Cómo el análisis de vibraciones detecta el desgaste de rodamientos en enfriadores industriales

En este caso de estudio, se identificó un defecto en la pista exterior de un rodamiento en un enfriador de aire acondicionado de 1.250 toneladas (4.400 kW) utilizando equipos portátiles de análisis de vibraciones y software comercialmente disponibles.

El enfriador es un compresor centrífugo de una sola etapa equipado con un rodamiento de empuje de elementos rodantes en el extremo libre del motor y un rodamiento de manga en el extremo de acoplamiento. El enfoque diagnóstico ilustrado aquí se aplica a cualquier máquina rotativa —bombas, ventiladores, engranajes— que utilice rodamientos de contacto rodante.

Herramientas de análisis de vibraciones

En el último cuarto de siglo, las herramientas de medición de vibraciones han evolucionado drásticamente. Para la mayoría de la maquinaria industrial, un acelerómetro triaxial sigue siendo el sensor de elección. Aunque la salida bruta es proporcional a la aceleración, normalmente se integra y expresa en unidades de velocidad. Todos los datos de este caso se recopilaron con un clúster de acelerómetro triaxial, ilustrado en la Figura 2.

Figura 1. Enfriador mostrando la ubicación de la prueba de vibración en las carcasas de los rodamientos del motor.

Figura 2. Esquema de un clúster de acelerómetro triaxial (izquierda) montado con perno en la base de montaje de disco de bronce (abajo a la derecha). El clúster contiene tres acelerómetros, cada uno mutuamente perpendicular a los demás. La recopilación de datos de vibración se activa mediante un código de barras que configura automáticamente el colector de datos, registra y almacena los datos.

La base de montaje está rigidamente unida a la carcasa del rodamiento del motor, y el clúster triaxial se monta con perno, permitiendo la recopilación simultánea de los tres ejes.

La configuración basada en código de barras garantiza una recopilación de datos repetible y precisa, independientemente de quién realice la prueba. Las condiciones operativas consistentes producen datos consistentes cuando el estado mecánico de la máquina permanece inalterado.

Las opciones de procesamiento de señal varían según el detalle deseado. Los programas rutinarios de mantenimiento predictivo suelen recopilar dos tipos de datos:

Nivel global: Una medición de vibración de banda ancha que representa la amplitud total sobre un amplio rango de frecuencias. Es económico de recopilar, procesar y tendenciar.

Banda estrecha: Usando una Transformada Rápida de Fourier (FFT), la señal de vibración se descompone en frecuencias discretas, mostradas como un gráfico espectral 2D de amplitud versus frecuencia. En este caso, cada espectro contiene 800 picos discretos, ofreciendo una resolución de frecuencia fina.

Criterios de aceptación de vibraciones

¿Qué nivel de vibración es aceptable para un enfriador de 1.250 toneladas (4.400 kW)? El fabricante emplea una especificación de banda ancha de aprobado/reprobado de 0,25 in/s (pico). Los límites de aceptación suelen expresarse como criterios absolutos o relativos.

La Tabla de Severidad de Vibración de Maquinaria General de IRD, resumida en la Tabla 1, es una referencia absoluta ampliamente utilizada. Cada banda de condición está separada por un factor de dos en velocidad, correspondiente a un cambio de 6 dB en VdB.

Tabla 1. Tabla de Severidad de Vibración de Maquinaria General IRD

Condición de la maquinaria	Velocidad (in/s pico)	Velocidad (VdB)
Muy rugosa	>0,628	>121
Rugosa	0,314 < V < 0,628	115 < VdB < 121
Ligeramente rugosa	0,157 < V < 0,314	109 < VdB < 115
Regular	0,0785 < V < 0,157	103 < VdB < 109
Buena	0,0392 < V < 0,0785	97 < VdB < 103
Muy buena	0,0196 < V < 0,0392	91 < VdB < 97
Suave	0,0098 < V < 0,0196	85 < VdB < 91
Muy suave	0,0049 < V < 0,0098	79 < VdB < 85
Extremadamente suave	<0,0049	<79

Tabla 1. La tabla IRD ofrece una visión graduada de la condición de la máquina para frecuencias entre 1,6 y 1.667 Hz, aplicable a la mayoría de equipos rotativos.

