Cómo monitorizar el estado de los rodamientos de agujas en sistemas de Industria 4.0

Respuesta breve

Supervise un rodamiento de agujas midiendo la vibración, la temperatura y el contexto operativo en la carcasa o en la estructura rígida más cercana, y transmitiendo después esos datos a través de un gateway de borde hacia una plataforma que los compara con la línea base propia del rodamiento. La instrumentación directa resulta difícil porque los rodamientos de agujas son compactos, a menudo oscilan en lugar de girar de forma continua y con frecuencia trabajan a baja velocidad. Las herramientas de Industria 4.0 hacen viable esta tarea: sensores de bajo costo, procesamiento en el borde y protocolos abiertos como OPC UA y MQTT permiten supervisar decenas de rodamientos pequeños que nunca habrían justificado una ruta de inspección portátil.

La secuencia práctica es la siguiente:

1. Priorice las posiciones de los rodamientos de agujas según la consecuencia de la falla, no según el tamaño del rodamiento.

2. Seleccione las mediciones en función del tipo de movimiento: vibración y temperatura para rotación; par, corriente del motor o desplazamiento, más temperatura, para oscilación.

3. Instale los sensores sobre metal rígido, lo más cerca posible de la zona de carga que permita el diseño.

4. Procese los datos de alta frecuencia en el borde y envíe hacia arriba variables derivadas, no formas de onda en bruto.

5. Configure las alarmas a partir de la línea base propia de cada rodamiento y vincule cada alarma a una acción de mantenimiento.

Las secciones siguientes explican cada etapa y los errores que con mayor frecuencia frenan los proyectos de monitoreo.

Por qué los rodamientos de agujas son difíciles de monitorear

Los rodamientos de agujas son más difíciles de monitorear que los rodamientos de bolas o de rodillos cilíndricos porque las características que los hacen compactos también eliminan las posiciones habituales para los sensores y debilitan la señal de falla.

• Sección radial muy reducida. Los rodillos de agujas son largos y esbeltos, con una longitud de al menos cuatro veces el diámetro, por lo que el rodamiento requiere muy poco espacio radial. La carcasa suele ser un engranaje, un balancín o el cuerpo de una bomba, sin una superficie libre junto al rodamiento.

• Movimiento oscilante. Los balancines, las crucetas de juntas universales y las articulaciones de actuadores basculan en un tramo de giro en lugar de rotar de forma continua. El diagnóstico basado en frecuencia supone una velocidad de eje estable, y un rodamiento oscilante rompe ese supuesto en cada carrera.

• Baja velocidad, baja energía. Los rodamientos de baja velocidad generan señales de falla débiles. Una revisión de 2018 sobre métodos de vibración y emisión acústica señala que los rodamientos de baja velocidad son más difíciles de monitorear que los de alta velocidad debido a la baja relación señal-ruido.

• Un trayecto de señal largo y ruidoso. Los engranajes, ejes y rodamientos adyacentes añaden su propia vibración. La investigación sobre rodamientos grandes de baja velocidad enumera como dificultades principales las condiciones de operación no estacionarias, la baja energía cinética y la distancia entre la falla y el transductor.

• Ausencia de anillo interior en muchos diseños. Muchos rodamientos de agujas trabajan directamente sobre un eje endurecido, de modo que la superficie del eje actúa como pista interior. Cuando se desgasta, el daño recae sobre una pieza que no se reemplaza junto con el rodamiento.

• Muchos rodamientos por máquina. Una sola transmisión o un solo actuador puede incorporar decenas de rodamientos de agujas, lo que convierte el costo por punto monitoreado en una restricción real.

Los investigadores que ensayan rodamientos de agujas en movimiento oscilante reflejan esta realidad. Un conjunto de datos publicado de prueba hasta fallo para rodamientos de agujas oscilantes registra aceleración, temperatura, desplazamiento posicional, fluctuación de par y movimiento radial, no solo vibración.

Qué medir

Utilice al menos dos señales complementarias para cada posición de un rodamiento de agujas: una de respuesta rápida y otra de respuesta lenta, ya que ninguna medición por sí sola cubre todos los modos de fallo ni todos los tipos de movimiento.

