rodamientos, sin embargo, la mayoría están conformados por

una pista interna, una pista externa, elementos rodantes y una jaula.





Figura N° 1. Componentes de un rodamiento

La superficie sobre la cual giran los elementos rodantes se denomina "superficie de la

pista" o “camino de rodadura” y la carga que actúa en el rodamiento es soportada tanto

por los elementos rodantes como por esta superficie de contacto.

Por tanto todos los rodamientos, independientemente sea su condición de operación,

tienen una vida útil limitada. Esto se debe a que las cargas cíclicas que actúan

constantemente sobre las superficies de las pistas y los elementos rodantes causan el

descascarillado de las superficies en cuestión, falla la cual se cataloga como fatiga.

Figura N° 2. Superficie de la pista interna de un rodamiento con fatiga

Pista interna

Rodamiento Rígido de Bola

Jaula

Elemento Rodante

Elemento Rodante

Pista externa

Pista interna

Jaula

Rodamiento de Rodillo Cilíndrico

Descascarillado producto de la

Fatiga del metal





Debido a este fenómeno, la vida útil de un rodamiento se define usualmente en

términos del número total de revoluciones que un rodamiento puede ejecutar antes de que

se presente la fatiga de las pistas o de los elementos rodantes.

Otros mecanismos de fallas en los rodamientos, son atribuibles a problemas tales

como desgaste abrasivo, corrosión, fractura, Indentación, entre otros. Sin embargo, estos

problemas son usualmente consecuencia de una mala instalación, lubricación inapropiada,

entradas de contaminantes, sobrecargas, inadecuado ajuste o incorrecta selección del

rodamiento.

Independientemente sea el mecanismo de falla, en su gran mayoría el análisis de

vibraciones logra identificar un problema general en el rodamiento en servicio, incluso

cuando la falla se encuentra en su etapa inicial, sin la necesidad de desmontaje previos.

Esta técnica del Mantenimiento Predictivo tiene como principal objetivo asegurar el

correcto funcionamiento de los equipos rotativos a través de la vigilancia continua de sus

niveles de vibración, siendo estos últimos, los indicadores de su condición.

Figura N° 3. Colector-Analizador de vibraciones

Las mediciones de vibración en los equipos rotativos se adquieren a través de un

computador colector y analizador de vibraciones (ver figura N° 3), el cual se conecta por

medio de un sensor a los puntos de toma de datos previamente seleccionado. Los

resultados de estas mediciones son por lo general gráficos de: Niveles Globales de





Vibración, Tiempo Vs. Amplitud de vibración y Frecuencia Vs. Amplitud de vibración; los

cuales permiten analizar la condición de la maquinaria.

En términos vibracionales, existen 4 etapas de fallas identificables en los espectros de

Frecuencia Vs Amplitud, las cuales varían a medida que se va incrementando la severidad

del daño.

Las indicaciones más tempranas de que existen problemas con los rodamientos

aparecen en las frecuencias ultrasónicas y son evaluadas mediante Picos de Energía

(gSE) y HFD. (Etapa 1)

En la Etapa 2 ligeros defectos del rodamiento comienzan a excitar las frecuencias

naturales (Fn) de sus componentes. Esto ocurre predominantemente en un rango de

30.000 a 120.000 CPM. Al final de la etapa 2 aparecen frecuencias de banda lateral

alrededor del pico de frecuencia natural.

En la Etapa 3 aparecen las frecuencias de defectos de los componentes del

rodamiento y sus armónicas. Estas frecuencias son:

- BPFO: Frecuencia de defecto de la pista externa

- BPFI: Frecuencia de defecto de la pista interna

- BSF: Frecuencia de defecto del elemento rodante

- FTF: Frecuencia de defecto de la jaula

Estas frecuencias son propias de cada rodamiento y se pueden calcular a través de las

formulas plasmadas en la figura N° 4. Sin embargo, hoy en día los softwares de análisis de

vibraciones suelen tener una librería actualizada la cual permite una vez configurado el

rodamiento en estudio visualizar la ubicación de estas frecuencia de fallas en el espectro

de FRECUENCIA Vs. AMPLITUD, facilitando en gran medida el análisis.





