Diagnóstico
de fallas tempranas de rodamientos en mecanismos susceptibles al desbalanceo y
a la desalineación
Diagnosis of early failures of bearing within mechanisms susceptible to
unbalance and misalignment
María Eugenia
Moreno-Sánchez1a, Junes Abdul Villarraga-Ossa1b, 1a Ricardo Moreno-Sánchez1c
1Grupo de Diseño Mecánico, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. Correo electrónico: a eugenia.moreno@udea.edu.co , b junes.villarraga@udea.edu.co , c ricardo.moreno@udea.edu.co
Resumen
En este trabajo se estudian los efectos que el desbalanceo y la desalineación causan en los parámetros de vibración de aceleración, comúnmente utilizados en el diagnóstico de fallas tempranas de rodamientos. Esta investigación proporciona un parámetro de diagnóstico que se llamó AFC. Las medidas del parámetro AFC son sensibles a la existencia del defecto, pero la desalineación, el desequilibrio y sus interacciones no causan un efecto estadísticamente significativo en sus valores. El propósito de encontrar este parámetro es evitar falsas alarmas o el encubrimiento de fallas en rodamientos en mecanismos susceptibles al desbalanceo y a la desalineación. Entre los métodos estudiados se encuentran el análisis espectral; el estudio de valores globales de la medición de la aceleración con diferentes procesamientos, como la detección de alta frecuencia HFD; la envolvente de aceleración ENV; la curtosis K; el factor de cresta FC; la asimetría de la señal Ske, entre otros parámetros propuestos por los autores. Para realizar la evaluación de los parámetros se construyó un banco experimental y se diseñó un experimento factorial multinivel (23), en el que los factores fueron daño del rodamiento, desequilibrio y desalineación. Se realizaron 3 réplicas (24 unidades experimentales).
Palabras clave: diagnóstico de fallas en rodamientos; desbalanceo; desalineación; medidas de vibración.
Abstract
In this paper, we
study the unbalance and misalignment effect on the acceleration vibration
parameters commonly used in the diagnosis of early bearing failures. This
research provides a diagnostic parameter called AFC. Measurements of the
AFC parameter are sensitive to the existence of the defect; however, misalignment,
unbalance and their interactions do not cause a statistically significant
effect in their values. The purpose of finding this parameter is to avoid false
alarms or cover up faults in bearings within mechanisms susceptible to
unbalance and misalignment. Among the methods studied, there are the spectral
analysis, the study of global values of the acceleration measurement with
different processing like the high-frequency detection HFD, the acceleration
envelope ENV, the kurtosis K, the crest factor FC and the asymmetry of the
signal Ske, among other parameters proposed by the
authors. In this regard, an experimental device was built, and a multilevel
factorial experiment (23) was designed where the factors were
bearing damage, unbalance and misalignment. Three replicates were performed (24
experimental units).
Keywords: diagnosis of bearing failures; unbalance;
misalignment; vibration measurements.
Dentro del mantenimiento predictivo se
presta especial interés a las fallas en rodamientos, debido a su alto costo y
al interés de aprovechar la mayor parte de su vida útil [1]. La falla de un
rodamiento es una de las principales causas de daños en la maquinaria rotativa.
Estas fallas pueden ser catastróficas y pueden ocasionar tiempos de inactividad
costosos [2], [3], [4]. En los motores eléctricos el 41 % de las averías
prematuras son atribuidas a fallas en los rodamiento
[5]. Debido a lo sensible de algunos parámetros utilizados en la evaluación de
la condición de rodamientos, en la práctica se ha evidenciado que pueden
generarse falsas alarmas de rodamientos, a causa de cambios en la alineación,
desbalanceo o lubricación. Por tal motivo, es importante establecer modelos de
diagnóstico que tengan en cuenta alteraciones en la condición de operación,
como la desalineación y el desbalanceo. Los rodamientos pueden ser considerados
como un elemento complejo de la máquina, cuya función es transmitir carga de
una parte en movimiento a otra parte estacionaria o con movimiento relativo
entre ellas. Para poder realizar esta función, el rodamiento cuenta con cinco
componentes, la pista exterior, la pista interior, los elementos rodantes y la
canastilla (véase figura 1). El comienzo de una falla podría empezar por alguno
de estos elementos, y dependiendo de donde comience la falla, esta puede crecer
lenta o aceleradamente hasta la pérdida total de la función del rodamiento. La fatiga de contacto rodante en la
superficie y la fatiga subsuperficial son dos formas
de fallas típicas de los rodamientos, ambos se deben a los esfuerzos de
contacto que se presentan en la rodadura. La primera es una falla que comienza
en la superficie y que se propaga por el efecto de paso continuo de los
elementos rodantes, la segunda es una falla iniciada por debajo de la
superficie donde los esfuerzos de contacto tangenciales son máximos y los
esfuerzos cíclicos causan el crecimiento de la grieta hasta el exterior de la
