Factores determinantes en las lecturas de vibraciones

Antes de realizar una lectura adecuada sobre un engranaje hay que tener en cuenta una serie de factores.

 

Sensor de medida

Al realizar lecturas espectrales sobre un engranaje hay que asegurarse que en ellas aparece la frecuencia de engrane y, por lo menos, un segundo armónico. Dependiendo de la velocidad de giro de los ejes y de su número de dientes, esta frecuencia puede ser muy elevada y hay que asegurarse que el sensor utilizado tiene un rango de frecuencias adecuado. El sensor utilizado generalmente es un acelerómetro, ya que tiene un rango frecuencial mucho mayor que el de un velocímetro. Una vez seleccionado el sensor adecuado hay que determinar el tipo de anclaje a la máquina, para garantizar que al realizar las mediciones la respuesta del sensor a ese modo de medición cubra las frecuencias de interés. De entre los modos de medición se recomienda como mínimo las lecturas con imán.

 

Unidades de medición

El aceIerómetro seleccionado para la realización de las lecturas permite realizar lecturas en aceleración o en velocidad, dependiendo si se realiza o no una integración de la señal del sensor. Si las frecuencias de interés se encuentran dentro de un rango inferior a las 120.000 CPM, se recomienda trabajar en velocidad para un mejor análisis del espectro. Si las frecuencias de interés se localizan por encima de los 120.000 CPM, no es necesario realizar una integración de la señal a velocidad trabajando directamente en aceleración. Sin embargo, actualmente la tecnología ha avanzado substancialmente, por lo que los programas de Mantenimiento Predictivo y de Análisis de Vibraciones disponen de integración digital del espectro de frecuencia almacenado, por lo que las unidades de adquisición del espectro de frecuencia no suelen ser un problema.

 

Resolución espectral

La resolución espectral permite diferenciar frecuencias próximas entre sí. En el caso del diagnóstico de engranajes la resolución es muy importante, ya que permitirá diferenciar la frecuencia de engrane de las bandas laterales asociadas a las frecuencias de giro de los ejes del engranaje. Si la resolución es insuficiente en vez de diferenciar claramente la frecuencia de engrane de las bandas laterales se observará un único pico con una falda bastante ancha. Ante esta situación, al diagnosticar no se sabrá si la variación en la amplitud del pico ancho se debe a una variación en la amplitud de la frecuencia de engrane o de las bandas laterales.
Recordamos que definimos resolución como el cociente entre la frecuencia máxima definida en el espectro de frecuencias y el número de puntos.

La frecuencia máxima seleccionada para el espectro de frecuencias en un engranaje debe ser superior al segundo armónico de la frecuencia de engrane. Si esta frecuencia máxima es inferior a 70x RPM del eje, en el caso de un engrane montado sobre rodamientos, se adoptará esta última como frecuencia máxima ya que garantiza la visualización en el espectro de los primeros armónicos de las frecuencias de fallo en rodamientos de bolas o rodillos.

 

Parámetros de análisis

Variaciones en el comportamiento mecánico de un engranaje están en principio asociadas con variaciones en las amplitudes de la frecuencia de engrane y de sus armónicos. Estas frecuencias, al ser frecuencias elevadas, tienen normalmente poca influencia en el nivel global de vibración. Para detectar estas variaciones se definen bandas de frecuencias del espectro, cuyo nivel de vibración particular es calculado; de esta forma, se puede detectar cualquier variación en la actividad espectral asociada al estado del engranaje. Se recomiendan las bandas de frecuencias o parámetros de análisis de la siguiente tabla, cada uno de los cuales está asociado con algún tipo de defecto particular que pueda desarrollarse en el reductor. El último de los parámetros mide la actividad a alta frecuencia y por lo tanto tendrá unidades de aceleración.