Durante la etapa 4, la amplitud 1XRPM puede crecer y causar el aumento de

numerosas armónicas de velocidad de giro. Las frecuencias de defecto del rodamiento

comienzan a “desaparecer”, y son reemplazados por un levantamiento del espectro

aleatorio, de banda ancha y alta frecuencia.

Figura N° 4. Etapas de falla de un rodamiento (Extraído de: CHARLOTTE VIBRATION DIAGNOSTIC CHART-1999)

En la gran mayoría de los casos la falla de los rodamientos viene acompañado de un

ruido inusual (el cual puede ser escuchado con un estetoscopio mecánico si la falla se

encuentra en una etapa 3); y en algunos casos podrá evidenciarse el incremento de la

temperatura normal de operación. Todos estos son parámetro medir conjuntamente se

realizar la adquisición de la data de vibraciones, ya que son de gran ayuda al momento de

ratificar una posible falla.





3. Casos Reales de Detección de Fallas en Rodamientos de Máquinas Rotativas

- Caso N° 1. Falla del rodamiento lado acople de un motor eléctrico.

Resultados de la inspección:

Inspección auditiva con estetoscopio mecánico: Ligero ruido del

rodamiento lado acople del motor eléctrico.

Inspección con termómetro infrarrojo: Incremento de 5°C en la

temperatura normal de operación del rodamiento lado acople del motor

eléctrico.

Análisis de vibraciones: En el espectro de Frecuencia Vs. Amplitud (a baja

frecuencia: de 0X a 11X) se observa el surgimiento de un pico a

10.983,5CPM (3,08 X), el cual es asociado al BPFO del rodamiento lado

acople del motor eléctrico. También se observa múltiples frecuencias

armoníacas del BPFO (es decir: 2 BPFO y 3 BPFO)

Diagnóstico: El ruido, aunado al incremento 5° C de temperatura y el

surgimiento del BPFO con sus respectivas armónicas son indicativos de que

el rodamiento lado acople del motor eléctrico presenta un defecto es su pista

externa y la misma se encuentra en etapa 3.





Grafico N° 1: Espectro de Frecuencia Vs. Amplitud rodamiento lado acople de motor eléctrico.

Grafico N° 2: Espectro de Frecuencia Vs. Amplitud en cascada de rodamiento lado acople de motor eléctrico.

BPFO

2BPFO

3BPFO

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Análisis de falla una vez desmontado el rodamiento: Rodamiento con tan

solo 30 días de uso, defecto en la pista externa manifestado por un

descascarillado de color negro en áreas aleatorias de la superficie de la

pista. Este efecto es producido por un mecanismo de falla denominado

Corrosión por Humedad, y entre las posibles causas que pudieron haberlo

promovido se determinó el inadecuado almacenamiento del rodamiento.

Figura N° 5. Superficie de la pista externa del rodamiento

- Caso N° 2. Falla del rodamiento lado acople de una bomba de agua.


Inspección auditiva con estetoscopio mecánico: Ligero ruido del

rodamiento lado acople de la bomba.

Inspección con termómetro infrarrojo: No existe incremento de la

temperatura respecto a la última medición.

Descascarillado color negro: Corrosión por

Humedad





Análisis de vibraciones: En el espectro de Frecuencia Vs. Amplitud (a baja

frecuencia: de 0X a 10X) se observa el surgimiento de un pico a 5.834,1CPM

(4,89 X), el cual es asociado al BPFI del rodamiento lado acople de la

bomba. También se observa múltiples frecuencias armoníacas del BPFI tanto

en el espectro de baja frecuencia como en el de alta frecuencia.

Diagnóstico: El ruido, aunado al surgimiento del BPFI con sus respectivas

armónicas son indicativos de que el rodamiento lado acople de la bomba

presenta un defecto es su pista interna y la misma se encuentra en etapa 3.