Los criterios absolutos son adecuados para pruebas de aceptación, pero el mantenimiento predictivo exige criterios relativos más sensibles. Los límites relativos se derivan promediando espectros de vibración de varias máquinas idénticas bajo cargas similares. Para este estudio, se promediaron espectros de 12 enfriadores idénticos. Las bases de disco de bronce se montaron idénticamente, y los datos se recopilaron con cada enfriador funcionando aproximadamente al 80 % de carga nominal.

Tras revisión manual, se establecieron espectros base y se calcularon desviaciones estándar. Se generó entonces una máscara de "promedio + 1 σ". Estadísticamente, alrededor del 85 % de las amplitudes de vibración deberían caer por debajo de esta máscara. A diferencia de los límites de aprobado/reprobado definidos por el proveedor, este enfoque relativo adapta los rangos aceptables al equipo específico.

Figura 3. Criterios de aceptación relativos para el enfriador de 1.250 toneladas, generados a partir de 12 unidades idénticas. El espectro azul es el promedio; la curva roja es el promedio + 1 σ. Para comparación, se superpone la Tabla de Severidad IRD.

Figura 4. Datos base de dos instalaciones: Planta A (seis espectros superiores) y Planta B (seis espectros inferiores). Cada planta alberga 18 enfriadores idénticos. La velocidad de operación de la Planta B (2.982 rpm) refleja una entrada de 50 Hz típica de Europa. Los datos representan el rodamiento del motor en el extremo libre.

Problemas de rodamientos anti-fricción

Las fallas de rodamientos se encuentran entre los problemas más comunes detectados por análisis de vibraciones. Los defectos tempranos se manifiestan como componentes de vibración a frecuencias que no son múltiplos de la velocidad de rotación del eje. Estas frecuencias no síncronas están determinadas por la geometría del rodamiento y pueden aproximarse con las siguientes reglas:

Frecuencia de Paso de Bolas Pista Exterior (BPFO) = nº de rodillos × velocidad del eje × 0,4

Frecuencia de Paso de Bolas Pista Interior (BPFI) = nº de rodillos × velocidad del eje × 0,6

Frecuencia Fundamental del Tren (FTF) = velocidad del eje × 0,4

El fabricante especificó un rodamiento SKF 7318. Su tabla muestra frecuencias de paso de bolas exterior e interior de 4,9×M y 7,1×M respectivamente, confirmando un rodamiento de 12 elementos. A medida que avanza el desgaste, aparecen armónicos (múltiplos enteros) de estas frecuencias de paso de bolas en el espectro. Dependiendo del tipo de defecto, también pueden estar presentes bandas laterales de 1×M. El desgaste severo eleva el piso de ruido de alta frecuencia entre 70×M y 100×M.

Estrategias diagnósticas comunes

La detección precisa del desgaste de rodamientos requiere una metodología consistente de recopilación y análisis de datos. Los medidores de banda ancha a menudo pasan por alto el desgaste temprano, ofreciendo una advertencia limitada antes de una falla catastrófica. Los métodos de choque de alta frecuencia o ultrasónicos pueden detectar desgaste temprano pero pasan por alto fallas de baja frecuencia como desbalance o desalineación.

El análisis espectral de banda estrecha triaxial con criterios de aceptación relativos proporciona detección temprana confiable y puede diagnosticar una amplia gama de fallas —desbalance, desalineación, holgura de impulsor, aflojamiento, resonancia. Este estudio emplea ese enfoque.

El conjunto de datos de banda estrecha incluye dos espectros triaxiales de alta resolución (800 líneas) desde un solo punto en una carcasa de rodamiento rígida. El espectro de rango bajo cubre 0-10 órdenes de velocidad del eje, capturando tonos fundamentales de rodamiento. El espectro de rango alto abarca 0-100 órdenes, revelando armónicos de tonos de rodamiento y el piso de ruido de alta frecuencia. Aunque extensivo, la configuración basada en código de barras permite una adquisición de datos rápida y repetible, y el procesamiento en PC es rápido y automatizado.