 

 

 

 
 
 
 
 
Parámetro espectral   Ancho de banda
Desequilibrio   0,3x a 1,5x RPM
Desalineación   1,5x a 2,5x RPM
Holguras   2,5x a 10,5x RPM
Picos fantasma y bandas laterales del primer armónico de la frecuencia de engrane.   10x RPM a GMF - 5x RPM
Primer armónico de la frecuencia de engrane.   GMF - 5x RPM a GMF + 5x RPM
Bandas laterales del primer y segundo armónicos de la frecuencia de engrane, frecuencias de rodamiento.   GMF - 5x RPM a 2GMF + 5x RPM
Segundo armónico de la frecuencia de engrane.   2GMF - 5x RPM a 2GMF + 5x RPM
Estado general del reductor y rodamientos. Lubricación del rodamiento y reductor.   1 kHz a 20 kHz
Tabla 10: Bandas espectrales de problemas en engranajes. Figura 68: Giros de la corona en un engranaje.

 

Cálculo de las frecuencias propias de un engranaje

Al principio de este capítulo se indica la complejidad en el análisis del espectro de frecuencias asociado a un engranaje. Un punto importante en el análisis de un engranaje es la identificación, con la mayor certeza posible, de sus frecuencias propias y aquellas que puedan indicar alguna situación anómala. Estas frecuencias son las velocidades de giro de las diferentes ruedas dentadas, las frecuencias de engrane, la frecuencia de repetición de diente y la frecuencia de fase de ensamblaje.

La localización de todas estas frecuencias en el espectro pasa por conocer unos datos mínimos del reductor. Estos datos son las velocidades de giro y el número de dientes de las diferentes ruedas dentadas. De esta forma no habrá dudas en la identificación de las frecuencias de engrane y de sus bandas laterales. Antes de entrar en su cálculo definiremos el concepto de fase de ensamblaje como los diferentes modos de engranar que tienen un par de ruedas dentadas. En los siguientes gráficos se presenta un par de ruedas dentadas, una con 15 dientes y la otra con 9. Se numeran los dientes de las dos ruedas y se obtiene gráficamente que hay tres formas diferentes de montar el engrane. Esto significa que hay tres posibles pautas de desgaste al engranar la corona y el piñón. Para el par corona-piñón de nuestra figura serían: primera fase de ensamblaje, montando el diente número 1 del piñón entre los dientes 1 y 15 de la corona; segunda fase de ensamblaje, montando el diente número 2 del piñón entre los dientes 1 y 15 de la corona; tercera fase de ensamblaje, montando el diente número 3 del piñón entre los dientes 1 y 15 de la corona.

El método matemático para el cálculo de las fases de ensamblaje (NE) se realiza calculando el máximo común divisor del número de dientes de ambas ruedas dentadas. En nuestro caso particular de 15 dientes de la corona, sus factores primos son 5, 3 y 1, ya que 5x3x1 es 15. Los factores primos de los 9 dientes del piñón son 3x3x1. El máximo común divisor es 3x1 que es 3, el mismo número que se había calculado gráficamente.

Cada diente del piñón entrará a engranar con ZC/NE dientes de la corona mientras que cada diente de la corona entrará a engranar con ZP/NE del piñón. Para el caso particular del gráfico de las fases de ensamblaje, se observa que un diente de la corona engrana siempre con los mismos tres dientes del piñón.

Frecuencias características de un engranaje:

  • Frecuencia de engrane (GMF). Es el producto del número de dientes por la velocidad de giro. Hay una única frecuencia de engrane para cada par corona-piñón.

  • Frecuencia de repetición de diente (FRD). Para su cálculo hay que calcular previamente el número de fases de ensamblaje (NE). Indica la frecuencia con la que un diente de la corona vuelve a engranar con el mismo diente del piñón. De detectarse un fallo en un diente de la corona y del piñón, el máximo de vibración tendrá lugar cuando ambos fallos respectivos entren en contacto. Esta frecuencia es muy baja por lo que es difícil localizarla en el espectro de frecuencias, detectándose con mayor facilidad en la onda en el tiempo.

  • Frecuencia de fase de ensamblaje (FFE). Indica que como consecuencia del desgaste, el espacio entre dientes y su perfil ha cambiado. También recibe el nombre de frecuencia fantasma.

     

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