La norma ISO 13373-1, referencia general para la monitorización de la condición mediante vibración, señala que la vibración puede medirse en el rodamiento o en la estructura de la carcasa, y que un programa completo también puede incluir termografía, análisis de aceite, ferrografía, temperaturas y presiones. En los rodamientos de agujas, esa visión más amplia cobra una importancia todavía mayor.

La emisión acústica merece una mención en ejes de baja velocidad. Un estudio doctoral realizado en Cranfield concluyó que sus parámetros estadísticos seguían el estado del rodamiento entre 10 y 100 rpm.

En la práctica, funcionan bien dos combinaciones. En rodamientos de agujas con rotación continua, conviene combinar la vibración de la carcasa con la temperatura de la carcasa. En articulaciones oscilantes, la temperatura puede combinarse con el par de accionamiento o la corriente del motor, incorporando vibración únicamente cuando el recorrido incluya un tramo de velocidad constante que pueda aislarse.

Selección y ubicación del sensor

Coloque el sensor sobre metal rígido, siguiendo un trayecto corto y directo desde la zona de carga, y mantenga esa misma posición en todas las unidades que supervise.

Selección del sensor

• Acelerómetros. Los tipos piezoeléctricos (IEPE) son adecuados para aplicaciones de amplio ancho de banda, como el análisis de envolvente. Los tipos MEMS son más compactos, económicos y fáciles de alimentar, pero conviene verificar en la hoja de datos el rango de frecuencia y el nivel de ruido en función de las fallas que se desea detectar.

• Sensores de temperatura. Un termistor o una termocupla en la carcasa, cerca del alojamiento del rodamiento, proporciona un indicador de condición lento pero fiable, así como una señal de disparo de seguridad.

• Sensores de emisión acústica. Considérelos únicamente en ejes de baja velocidad, cuando la vibración sea débil y exista capacidad suficiente para procesar los datos.

• Señales de contexto. Lea desde el controlador de la máquina la velocidad, la posición o el ángulo, la carga y la corriente del motor, y sincronícelos temporalmente con los datos de los sensores.

Reglas de montaje

1. Monte el sensor sobre la carcasa, cerca de la zona de carga y alineado con la dirección principal de la carga.

2. Elija una superficie rígida y evite cubiertas delgadas, juntas y uniones en la trayectoria de la señal.

3. Utilice pernos o adhesivo para una instalación permanente. Los imanes son aceptables para pruebas, pero pueden desplazarse y atenuar las altas frecuencias.

4. Registre la posición y la orientación del sensor para que los repuestos reproduzcan la instalación original.

5. Mantenga los cables alejados de las líneas de potencia y de las partes móviles. Cuando el cableado no sea viable, opte por nodos inalámbricos y acepte el compromiso entre la tasa de muestreo y la autonomía de la batería.

Cuando no es posible acceder al rodamiento

Monitoree la estructura sólida más cercana y, a continuación, apoye el análisis en tendencias más que en valores absolutos. Una carcasa situada a cierta distancia del rodamiento no entregará una lectura que coincida con la hoja de datos, pero sí permitirá detectar que este rodamiento se comporta ahora de forma distinta a como lo hacía el mes pasado. Cuando ni siquiera eso sea posible, utilice variables indirectas: la temperatura de la carcasa, el par de accionamiento y la corriente del motor suelen revelar un incremento de fricción en una articulación oscilante sin necesidad de instalar un sensor directamente sobre el rodamiento. Los sensores integrados en el propio rodamiento son poco comunes en los rodamientos de agujas, por lo que la medición sobre la carcasa es la solución práctica por defecto.

Arquitectura Industria 4.0: del sensor a la acción de mantenimiento

Una arquitectura de monitoreo viable consta de cuatro etapas, y la regla de diseño clave es mantener el procesamiento de alta frecuencia en el edge.

Lea de izquierda a derecha: los sensores alimentan una pasarela edge, la pasarela envía las variables características mediante MQTT a la plataforma, y la plataforma genera alertas que originan órdenes de mantenimiento.

Pasarela edge. Sincronice los datos de los sensores con la velocidad, el ángulo y la carga procedentes del controlador de la máquina, calcule variables como RMS, curtosis y energía de banda, y conserve en un búfer ráfagas cortas de datos en bruto para el diagnóstico. Enviar solo métricas agregadas o alertas de anomalía, en lugar de señales crudas de alta frecuencia, reduce la carga de la red. Una pasarela también puede leer controladores heredados mediante sus protocolos nativos y volver a publicar los datos en un formato estándar.

