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Análisis de vibraciones en rodamientos de agujas

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Imagen del artículo Análisis de vibraciones en rodamientos de agujas

José Antonio Marco

António Afonso Roque
Datanalise

1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de soluciones constructivas para rodamientos de agujas ha evolucionado durante décadas [1]. Las soluciones sin montar las agujas en una jaula presentan desafíos relacionados con la alta posibilidad de contacto de metal a metal, y su uso se limita a una baja velocidad de rotación. Los rodamientos de agujas de jaula son el foco de este trabajo, presentando una gama de uso comparable a los rodamientos de rodillos tradicionales.

La motivación inicial para este trabajo surge de la pregunta: ¿Se pueden ver las agujas como rodillos con una proporción más alta 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑/𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜? ¿los defectos en los rodamientos de agujas enjaulados se pueden diagnosticar mediante la vibrometría utilizando las mismas premisas que en el análisis de rodamientos de rodillos convencionales? El número de trabajos dedicados a los rodamientos de agujas es pequeño en la literatura, en comparación con el volumen de trabajo dedicado a diversos aspectos relacionados con los rodamientos de rodillos [2].

Se han desarrollado varias técnicas basadas en el análisis de la envolvente de la señal, siendo estás puestas a disposición en varios sistemas comerciales de control por condición (por ejemplo, el Espectro de Spike Energy - gSE [9]).

Se presentan las siguientes secciones: las expresiones de cálculo para las frecuencias de defecto; el estudio en el banco de pruebas y sus resultados para diferentes defectos inducidos en rodamientos de agujas; y la conclusión de los trabajos.

2. FRECUENCIAS DE FALLO

Los defectos en cada uno de los elementos de un rodamiento [10] se manifiestan en frecuencias que son función de la geometría, el número de elementos rodantes N y el ángulo de contacto 𝜃 entre los elementos rodantes y las pistas interiores 𝑓𝑖 y exteriores 𝑓𝑒 del rodamiento.  Considerando  el diámetro del elemento rodante,  𝑑  y  el diámetro primitivo, 𝐷 las frecuencias de defecto se definen como:Fundamental Train Frequency (FTF):

  • Fundamental Train Frequency (FTF):
  • Ball Pass Frequency on the Outer Race (BPFO):
  • Ball Pass Frequency on the Inner Race (BPFI):
  • Ball Spin Frequency (BSF):

En rodamientos de rodillos y agujas el defecto en un cuerpo rodante tiene mayor amplitud a 2xBSF, ya que por rotación del elemento rodante se producen dos impactos de la superficie del defecto con cada una de las pistas. En el caso de los rodamientos de bolas, esta situación no es habitual encontrarla tan a menudo.

3. CASO DE ESTUDIO

El modelo didáctico es accionado por correa mediante un motor eléctrico con variador de frecuencia y permite cambiar todos los componentes de los rodamientos analizados.

Los rodamientos ensayados son rodamientos de agujas (Figura 1) con referencia NKIS 35 o equivalente [3, 11]. Aunque estos rodamientos permiten desmontar la pista de rodadura interior, el desmontaje de las agujas no es accesible. Estos rodamientos disponen de un agujero de engrase.

Figura 1 – Fotografía de uno de los rodamientos de agujas utilizados en este trabajo

Los rodamientos ensayados se montaron nuevos. Dada la imposibilidad de acceder fácilmente a la superficie interior del anillo de rodadura exterior, ya que la jaula no es fácilmente desmontable, sólo se introdujeron defectos singulares en los rodamientos a través de la alteración de la superficie del anillo de rodadura interior.

Los resultados aquí presentados pretenden ilustrar la capacidad de diagnóstico de distintos tipos de defectos y se identifican con el número del rodamiento analizado.

Rodamiento 01. Ensayo 01. Nuevo (orificio de lubricación en el área de carga)

La Figura 2 muestra el espectro envolvente, que muestra la inexistencia de picos de amplitud en las frecuencias defectuosas, lo que demuestra el estado no defectuoso, nuevo, del rodamiento analizado.

Figura 2 –Rodamiento 01. Ensayo 01. Nuevo- Espectro de envolvente (gSE): ~1300RPM - gSE overall 0.84.

Rodamiento 01. Prueba 0,2 y 03. Nivel 1 y 2 de defecto en la pista interna (orificio de lubricación en el área de carga)

Se introdujo un defecto en la superficie del anillo de rodadura interior utilizando una fresa manual. La Figura 3 muestra fotografías de los defectos de Nivel 1 a 3 introducidos. El espectro envolvente de la Figura 4 no muestra picos de amplitud relacionables con el defecto introducido.

Una de las razones que se aducen para esta observación es que la película lubricante y la separación entre agujas pueden permitir que éstas atraviesen el defecto superficial sin producir impactos.

Figura 3.a) defecto de Nivel 1

Figura 3.b) defecto de Nivel 2

Figura 3.c) defecto de Nivel 3

Figura 3 – Fotografías de los defectos introducido en la superficie de la pista interior

Figura 4 –Rodamiento 01. Ensayo 03. Defecto pista interna Nivel 2 Espectro de envolvente (gSE): ~1300RPM - gSE overall 0.84.