superficie. Desde ahí la grieta crece hasta generar el desconchado de la
superficie, y crecerá por el paso continuo de los elementos rodantes (véase
figura 1b). Todo factor que aumente las cargas en la
zona de contacto, diferente a la fuerza de trabajo, colabora en la aparición de
una falla temprana, como es el caso de la desalineación, el desbalanceo, la
contaminación, las fuentes de vibración y la viscosidad del lubricante [6]. Al
analizar todas las variables que inciden en la vida de los rodamientos, y
contemplar los riesgos de equivocarse al estimar la vida de servicio, se llega
a la conclusión de que es importante afinar los métodos de diagnóstico
predictivo o por condición de fallas tempranas en rodamientos. Los rodamientos son elementos que generan
vibración. Cuando el elemento rodante del rodamiento pasa por la zona de carga,
se genera un pequeño impacto, que hace que los rodamientos se comporten como
una campana en resonancia. Esto ocurre tanto en los rodamientos en buen estado
como en los rodamientos deteriorados por el uso o por falla. El estudio de las vibraciones
mecánicas es la técnica más empleada para el diagnóstico de fallas en
rodamientos, y se usa para monitorear el desgaste o la detección de fallas
localizadas en los rodamientos. Además, ayudan a diagnosticar problemas en
otros elementos mecánicos o problemas estructurales, como desbalanceo,
desalineación y solturas, entre otros [7]. A fin de obtener el parámetro HFD, se
realiza un filtro paso alto (5 kHz - 60 kHz) a la señal, para dejar en la
medida solo los picos generados por pequeños defectos. HFD generalmente se mide
en Gs (gravedades) con valores pico o RMS [7]. El objetivo del parámetro conocido como envolvente
de aceleración es filtrar las bajas frecuencias y detectar los componentes
repetitivos relacionados con los impactos generados por los defectos en los
rodamientos en el rango de las frecuencias típicas de fallo. Este parámetro ha
mostrado ser útil para determinar el progreso del fallo en rodamientos [8]. SKF patentó esta técnica y ha publicado
artículos en los que muestra su efectividad para identificar fallos, aun en
rodamientos que trabajan a baja velocidad [8]. SKF Condition Monitoring publicó, en el año 2003, un artículo en el cual
proporciona una guía para la asignación de alarmas, utilizando valores globales
de ENV. En esta investigación se hallan estadísticamente fórmulas para
encontrar niveles de alarma y peligro, utilizando bases de datos de mediciones
en motores y bombas que giran a 3.600 rpm. Esta carta es una recomendación
general y siempre se recomienda fijar los niveles de severidad de acuerdo con
el análisis de una tendencia en el tiempo del nivel de vibración [9]. La asimetría de la señal se calcula a
partir de la forma de onda en el tiempo, y da información sobre el grado de
simetría de la señal con respecto a su valor medio. Se espera que la simetría
de la onda cambie al aparecer un defecto [10]. RMS es la raíz cuadrada del promedio de la
suma de los cuadrados de la señal, y ayuda a identificar la desviación estándar
de la señal. Se han realizado estudios donde se ha encontrado fuerte
correlación con el tamaño del defecto [11], [12], [13]. La curtosis es el
cuarto momento normalizado de la señal. El momento es normalizado por la raíz
cuadrada de la varianza. Es una medida relacionada con la cantidad y la
amplitud de picos presentes en la señal. Estudios han demostrado que el valor
de la curtosis tiene normalmente un valor de 3, y
aumenta conforme aumenta el defecto [11]. El factor de cresta es la medida del pico
máximo, dividida por el valor normalizado (por la RMS) de la señal. Su valor
aumenta con la presencia de pocos picos de gran amplitud, causados por daños
localizados en el rodamiento; el numerador se vuelve de alto valor por la
magnitud del pico y el denominador toma un bajo valor al tener relativamente
pocos picos [12]. 2.3. Evolución de la falla en un rodamiento
en En la tabla de diagnóstico espectral,
realizada por la asociación de técnicos de Charlotte, se plantean cuatro etapas
de daño en los rodamientos. En la primera y la segunda etapa del daño, los
técnicos exponen que se evidencia el aumento de vibración por encima de 30 kHz
en los espectros de aceleración, y esto puede evidenciarse con el seguimiento de parámetros como HFD [13]. En los espectros de frecuencia de la onda
de aceleración pueden identificarse las frecuencias de falla de los componentes
de los rodamientos. Además, se puede realizar el seguimiento del incremento de
las amplitudes en estas frecuencias específicas, para hacer seguimiento del
aumento en la severidad de la falla
[14], [15]. Se realizó un diseño multifactorial 23,
las variables respuesta fueron los diferentes parámetros de diagnóstico obtenidos
de la onda de aceleración de la vibración, a saber: ENV, HFD, RMS, FC, K, Ske. Los factores fueron desalineación, desbalanceo y
defecto. Los niveles de presencia del factor se pueden observar en la Tabla 1. La notación utilizada para el diseño es la
siguiente (defecto, desalineación, desbalanceo), por ejemplo: (0,0,0,).