Grafico N° 3: Espectro de Frecuencia Vs. Amplitud (baja frecuencia) del rodamiento lado acople de la bomba

BPFO 2 BPFO

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Grafico N° 4: Espectro de Frecuencia Vs. Amplitud (alta frecuencia) del rodamiento lado acople de la bomba

Análisis de falla una vez desmontado el rodamiento: Equipo con

operación continua y estable durante un año. Después de estar fuera de

servicio 2 meses se inicia la falla. La pista interna del rodamiento presenta

falla por Indentación, evidenciado por las marcas equidistantes de los

elementos rodantes que deformaron la superficie de la pista mientras el

rodamiento estuvo fuera de servicio. Posible causa: alta vibración transmitida

desde los equipos a su alrededor, lo cual promovió la falla por Indentación.

Figura N° 6. Superficie de la pista interna del rodamiento

Indentación

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- Caso N° 3. Falla de uno de los rodamientos lado libre de un soplador de lóbulo


Inspección auditiva con estetoscopio mecánico: Fuerte ruido de uno de

los rodamientos libre de un soplador de lóbulo.

Inspección con termómetro infrarrojo: No se logró medir temperatura.

Análisis de vibraciones: En el espectro de Frecuencia Vs. Amplitud (a alta

frecuencia: de 0X a 160X) se observa un levantamiento aleatorio del

espectro.

Diagnóstico: El fuerte ruido, aunado al levantamiento aleatorio del espectro

son indicativos de que el rodamiento lado libre del soplador de lóbulo

presenta un defecto en su etapa final, por lo que requiere la intervención

inmediata.

Grafico N° 5: Espectro de Frecuencia Vs. Amplitud (alta frecuencia) lado libre del soplador de lóbulo

Levantamiento del espectro a alta frecuencia

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Análisis de falla una vez desmontado el rodamiento: Descascarillado del

mismo color del metal en los elementos rodantes, indicativo de que el

rodamiento fallo por fatiga.

Figura N° 7. Elementos rodantes del rodamiento

Autor

Abraham J. Gassán Primera es Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” (UNEXPO), Vice-rectorado Barquisimeto - Edo. Lara. Venezuela. Cuenta con un Diplomado en Mantenimiento Industrial de la Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín (URBE), Maracaibo - Edo. Zulia; y es Magíster Scientiarum en Gerencia de Empresas, Mención: Gerencia de Operaciones egresado de La Universidad del Zulia (LUZ), Maracaibo - Edo. Zulia.

Durante su trayectoria académica ha obtenido diversas certificaciones internacionales tales como: Vibration Analyst: Level III; por Vibration Institute / Machinery Lubrication Technician Level I (MLT I); por International Council for Machinery Lubrication / Thermographer Level I; por Infrered Training Center (ITC) / Ultrasonido Nivel I; por American Society For Nondestructive Testing (ASNT). Cuenta con diez (10) años experiencia como Ingeniero de Equipos Rotativos y Estáticos, y Supervisor General de Mantenimiento Mecánico, en la planta de Polipropileno de Venezuela Propilven S.A., en el Complejo Petroquímico Ana María Campos - Edo. Zulia; y cinco (5) años como Director General del Centro de Desarrollo en Ingeniería de Mantenimiento C.A.

Descascarillado producto de la

Fatiga del metal





Entre sus trabajos más destacados se pueden mencionar: - Auditorias a sistemas de gestión de mantenimiento.

- Diseño y puesta en marcha de programas de mantenimiento predictivo en equipos rotativos basados en las técnicas de: análisis de vibraciones, termografía infrarroja, análisis de aceite y ultrasonido.

- Desarrollo y puesta en marcha de programas de evaluación de integridad mecánica de recipientes a presión y líneas de tuberías, basado en los códigos API y ASME.

- Creación de programas de lubricación de maquinarias en plantas de manufactura.

- Diseño y mejora continua de planes de mantenimiento preventivo de equipos rotativos.

- Elaboración de alcances y supervisión de trabajos de reemplazo de tuberías corroídas y corrección de fugas de vapor durante los paros generales de planta.

- Supervisión de actividades rutinarias de mantenimiento predictivo, preventivo y correctivo en maquinarias.

- Planificación y supervisión general de Paros de Planta.

- Asesorías técnicas en el área de Gestión de Mantenimiento Industrial a empresas.

- Adiestramiento en el área de Gestión y Mantenimiento.

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