OPC UA y MQTT, utilizados conjuntamente. OPC UA proporciona acceso estructurado a los datos de la máquina en el edge. MQTT es un protocolo de publicación-suscripción basado en un broker, idóneo para numerosos emisores pequeños. Ambos se complementan: una pasarela edge con un adaptador OPC UA integrado lee los datos de la máquina y los publica como mensajes MQTT, sin necesidad de una capa de traducción personalizada.

Plataforma. Almacene las variables como series temporales, junto con el contexto operativo, conserve la línea base y las reglas de alarma de cada rodamiento, y publique los resultados en los paneles de control y en el sistema de mantenimiento.

Seguridad. Considere los sensores y las pasarelas como parte de la red de tecnología operativa. Un patrón habitual, descrito en un artículo sobre arquitectura de datos para IIoT, consiste en filtrar los datos localmente y transferir métricas agregadas mediante un broker de mensajes a una DMZ industrial, conforme a las prácticas de ISA/IEC 62443.

Convertir los datos en decisiones

Una alarma solo es útil si compara cada rodamiento con su propio comportamiento en condiciones normales y, a continuación, indica al técnico qué acción debe tomar.

Establezca una línea base para cada rodamiento

Registre el funcionamiento normal en todo el rango de velocidades, cargas y carreras, durante un periodo suficiente para cubrir los ciclos típicos de producción. Los rodamientos de agujas en posiciones nominalmente idénticas pueden diferir debido a la rigidez del alojamiento y al montaje del sensor, por lo que una línea base compartida genera falsas alarmas.

Haga seguimiento de un conjunto reducido de variables

Entre las más útiles se incluyen el valor eficaz y la aceleración pico, el factor de cresta, la curtosis, la energía en bandas de frecuencia seleccionadas, el incremento de temperatura respecto al ambiente y el par de accionamiento. Haga su seguimiento en función del estado de operación, no solo del tiempo transcurrido.

Utilice el análisis de envolvente para rodamientos rotativos

Un defecto superficial en crecimiento genera impactos repetidos que excitan resonancias estructurales. La demodulación de esa banda de alta frecuencia y la búsqueda de picos en las frecuencias de defecto del rodamiento constituyen un método estándar para identificar la ubicación de la falla. Para un rodamiento con n rodillos, frecuencia del eje f_r, diámetro del rodillo d, diámetro primitivo D y ángulo de contacto φ, las frecuencias de la pista exterior y de la pista interior son:

Los rodamientos de agujas tienen muchos rodillos y una relación reducida entre el diámetro del rodillo y el diámetro primitivo; por ello, estas frecuencias se sitúan en múltiplos elevados de la velocidad del eje, con armónicos muy próximos entre sí. Confírmelas en los datos del fabricante antes de utilizarlas como referencia.

Gestione explícitamente la oscilación

Registre el ángulo o la posición en cada captura de vibración. Analice únicamente el tramo de la carrera en el que la velocidad se mantenga aproximadamente constante, o compare capturas tomadas en la misma posición y en la misma dirección. Cuente ciclos, no horas: el desgaste de un rodamiento oscilante depende del número de carreras y de su amplitud.

Defina los niveles de alarma a partir de la magnitud y la variación

La norma ISO 20816-1, que sustituye a ISO 10816-1 e ISO 7919-1, establece sus criterios generales de evaluación en función tanto de la magnitud de la vibración como de su variación. Aplique el mismo principio a cada rodamiento: un nivel para la magnitud absoluta y otro para la tasa de cambio. La norma aborda la vibración de máquinas completas, por lo que debe considerarse un marco de referencia y no un límite específico para el rodamiento.

Incorpore el aprendizaje automático con criterio

Los modelos de detección de anomalías entrenados con datos en buen estado son una vía razonable para señalar comportamientos inusuales cuando escasean los ejemplos de fallo. Los datos de funcionamiento hasta la falla son el principal factor limitante para los modelos de predicción de averías; por ello, mantenga una capa basada en reglas junto al modelo, exija explicaciones para las alertas y revise las falsas alarmas con el personal de mantenimiento antes de ampliar la automatización.

Modos de falla y las señales que generan

Cada modo de falla habitual en los rodamientos de agujas deja una huella distinta; por ello, una sola señal rara vez ofrece el panorama completo.