Respuesta para los tres factores en el nivel inferior. (0,0,1,). Respuesta para defecto en el
rodamiento y desalineación en el nivel inferior en el nivel superior. (1,1,1).
Respuesta para los tres factores en el nivel superior. Fuente: elaboración propia. El rodamiento utilizado es de referencia
6305- 2RS/C3. El defecto en el rodamiento se generó perforando la pista
exterior en todo el centro hasta el canal de rodadura, utilizando la técnica de
microperforado por electroerosión (véase Figura 2). Se seleccionó la falla en pista exterior
porque esta falla es la que suele aparecer primero en los rodamientos donde la
pista exterior es estacionaria y la interior es rotatoria. Esto se debe a que
la misma sección de esta pista está siempre en la zona de carga del rodamiento,
mientras que las demás partes, como los elementos rodantes y la pista interior,
entran y salen de la zona de carga. Para variar la desalineación y el
desbalanceo, se construyó un banco de pruebas que se observa en la figura
3. Los aspectos más importantes en el diseño
del banco fueron los siguientes: •
Permitir desmontar fácilmente el rodamiento sin
modificar tensión de correa, para lo cual uno de los apoyos tiene dos
rodamientos. •
La fijación de las pistas del rodamiento al eje y al
alojamiento es axial y los ajustes con el eje y el alojamiento son deslizantes,
esto con el objetivo de mantener los ajustes constantes y que no dependieran del número de veces en
que se monta y desmonta el rodamiento en el eje. •
Tornillos de ajuste para desplazar los apoyos de los
rodamientos a ambos lados y permitir una desalineación controlada. •
Facilidad para agregar masas para el desbalanceo
controlado.
Figura 3. Partes del banco de
experimentación: (a) isométrico del banco, b)
imagen superior de los tensores para generar desalineación. Fuente: elaboración
propia. Para este experimento el tamaño de defecto
alto se tomó de 1 mm, el nivel de desbalanceo alto se eligió poniendo peso en
la polea, de forma que en los espectros en dirección vertical se evidenciara un
incremento en la frecuencia fundamenta 1X de más del doble (véase
figura 4). Para el nivel alto de la desalineación se desalinearon
los soportes hasta incrementar la vibración global axial entre un 10 y 12 %. Los equipos utilizados para adquirir la
señal fueron una tarjeta de adquisición de datos National
Instruments, referencia NI 9234, en un chasis NI cDAQ-9172 y tres acelerómetros
de propósito general de sensibilidad 100 mV/g. La
interfaz de adquisición y el procesamiento de los datos se realizó en Python®.
La calibración de los acelerómetros utilizados para la adquisición de datos se
realizó utilizando un shaker, marca Hardy
Instruments, con una frecuencia de 100 Hz y una amplitud de 9.8 m/s2
(valor RMS). En la Figura 5 se muestra una foto
del banco construido con el sistema de adquisición. En Figura 7 se muestra la afectación que el
desbalanceo y la desalineación hacen en el espectro de un rodamiento con falla.