Rodamiento 01. Prueba 04. Nivel 3 de defecto en la pista interna (orificio de lubricación en el área de carga)

La figura 3.c muestra una fotografía del defecto de Nivel 3 introducido. En la Figura 5 se muestra el espectro envolvente obtenido para el defecto de Nivel 3 en la superficie del camino de rodadura interior. Para este ensayo, se aprecia la presencia de defecto en la pista de rodadura interior a través de la amplitud a frecuencia BPFI y armónicos, además de la presencia de banda lateral a 1xRPM, la velocidad de transporte del defecto a la zona de carga. Obsérvese que el overall gSE presenta ahora un valor muy superior al registrado anteriormente.

Figura 5 –Rodamiento 01. Ensayo 04. Defecto interno de la pista nivel 3 Espectro de la envolvente (gSE): ~1300RPM - gSE overall 3.23.

Rodamiento 02. Ensayo 01. Nuevo (orificio de lubricación en el área de carga)

Para un segundo rodamiento examinado se registra la firma básica con el nuevo rodamiento. El rodamiento se montó con el orificio de lubricación en la dirección del sensor en la zona de carga. El espectro envolvente correspondiente se muestra en la Figura 6. Sorprendentemente, el nuevo rodamiento muestra los síntomas de un rodamiento defectuoso en la pista exterior, siendo el origen el orificio de lubricación.

Figura 6 –Rodamiento 02. Ensayo 01. Nuevo (defecto en la pista exterior - orificio de lubricación en el área de carga) Espectro de la envolvente (gSE): ~1300RPM - gSE overall 1.37.

Rodamiento 02. Ensayo 02. Defecto de la pista exterior (orificio de lubricación a 90º de la zona de carga)

En el rodamiento con el orificio de lubricación a 90° de la zona de carga (Figura 7), la amplitud de los picos de la frecuencia BPFO y de los armónicos es menor que en el caso en que el orificio de lubricación se encuentra en la zona de carga. Sin embargo, el contenido espectral es coherente con el defecto claramente identificado en la Ensayo 01 para este rodamiento. Obsérvese que el overall gSE disminuyó de 1,37 a 1,26.

Figura 7 –Rodamiento 02. Ensayo 02. Defecto pista externa (Orificio de lubricación a 90º de la zona de carga) Espectro de envolvente (gSE): ~1300RPM - gSE overall 1.26.

Rodamiento 02. Ensayo 03. Defecto pista externa (Orificio de lubricación a 180º de la zona de carga)

Para el rodamiento con el orificio de lubricación a 180° de la zona de carga, sólo el pico a la frecuencia BPFO es evidente en el espectro envolvente (Figura 8). Obsérvese que el overall gSE también es inferior, pero del mismo orden de magnitud

Figura 8 –Rodamiento 02. Ensayo 03. Defecto pista externa (Orificio de lubricación a 180º de la zona de carga) Espectro de envolvente (gSE): ~1300RPM - gSE overall 1.01.

4. CONCLUSIÓN

En este artículo se retoma el tema del análisis de rodamientos por vibrometría utilizando el análisis envolvente, haciendo hincapié en el estudio de los rodamientos de agujas. Se valida la aplicabilidad de las expresiones para calcular las frecuencias de los defectos en los distintos componentes de los rodamientos, estableciendo el paralelismo con el análisis de los rodamientos de rodillos convencionales. Se presentan y discuten resultados experimentales de ensayos en banco de rodamientos de agujas con y sin defectos, observándose resultados consistentes con el diagnóstico elaborado y con niveles de energía de señal coherentes con la existencia y extensión del defecto. Se pretende que este texto contribuya positivamente a la formación de personal cualificado para el diagnóstico de defectos en rodamientos.

5. BIBLIOGRAFÍA

  • Bently Nevada Machinery Condition Monitoring. 2019. Rolling Element Bearing Methodology: Application Guide, Document: 164934 Rev. C [8]
  • Campbell; C., Tavakoli; M.. 1996. Vibration signature analysis of needle bearings, SAE Transactions, Vol. 105, Section 5: Journal of Materials & Manufacturing, pp. 837-844, SAE Technical Paper 961015. [2]
  • Cummins; K.. Julio 2010. Needle roller bearings: 60 years and still evolving, The Engineer, públicado online Julio 2010, consultado Noviembre 2021. [1]
  • Hochmann; D., Bechhoefer; E.. 2005. Envelope bearing analysis: Theory and practice, 2005 IEEE Aerospace Conference, pp. 3658-3666. [7]
  • NTN Corporation. Needle roller bearing handbook. CAT. No. 9013/E. [3]
  • Randall; R. B.. 2011. Vibration-based Condition Monitoring, John Wiley & Sons, Ltd. [5]
  • Roque; A. A., Silva; T. A. N., Calado; J. M. F., Dias; C. Q.. 2009. An approach to fault diagnosis of rolling bearings, WSEAS Transactions on Systems and Control, Vol. 4(4), pp 188–197. [10]
  • SKF. 2015 Needle Roller Bearings, PUB PSD/P1 06003/3 EN. [11]
  • SKF. 2021. SKF Bearing select, online tool. [12]
  • Smith; W. A., Randall; R. B., 2015, Rolling element bearing diagnostics using the Case Western Reserve University data: A benchmark study, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 64–65, pp. 100-131. [6]
  • Tandon; N., Yadava; G.S., y Ramakrishna; K.M., Enero 2001, A comparison of some condition monitoring techniques for the detection of defect in induction motor ball bearings, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 21, No. 1, pp. 244-256 [4].
  • Xu; M., 1995, Spike Energy and its applications, The Shock and vibration Digest, Vol. 27, No. 3, pp. 11-17. [9]

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