Rodamientos: las cuatro etapas de falla y lo que muestra el espectro FFT en cada una
Las frecuencias características BPFO, BPFI, BSF y FTF, las cuatro etapas de falla de un rodamiento, qué es la envolvente y cómo la alerta por tendencia ubica el cambio en la parada correcta.
Un rodamiento no se rompe de repente. Avisa, y avisa por etapas: primero en frecuencias que solo un sensor de alta respuesta detecta, luego en sus propias frecuencias naturales, después en las frecuencias de falla que cualquier espectro de velocidad muestra y, por último, en el ruido generalizado que precede al bloqueo. Quien sabe leer esas etapas cambia el rodamiento en la parada correcta, con la pieza en mano.
Este artículo explica las cuatro etapas, las frecuencias características de cada componente del rodamiento, qué es la envolvente y cómo la alerta por tendencia anticipa el cambio. Está pensado para el técnico de vibraciones y para el gerente que quiere entender por qué "todavía está en la zona B" no significa "todavía está bien".
Las frecuencias de falla
Un rodamiento tiene cuatro componentes que generan vibración cuando tienen un defecto: la pista externa, la pista interna, los elementos rodantes (bolas o rodillos) y la jaula. Cada uno produce una frecuencia característica, calculada a partir de la geometría del rodamiento y de la velocidad de giro:
- BPFO (Ball Pass Frequency Outer): frecuencia con que los elementos pasan por un punto de la pista externa.
- BPFI (Ball Pass Frequency Inner): lo mismo para la pista interna.
- BSF (Ball Spin Frequency): giro de cada elemento alrededor de su propio eje.
- FTF (Fundamental Train Frequency): giro de la jaula.
Las fórmulas usan el número de elementos (n), el diámetro del elemento (d), el diámetro primitivo (D) y el ángulo de contacto (a), con f la frecuencia de giro del eje:
- BPFO = (n ÷ 2) × f × (1 − (d ÷ D) × cos a)
- BPFI = (n ÷ 2) × f × (1 + (d ÷ D) × cos a)
- BSF = (D ÷ 2d) × f × (1 − ((d ÷ D) × cos a)²)
- FTF = (f ÷ 2) × (1 − (d ÷ D) × cos a)
Los fabricantes publican estos valores por modelo. Cuando el modelo no se conoce, valen las aproximaciones de campo: BPFO cerca de 0,4 × n × f, BPFI cerca de 0,6 × n × f y FTF cerca de 0,4 × f. Para un rodamiento de 9 bolas en un eje que gira a 29 Hz (motor de 4 polos en una red de 60 Hz), la BPFO queda alrededor de 105 Hz y la BPFI alrededor de 157 Hz.
El detalle que salva al analista: estas frecuencias son múltiplos no enteros de la velocidad de giro (3,6x, 5,4x, y así sucesivamente). El desbalance, la desalineación y la holgura aparecen en múltiplos enteros. Un pico en 5,4x la velocidad de giro, sin un armónico entero cerca, es rodamiento hasta que se demuestre lo contrario, incluso sin conocer el modelo.
Las cuatro etapas
Etapa 1: el daño todavía es subsuperficial. No hay un pico visible en las frecuencias de falla en el espectro de velocidad. Las primeras indicaciones aparecen en la banda ultrasónica y se captan con técnicas de alta frecuencia: demodulación, energía de picos (spike energy), pulsos de choque. En esta fase el defecto es microscópico, y una lubricación deficiente puede ser la causa. La mayor parte de la vida todavía está por delante.
Etapa 2: despiertan las frecuencias naturales del rodamiento. Los impactos de cada paso sobre el defecto excitan las frecuencias naturales de los componentes del rodamiento, en general entre 500 Hz y 1,5 kHz (30.000 a 90.000 cpm). Aparecen en el espectro de aceleración, con bandas laterales a la velocidad de giro. Es la etapa en la que la envolvente brilla, y en la que el cambio puede planificarse sin apuro.
Etapa 3: las frecuencias de falla aparecen en el espectro de velocidad. El RMS global sube. La BPFO, la BPFI o la BSF se hacen visibles con sus armónicos, y la BPFI suele ser la primera en mostrar bandas laterales a 1x la velocidad de giro, porque el defecto en la pista interna gira y entra y sale de la zona de carga en cada vuelta. Aquí el cambio deja de ser opcional y pasa a ser una cuestión de cuándo.
Etapa 4: el rodamiento se desarma. La amplitud de 1x y de sus armónicos sube (la holgura aumentó), aparecen bandas laterales de 1x alrededor de todo, el ruido y la temperatura crecen, y las frecuencias de falla discretas desaparecen, reemplazadas por un piso de ruido aleatorio de banda ancha. La vida restante se mide en horas o días, y la parada en este punto es una parada de emergencia.
Qué es la envolvente
En las etapas 1 y 2 los impactos son pequeños y quedan ocultos bajo la vibración normal de la máquina. La técnica de envolvente (o demodulación) filtra la señal de aceleración en una banda alta, alrededor de las frecuencias naturales excitadas, extrae la envolvente de esos impactos repetitivos y calcula la FFT de esa envolvente. El resultado muestra la frecuencia con que se repiten los impactos, que es justamente la BPFO, la BPFI o la BSF, mucho antes de que aparezcan en el espectro de velocidad. Exige un sensor con respuesta en alta frecuencia y un montaje rígido; un imán sobre pintura no lo logra.
Cómo la alerta por tendencia anticipa el cambio
Con el RMS de velocidad y la temperatura registrados varias veces al día en cada cojinete, el paso de la etapa 2 a la 3 aparece como una pendiente en la curva, semanas antes de que el valor cruce a la zona C. La ISO 20816-3 da el criterio: un cambio superior al 25% del límite B/C, en el mismo punto y en las mismas condiciones, es significativo y requiere investigación, esté donde esté en la tabla.
En nuestra plataforma, cada lectura se compara con los umbrales del sensor, solo el cambio de nivel notifica (correo electrónico y WhatsApp), y la tendencia se ajusta sobre el historial para proyectar cuándo se alcanzaría el umbral de alarma, con la confiabilidad de la estimación declarada. Una advertencia que siempre hacemos: un rodamiento en desgaste se acelera al final, así que la proyección es un plazo máximo, no una fecha fija. El espectro FFT bajo demanda es el paso siguiente: el ingeniero abre el espectro, busca los múltiplos no enteros y confirma qué componente está fallando.
La secuencia práctica:
- La tendencia sube: alerta. Se abre el espectro y se confirma que es el rodamiento.
- Etapa 2 o inicio de la 3: se compra el rodamiento y se programa la parada en la ventana de producción.
- Cambio hecho con la máquina todavía íntegra: el eje, el alojamiento y el sello sobreviven.
- Se registra una nueva línea base.
Qué hacer ahora
- Releve el modelo de los rodamientos de las máquinas críticas y calcule (o pida al fabricante) las cuatro frecuencias para la velocidad de operación.
- Asegure un montaje rígido y un sensor con respuesta por encima de 1 kHz en los cojinetes que importan.
- Registre la línea base con la máquina en buen estado.
- Trate la pendiente de la tendencia como la primera señal, y el espectro como la confirmación.
Si quiere saber qué necesita su planta, hable con uno de nuestros ingenieros.
Fuentes: Ludeca, 4 Stages of Bearing Failures (guía de referencia, 2021); ISO 20816-3:2022, apartado 6.3 (Criterio II, cambio de magnitud de la vibración); fórmulas de frecuencias de falla según la literatura de análisis de vibraciones (Mobius Institute; Acoem; Power-MI).