Los espectros de frecuencia en aceleración
y envolvente cambian al introducir cambios de condición, como desalineación y
desbalanceo. En el espectro de aceleración se evidencia la disminución de la
amplitud en el valor de la frecuencia de falla BPFO. Se puede afirmar que al
introducir desbalanceo y la desalineación al sistema es posible encubrir el
crecimiento del defecto. El espectro en HFD aumenta las amplitudes en las
frecuencias de fallo al introducir desbalanceo y desalineación. En Figura 8 se relacionan los diagramas
Pareto, obtenidos para los efectos de los factores en las variables respuesta,
y se relaciona el R2 del modelo. El desbalanceo afecta los valores
globales de envolvente de aceleración disminuyéndolos, y para los valores de HFD
el desbalanceo tienden a aumentar estos valores. Parámetros globales como RMS, Ske, K son afectados por los factores, como desbalanceo y
desalineación, con más efecto que el defecto en el rodamiento, mientras que el factor de cresta se ve afectado especialmente
por el desbalanceo. Delos parámetros contemplados hasta ahora,
el filtro de alta frecuencia HFD resulta ser el más indicado para la detección
de fallos en rodamientos, dado que es estadísticamente más significativa la
afectación del defecto en el rodamiento que la afectación que pueden causan el
desbalanceo y la desalineación. Las interacciones del defecto con el
desbalanceo tienen también efecto estadísticamente significativo para este
parámetro, lo que podría activar falsas alarma mientras que la desalineación
tiende a disminuir la respuesta y podría
encubrir el defecto si este existe. Con base en el análisis espectral realizado
a la envolvente de la aceleración, se decidió obtener nuevas variables
respuesta aplicando un filtro a la envolvente de aceleración cerca de la
frecuencia de falla. En este caso, como la frecuencia de falla es BPFO = 44.52,
se escogió el filtro pasabanda entre 43 y 45 Hz que
se llamó (band2). En la figura 9 se especifica cómo se obtuvieron las nuevas
variables. Los diagramas de Pareto estandarizados para
RMSenvband2, FCenvband2, Kurtosisenvband2, Peakenvband2 se encuentran en la Figura 10.
Después de analizar este resultado, se ensayó un parámetro que reuniera el
factor de cresta de la envolvente en la banda 43 Hz a 45 Hz, pero que le diera
más peso al valor del pico. El parámetro se llamó AFC (factor de cresta
ajustado), el cual se obtiene a partir de la ecuación (1). Donde: Peackenvband2 = valor máximo del pico de la
envolvente de aceleración, filtrando la señal cerca a la frecuencia del defecto.
Véase en la figura 8 el proceso de obtención matemática de esta variable. RMSenvband2 = valor RMS de la
envolvente de aceleración en la banda cerca al defecto. Véase en la figura 8 la
obtención matemática de esta variable. En la figura 11 se encuentra el diagrama de
Pareto del nuevo factor propuesto AFC para el monitoreo de rodamientos de
equipos susceptibles al desbalanceo y la desalineación. En este estudio se analizó la eficacia de
diversos parámetros existentes en la detección de fallas localizadas en
rodamientos. Parámetros globales comúnmente usados, como RMS en aceleración,
RMS en la envolvente, RMS en señal filtrada de alta frecuencia, factor de
cresta, curtosis, skewness
y amplitudes en las frecuencias de defecto de los espectros de aceleración,
no permitieron predecir con certeza los fallos en los rodamientos, debido
a que el desbalanceo y la desalineación también tuvieron efecto
estadísticamente significativo sobre estos parámetros, lo que ocasionó falsas
alarmas o impidió la correcta detección de los fallos. El parámetro HFD, dentro de los parámetros
existentes, resultó ser el más indicado para la detección de fallos en
rodamientos en mecanismos susceptibles a la desalineación y el desbalanceo, ya
que es estadísticamente más significativa la afectación del defecto en el
rodamiento que la afectación que puede hacer el desbalanceo y la desalineación.
Las interacciones dobles del defecto con el desbalance en el parámetro HFD
aumentan la respuesta y no encubre el defecto si este existe. Sin embargo, la
desalineación tiende a disminuir el valor encubriendo el defecto. En esta investigación se propuso un
parámetro global muy sensible al defecto del rodamiento, que fue llamado AFC y
puede predecir por sí solo el defecto con una correlación alrededor del 86 %, y
para el cual es estadísticamente insignificante el efecto del desbalanceo y la
desalineación. La utilización del parámetro propuesto AFC
en conjunto con HFD y el análisis espectral de aceleración permiten predecir
fallos en rodamientos con probabilidades mayores al 90 %. El parámetro propuesto para el diagnóstico de
fallas de rodamientos susceptibles al desbalanceo y la desalineación AFC
demostró ser útil para evitar falsas alarmas o el encubrimiento del defecto por
esas anomalías. Se recomienda ampliar el estudio involucrando cambios en la
lubricación como otro factor. [1]
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Introducción
Antecedentes
1.1.
Modo de falla de los rodamientos
1.2. Análisis de fallas
en rodamiento utilizando vibraciones mecánicas
Detección
de alta frecuencia [HFD]
Envolvente
de aceleración [ENV]
Asimetría
de la señal (skewness) Ske
RMS de
la señal de aceleración
Curtosis K
Factor
de cresta
espectros
de vibración
Metodología
del diseño experimental
Resultados
1.3.
Análisis
de los espectros de frecuencia de la aceleración
1.4. Análisis de valores globales para el experimento
Discusión
Conclusión
Recomendaciones
Referencias