Detección Temprana de Falla en Rodamientos

KEVIN BRENES VALVERDE,

201115139

LUIS ROJAS MEZA,

201136824

PROF. ING. FERNANDO BONILLA LORENZO

Deteccin temprana de falla en rodamientos

Mantenimiento Predictivo MI-6351

Escuela de Ingeniera Electromecnica

Ingeniera en Mantenimiento Industrial.

Canadian Engineering Accreditation Board

Bureau canadien daccrditation des

programmes dingnierie

CEAB

Carrera evaluada y acreditada

por

Tecnolgico de Costa Rica Mantenimiento Predictivo

Deteccin temprana de falla en rodamientos i

Contenido

1. Introduccin .................................................................................................... 1

2. Rodamientos .................................................................................................. 2

2.1 Concepto.................................................................................................. 2

2.2 Partes ...................................................................................................... 3

3. Clasificacin de defectos en rodamientos ......................................................... 4

3.1 Defectos Localizados: ............................................................................... 4

3.2 Defectos Distribuidos:................................................................................ 4

3. Frecuencias de falla en rodamientos ................................................................ 5

4. Etapas de fallas en rodamientos ...................................................................... 6

5. Tcnicas de diagnstico de fallas ..................................................................... 8

5.1 Demodulacin........................................................................................... 9

5.2 PeakVue ................................................................................................ 11

5.3 Cepstrum ............................................................................................... 12

5.4 Envolvente aceleracin ........................................................................... 13

6. Bibliografa ................................................................................................... 15


Deteccin temprana de falla en rodamientos ii

ndice de Figuras

Figura 1. Diferentes clases de rodamientos............................................................. 2

Figura 2. Partes de un rodamiento de bolas ............................................................ 3

Figura 3. Defecto localizado. Picaduras .................................................................. 4

Figura 4. Fase 1 de falla en un rodamiento ............................................................. 6




Figura 8. Generacin de impactos por la presencia de un defecto. ........................... 8

Figura 9. Forma de onda registrada en el rodamiento defectuoso. .......................... 10

Figura 10. Forma de onda demodulada ................................................................ 10

Figura 11. Anlisis de vibraciones de impacto. PeakVue........................................ 12

Figura 12. Espectro de vibraciones. Cepstrum ...................................................... 13

Figura 13. Anlisis de vibraciones de impacto. Envolvente de aceleracin .............. 15


Deteccin temprana de falla en rodamientos 1

1. Introduccin

La presente investigacin describe una resea del concepto de los rodamientos, sus

partes y funcin. Adems las cuatro etapas de falla que sufren durante un fallo tpico

de fatiga.

Se describe de manera detallada los mtodos de anlisis para detectar de manera

temprana el fallo en el rodamiento, as como sus ventajas y desventajas.

La vida til de los rodamientos depende de una serie de factores como lo son la carga,

la velocidad de trabajo, la lubricacin, la temperatura, las fuerzas exteriores causadas

por desalineaciones, etc., por lo que resulta difcil determinar su duracin por medios

de anlisis. La importancia y criticidad de estos elementos hace necesaria la utilizacin

de tcnicas modernas de mantenimiento predictivo que contribuyan a un mejor

reconocimiento de su estado y, por lo tanto, de la disponibilidad de las mquinas

rotativas en las que estn instalados.

Debido al bajo costo y alta confiabilidad de los rodamientos, estos elementos son

comnmente utilizados en la industria. Los fabricantes de rodamientos proporcionan

procedimientos de mantenimiento muy detallados, mtodos de lubricacin y

procedimientos de operacin para maximizar la vida de este importante elemento de

la maquinaria y siguiendo estas prcticas se puede lograr una larga vida en los

rodamientos. Si los daos o defectos son detectados antes de que suceda una falla

catastrfica, normalmente la reparacin es mnima en referencia a costos y tiempo de

paro, nicamente se resuelve con el cambio del rodamiento.



2. Rodamientos

Antes de iniciar el estudio de las tcnicas existentes para predecir las fallas en los

rodamientos, es necesario tener claro el concepto del mismo, sus partes principales,

as como sus funciones en los elementos mecnicos.

2.1 Concepto

Se define como rodamiento al cojinete que minimiza la friccin que se produce entre

el eje y las piezas que estn conectadas a l. Est formado por un par de cilindros

concntricos, separados por una corona de rodillos o bolas que giran de manera libre.