El modelo de falla para defectos de rodamientos incluye cuatro indicadores clave:

1. Serie armónica de picos a una frecuencia fundamental no síncrona.
2. Bandas laterales de 1×M y/o FTF alrededor de esos picos.
3. Piso de ruido de alta frecuencia elevado.
4. Serie armónica a la velocidad de rotación del eje debido a holgura del rodamiento.

Análisis de vibraciones: Humano vs. Computadora

El volumen de datos de banda estrecha requerido para un diagnóstico preciso requiere procesamiento basado en computadora. Una computadora personal, equipada con un sistema experto, puede realizar los siguientes pasos en segundos:

• Normalizar espectros relativos a la velocidad del eje.
• Extraer amplitudes de frecuencias de forzamiento clave y picos auxiliares.
• Aplicar el modelo de falla para identificar patrones de defecto.
• Cuantificar la severidad basándose en la prominencia del patrón.

Estas reglas lógicas se calibraron comparando diagnósticos automatizados contra análisis de expertos de una gran población de máquinas, asegurando que las conclusiones de la computadora reflejen los juicios de un analista de vibraciones experimentado.

La Figura 5 muestra el informe diagnóstico basado en texto generado por el sistema experto para el Enfriador 4.

Figura 5. Resultados diagnósticos generados por computadora para el Enfriador 4.

Revisión manual de datos espectrales

La Figura 6 presenta los datos del extremo libre del motor recopilados el 25 de marzo para el Enfriador 4. La máscara de promedio + σ (roja) se superpone para comparación. El eje horizontal está escalado en "órdenes", donde 1 orden equivale a una rotación del eje.

Picos prominentes no síncronos aparecen en 4,9×M y 7,1×M en los datos axiales de rango bajo —exactamente el BPFO y BPFI para el rodamiento del motor. En los espectros de rango alto, armónicos espaciados en 4,9×M confirman la serie armónica BPFO. El piso de ruido de alta frecuencia coincide con la máscara σ, indicando que hay desgaste presente pero aún no es crítico.

Figura 6. Espectros de vibración triaxial para el rodamiento del motor en el extremo libre del Enfriador 4. Izquierda: datos de rango bajo; derecha: datos de rango alto. Picos marcados muestran una serie armónica BPFO de 4,9×M.

Prognósticos

Una vez confirmada una falla de rodamiento, la siguiente pregunta es la vida restante. Un analista experimentado pospone el juicio hasta que múltiples conjuntos de datos revelen una tendencia. El sistema experto calcula una puntuación de severidad basada en tres factores:

1. El número de picos de soporte.
2. El grado en que cada pico supera el criterio.
3. La amplitud absoluta de cada pico.

Las puntuaciones de severidad se mapean en una escala de ligera, moderada, seria y extrema. En el gráfico de tendencias (Figura 7), la severidad del desgaste del rodamiento se ha estabilizado en un nivel bajo-serio.

Figura 7. Gráfico de tendencias del sistema experto para el Enfriador 4.

La vida útil del rodamiento está dictada principalmente por la carga; los datos actuales no muestran empeoramiento durante el último año. El análisis de vibraciones proporciona evidencia cuantificable de la salud del rodamiento, permitiendo decisiones proactivas. A medida que el desgaste se intensifica, el sistema elevará la puntuación de severidad en consecuencia.

Durante una visita de servicio anterior, un ingeniero del fabricante usó un medidor de vibración global y concluyó que el rodamiento estaba bien. El límite de 0,25 in/s pico del fabricante probablemente se cumplió, ilustrando una limitación clave de las mediciones de banda ancha para mantenimiento predictivo —pasan por alto firmas sutiles no síncronas como los armónicos BPFO.

Conclusión

Para maximizar la vida del rodamiento, los ingenieros de planta deben monitorear continuamente cada máquina contra su línea base promedio + 1 σ específica del modelo. La puntuación de severidad del sistema experto ofrece una tendencia consistente y objetiva que informa decisiones de mantenimiento oportunas. Cuando la severidad se acerca al nivel extremo, se debe programar un reemplazo del rodamiento e inspeccionar el rodamiento removido para cerrar el ciclo diagnóstico.

Acerca de Azima DLI

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