Existen diferentes clases de rodamientos de acuerdo al tipo de esfuerzo que deben

soportar en su funcionamiento. Algunos de sus tipos son:

Rgidos de bolas

De agujas

De rodillos cnicos

Axiales de bolas

Fuente: https://rodavigo.net/blog/?m=201405

Figura 1. Diferentes clases de rodamientos



2.2 Partes

Los rodamientos se componen bsicamente de 4 componentes que su funcionamiento

conjunto dan lugar a la funcin primordial del dispositivo. Las cuatro partes son:

Anillo exterior: Normalmente se encuentra dentro del alojamiento de la

mquina y es fijo, las tolerancias de montaje son muy cerradas, normalmente

en micras m.

Anillo interior: Es aquel que normalmente gira con el eje. Tiene un ajuste muy

justo en el eje. Es difcil prevenir el desgaste prematuro.

Bolas: Permiten la accin rodante entre los anillos interior y exterior. Los

elementos rodantes reducen la friccin al deslizarse directamente en las pistas

de rodadura y permiten movimiento relativo de los dos anillos.

Jaula: es la encargada de mantener los elementos rotativos en su lugar,

evitando que se salgan.

Fuente: http://sinais.es/Recursos/Curso-vibraciones/rodamientos/frecuencias_rodamientos.html

Figura 2. Partes de un rodamiento de bolas



3. Clasificacin de defectos en rodamientos

Los defectos en los rodamientos pueden tener una clasificacin de acuerdo al tipo de

defecto que se puede encontrar en alguna de sus partes. Los defectos se clasifican

en:

3.1 Defectos Localizados:

Estos defectos son producidos generalmente por grietas, hendiduras, rebordes

y picaduras. El ms comn de todos es la picadura de las pistas o de los

elementos rodantes, causado cuando una grieta por fatiga que se propaga hacia

la superficie hasta que una pieza de metal se desprende superficialmente

produciendo un pequeo defecto. La falla por fatiga superficial es acelerada

cuando el rodamiento est sobrecargado o sometido a cargas de impacto

durante su funcionamiento y tambin con el incremento de velocidad.

3.2 Defectos Distribuidos:

En estos se encuentran las rugosidades superficiales, ondulaciones sobre las

pistas, desalineamiento de las pistas y elementos rodantes desiguales. Pueden

ser causados por errores en la manufactura, inadecuada instalacin o debidos

al desgaste. Las vibraciones debidas a defectos de manufactura han resultado

ser ms bajas en la mayora de los casos.

Fuente: http://sinais.es/Recursos/Curso-vibraciones/rodamientos/defectos_rodamientos.html

Figura 3. Defecto localizado. Picaduras



3. Frecuencias de falla en rodamientos

Como se mencion anteriormente los rodamientos estn conformados principalmente

por cuatro partes. Cada una de estas generar frecuencias caractersticas en los

espectros que nos permitir de manera sencilla una fcil y rpida identificacin. Las

cuatros frecuencias son:

BPFO: generar un frecuencia si el problema se presenta en la pista exterior

BPFI: frecuencia generada si el deterioro se da en la pista interior.

BSF: se presenta cuando se da un deterioro en los elementos rodantes.

FTF: frecuencia fundamental de giro de la jaula, se presenta al darse algn

deterioro en la misma.

Las lecturas de vibracin a alta frecuencia son el primer indicador del inicio de deterioro

de un rodamiento, ya que los impactos de un pequeo defecto suelen excitar las

frecuencias naturales de las pistas de rodadura (a alta frecuencia). Estas medidas se

realizan en unidades de aceleracin en la banda comprendida entre 1 y 20 kHz.

Defectos idnticos en las dos pistas de rodadura de un mismo rodamiento se

caracterizan porque las amplitudes de las frecuencias de defecto de la pista interior

sern menores que las amplitudes de las frecuencias de defecto en la pista exterior.

Cuando hay deterioros importantes del rodamiento pueden desaparecer frecuencias

individuales y aparecer bandas anchas de energa que suelen indicar cambios en la

geometra del rodamiento.

Los fallos ms frecuentes de los componentes de un rodamiento se suelen dar en el

orden siguiente: pista exterior, pista interior, elementos rodantes y finalmente en la

jaula. Esto ocurre siempre y cuando el rodamiento haya sido correctamente montado.



4. Etapas de fallas en rodamientos

Como una manera de determinar de forma ms sencilla las fallas en los rodamientos

los investigadores realizaron diversos estudios que demuestran que los rodamientos

trabajan en condiciones ptimas 80% de su vida til, y cuando se da la falla, esta se

presenta en una de las cuatro etapas establecidas. Las cuatro etapas son:

Etapa 1: El rodamiento se encuentra en casi perfecto estado con lo cual en el

espectro slo se aprecian la frecuencia de giro y posiblemente algunos de sus

armnicos. En esta etapa el defecto no es visible al ojo humano. Las fallas de

los elementos rodantes normalmente se producen por debajo de la superficie

de las pistas de rodadura. Se estima que tienen un 20% de vida til restante.

Fuente: http://sinais.es/Recursos/Curso-vibraciones/rodamientos/deterioro_rodamientos.html

Etapa 2: Aparecen lecturas de vibracin a alta frecuencia, las cuales

constituyen el primer indicador del inicio del deterioro de un rodamiento. Dichas

lecturas se deben a impactos, provocados por un pequeo defecto, que suelen

excitar las frecuencias naturales de las pistas de rodadura a alta frecuencia. Se

estima que tienen el 10% de vida til restante.


Figura 4. Fase 1 de falla en un rodamiento




Etapa 3: Aparecen las frecuencias caractersticas de defectos y sus armnicos.

Se ve un incremento de la vibracin de un 10%. A medida que el dao progresa

se incrementa la magnitud de los armnicos de las frecuencias de fallo y

aumenta la aceleracin a alta frecuencia. El seguimiento de su evolucin nos

permite planificar su cambio con la suficiente antelacin. La vida til en este

momento se ve limitada al 5%.


Etapa 4: Esta es la fase final del rodamiento. Aparece ruido de fondo detectable

en aceleracin a alta frecuencia. Se puede presentar desgaste, grietas mltiples

y desprendimiento excesivo. Muchas veces los rodamientos comienzan a

deformarse y la jaula puede desintegrarse o romperse. Aumenta la amplitud de

1x RPM y sus armnicos y disminuyen o desaparecen las frecuencias de fallo

enmascaradas en el ruido de fondo. Solo queda el 1% de la vida til.






5. Tcnicas de diagnstico de fallas

El estudio espectral y de la onda en el tiempo es determinante a la hora de diagnosticar

un deterioro de un rodamiento permitiendo por comparacin de la evolucin de las

amplitudes espectrales, llegar a predecir el grado de deterioro y planificar su cambio

con la suficiente antelacin.

Diferentes mtodos han sido utilizados para la deteccin y diagnstico de defectos de

rodamientos, estos mtodos son principalmente:

Anlisis de vibracin, ruido y ondas

Anlisis de temperatura

Anlisis de partculas en el aceite.

Debido a la presencia de defectos localizados, se producen cambios abruptos en los

esfuerzos de contacto en las interfaces, lo cual resulta en la generacin de pulsos de

muy corta duracin, que pueden excitar las frecuencias naturales de las pistas y

soporte del rodamiento

Fuente: http://www.mantenimientoplanificado.com/art%C3%ADculos%20PREDICTIVO_archivos/

galileo.dim.edec.cl%20lmv/articulo_rodamientos_CHILE1.pdf

Figura 8. Generacin de impactos por la presencia de un defecto.



Los anlisis de vibraciones son consideradas tcnicas como las herramientas ms

efectivas para diagnosticar tempranamente la presencia de defectos en los

rodamientos. Buscan principalmente detectar zonas resonantes excitadas o

moduladas por fuerzas de impacto peridicas, cuya frecuencia de repeticin es un

indicador del lugar donde se encuentra el defecto y la amplitud de la seal de los

impactos puede ser utilizada en algunos casos como un indicador de la severidad y

progresin de la falla.

Un instrumento efectivo para mantenimiento predictivo debe ser porttil, ligero, realizar

pruebas repetitivas, realizar pruebas no destructivas y no intrusivas. Existen muchas

tecnologas e instrumentos que pueden llevar a cabo este proceso tan importante. Sin

embargo, no existe medicin nica o tecnologa que proporcione una visin dentro de

las fallas en rodamientos al 100%. Ms an, muchas de las tcnicas disponibles son

especiales para la deteccin de estas fallas, pero tienen una capacidad limitada para

identificar otros problemas en la maquinaria.

Se expondrn una serie de tcnicas utilizadas en mantenimiento basado en condicin

para la deteccin temprana de falla en rodamientos. Las tcnicas descritas sern:

Demodulacin

PeakVue

Cepstrum

Envolvente aceleracin

5.1 Demodulacin

El proceso de demodulacin consiste en obtener, a partir de la vibracin original

generada por una falla en el rodamiento, una nueva seal que contenga nicamente

la seal modulada o creadora de la falla, eliminando as, la seal portadora u onda de

frecuencia natural. Una mejor explicacin se da mediante el siguiente ejemplo: Si se

tiene un rodamiento con una falla en su camisa exterior, cada vez que una bola pase

por la falla se producir un clic. Cuando se realiza el anlisis de vibraciones



correspondiente, se observan picos armnicos de la BPFO (frecuencia de deterioro de

la pista exterior) relacionados con el defecto en el rodamiento. Sin embargo, la seal

de vibracin tambin contiene nuevas distorsiones llamadas seal portadora, las

cuales son eliminadas mediante el procedimiento de demodulacin.

Fuente: www.sinais.es

Fuente: www.sinais.es

Ventajas de la demodulacin:

Medidas con mucha vibracin aleatoria: Este procedimiento permita eliminar las

vibraciones generadas por los mismos equipos, que producen ruido en el

espectro, que puede ocultar un desgaste severo en rodamientos, pues pueden

llegar a tener frecuencias similares.

Medidas a baja velocidad: Permite diagnosticar problemas en rodamientos a

velocidades menores a 60 rpm, pues la frecuencia resonante del rodamiento

sigue siendo de alta frecuencia, detectable bajo este procedimiento.

Figura 9. Forma de onda registrada en el rodamiento defectuoso.

Figura 10. Forma de onda demodulada



Deteccin temprana: Permita la deteccin lo ms temprana posible de fallas en

rodamientos, pues muestran el inicio del deterioro antes que se vuelva lo

suficientemente fuerte como para aparecer en el espectro estndar.

Mayor capacidad de diagnstico: Si una falla se observa en el espectro estndar

y adems en el espectro de demodulacin, se puede concluir que se trata de

una falla de rodamientos.

5.2 PeakVue

Es una tcnica de anlisis para seales generadas a alta frecuencia, que fue diseada

por CSI, con el objetivo de estudiar el comportamiento de elementos cuyas fallas se

aprecian a altas frecuencias y a baja amplitud, tal es el caso de los rodamientos.

Es importante hacer notar que los rodamientos generan fallas a una alta frecuencia y

a una pequea amplitud, pero solo en una etapa incipiente de defecto, que dicho sea

de paso, es cuando se quiere descubrir, ya que cuando este desperfecto o falla avanza

en el tiempo aumentan las amplitudes y aparecen las frecuencias caractersticas de

falla en rodamientos, y es cuando ya se hace necesario la reparacin o el cambio.

Esta tcnica capta el valor pico de los impactos que se producen y luego por medio de

un anlisis espectral obtiene la frecuencia de repeticin de los impactos. Detecta la

presencia de las ondas de esfuerzo debidas principalmente al contacto metal-metal

durante una etapa temprana de falla.

Al igual que la demodulacin, asla las zonas resonantes por medio de filtros digitales

pasa alto o pasa banda, pero se diferencia del proceso de demodulacin en que en la

etapa final no emplea el detector de envolvente, sino que utilizando una frecuencia de

muestreo alta (100 kHz) capta el valor pico para cada intervalo t del tiempo de

muestreo normal.



Fuente:http://www.mantenimientoplanificado.com/art%C3%ADculos%20PREDICTIVO_archivos/


5.3 Cepstrum

El Cepstrum es el espectro del logaritmo del espectro de vibracin y este anlisis

permite poder descubrir periodicidades de armnicos presentes en un espectro.

Esta herramienta trabaja en zonas donde se percibe alta resonancia, siendo su

alcance ms importante, su capacidad para identificar las familias armnicas de

frecuencias excitadas, en un anlisis a altas frecuencias.

Cada vez que pasa un elemento rodante por el defecto, se provoca un pequeo

impacto y como son varios elementos que impactan alternadamente generan una

secuencia de golpes en un periodo muy corto de tiempo, solo apreciable a una alta

frecuencia.

El Cepstrum da una representacin ms estable de los problemas de modulacin ya

que efecta una promediacin de toda la actividad de las bandas laterales.

El espectro de una mquina rotatoria puede ser un poco complejo, puede contener

muchos grupos de armnicas de las partes rotativas y tal vez varios grupos de bandas

Figura 11. Anlisis de vibraciones de impacto. PeakVue



laterales ocasionadas por modulaciones. Debido a que el Cepstrum tiene picos

correspondientes al espaciamiento de las armnicas y de las bandas laterales, pueden

ser ms fcilmente identificables. Usando un grupo de reglas especficas, el sistema

automticamente compara estas frecuencias con los picos en el espectro que no estn

relacionados con ninguna frecuencia forzada fundamental de la mquina. Si encuentra

alguna coincidencia, entonces el pico del espectro se considera como un posible tono

de rodamiento, y se pasa a otra parte del Sistema Experto para aplicar las reglas

bsicas de diagnstico.

El Cepstrum tambin distingue entre los patrones de falla de los rodamientos

desgastados y otros problemas como ruido por flujo o cavitacin.

Fuente: http://www.vibrotek.com/articles/sv95/part1/index.htm

5.4 Envolvente aceleracin

En los rodamientos ocurre una determinada forma de modulacin de la amplitud

cuando los impactos causados por pequeas grietas en las pistas con elementos

rodantes generan resonancias en los mismos. Las frecuencias de resonancias son por

lo general muy altas, estimadas entre 2 kHz y 10 kHz. Las resonancias tienen una alta

amortiguacin, debido al montaje fsico del rodamiento, y eso producir una serie de

Figura 12. Espectro de vibraciones. Cepstrum



impactos muy cortos al ritmo de las bolas pasando por la falla. Resultando cada golpe

en la frecuencia de resonancia y a la distancia del periodo de la frecuencia de paso de

bolas.

Esto se debe a que los impulsos causados por las bolas encontrando la grieta, son

muy breves en el tiempo, y contienen muy poca energa. El ruido aleatorio en el

espectro tiende a ensuciar la medicin haciendo difcil encontrarlos especialmente

cuando la falla de rodamiento comienza a desarrollarse. Para estos casos es

fundamental contar con una herramienta como la del Espectro de Envolvente,

correctamente configurada. Este espectro mostrar las frecuencias de falla de

rodamiento, con muy bajo ruido y sus armnicos, siendo fcilmente identificables.

La tcnica de la envolvente permite extraer las frecuencias de inters a partir de la

definicin de la seal modulada. Este proceso implica el uso de una secuencia de

operaciones con la seal de vibracin que inicia con la eliminacin de componentes

de baja frecuencia asociadas a otras condiciones del equipo rotativo, como

desbalanceo o desalineamiento. Posteriormente, se demodula la seal a travs de la

Transformada de Hilbert, encargada de rectificar la seal y determinar la seal

envolvente con una frecuencia que corresponde a los valores de BPFO y BPFI. Como

ltima etapa se eliminan las altas frecuencias y se obtiene del espectro de la seal

resultante.



Fuente: http://www.mantenimientoplanificado.com/art%C3%ADculos%20PREDICTIVO_archivos/


6. Bibliografa

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http://www.sinais.es/Recursos/Tutoriales/Demodulacion/que-es-la-demodulacion.html

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Saavedra, P. Estupian, E. (s.f.) Tcnicas de diagnstico para el anlisis de

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http://www.mantenimientoplanificado.com/art%C3%ADculos%20PREDICTIVO_archi

vos/galileo.dim.edec.cl%20lmv/articulo_rodamientos_CHILE1.pdf

Figura 13. Anlisis de vibraciones de impacto. Envolvente de aceleracin



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Moncada, C. (2002). Estudio de fallas comunes en rodamientos rgidos de una hilera

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http://www.confiabilidad.net/assets/uploads/docs/DETECTANTO_FALLAS_EN_ROD

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Quiroga, E. Trujillo, G. Quintero, S. Estudio de fallas incipientes en rodamientos

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