La última fila es fácil de pasar por alto. Cuando el eje cumple la función de pista interior, una alarma de monitoreo debe activar tanto la inspección del eje como la sustitución del rodamiento; de lo contrario, la misma señal volverá a aparecer.

Hoja de ruta de implementación

Comience con un piloto reducido en los puntos donde la falla tenga el mayor costo, demuestre que las señales distinguen entre condiciones saludables y de deterioro, y después escale la solución.

1. Seleccione de 5 a 10 puntos críticos. Clasifíquelos según el costo del paro, el impacto en seguridad, la dificultad de sustitución y el historial de fallas.

2. Defina las preguntas de falla. Para cada punto, determine qué modos de falla son relevantes y qué acción debe activar una alarma.

3. Seleccione las señales. Combine una señal rápida con otra de respuesta lenta (véase la tabla de la sección de medición) y añada el contexto operativo.

4. Instale y documente los sensores. Registre para cada punto la posición, la orientación, el método de montaje y la calibración.

5. Obtenga una línea base. Cubra todo el rango de estados normales de operación antes de configurar las alarmas.

6. Configure alarmas conservadoras. Empiece con alertas por tasa de cambio y un disparo por temperatura, y ajústelas con la retroalimentación del área de mantenimiento.

7. Integre el sistema con el flujo de trabajo de mantenimiento. Cada alarma debe generar una orden de trabajo o una inspección definida, no solo un cambio de color en el panel.

8. Revise el sistema tras las primeras fallas y falsas alarmas. Utilice los hallazgos confirmados en las inspecciones de desmontaje para ajustar los umbrales y las variables.

9. Escale por patrón. Replique el kit de sensores y el procedimiento de línea base en máquinas similares antes de incorporar nuevos tipos de señales.

El piloto tendrá éxito cuando las alarmas coincidan con los hallazgos de la inspección, el equipo de mantenimiento confíe en las alertas y otra planta pueda seguir el procedimiento documentado.

Errores comunes que deben evitarse

La mayoría de los proyectos de monitorización de rodamientos de agujas se detienen por motivos organizativos y de medición, no por falta de analítica.

• Empezar por la plataforma en la nube. Primero defina las preguntas sobre modos de fallo y la ubicación de los sensores; después, seleccione el software.

• Utilizar un único umbral para todos los rodamientos. La rigidez del alojamiento y el montaje del sensor modifican la lectura, por lo que deben emplearse líneas base específicas para cada rodamiento.

• Ignorar el perfil de movimiento. Aplicar métodos de velocidad constante a articulaciones oscilantes genera picos de frecuencia sin valor diagnóstico.

• Basarse únicamente en la temperatura. Cuando el alojamiento ya se calienta, la película lubricante a menudo se ha degradado con anterioridad.

• Transmitir formas de onda sin procesar. Sobrecarga las redes y el almacenamiento. Extraiga las características en el edge y capture los datos en bruto solo bajo demanda.

• Omitir el eje. Una pista del eje dañada destruirá el rodamiento de repuesto.

• Sin vínculo con la acción. Una alarma sin responsable ni respuesta definida es simple ruido.

• Descuidar la seguridad. Trate la red de sensores y gateways como parte de su entorno de tecnología operativa y segméntela en consecuencia.

Preguntas frecuentes

¿Se puede monitorizar un rodamiento de agujas con un sensor de vibración?

Sí, siempre que el rodamiento gire a una velocidad razonable y el sensor esté instalado sobre una zona rígida del alojamiento, cerca de la zona de carga. En movimientos lentos u oscilantes, la vibración por sí sola aporta poca información; por ello, conviene añadir temperatura y par, o bien corriente del motor.

¿Cuál es el mejor sensor para la monitorización de la condición de rodamientos de agujas?

No existe un único sensor óptimo. Un acelerómetro montado en el alojamiento, combinado con un sensor de temperatura, cubre la mayoría de las aplicaciones rotativas. La emisión acústica es adecuada para ejes de muy baja velocidad, mientras que el par de accionamiento o la corriente del motor son apropiados para articulaciones oscilantes.

¿Cómo se monitorizan los rodamientos de agujas con movimiento oscilante?

Registre el ángulo o la posición en cada medición, analice la parte del recorrido a velocidad constante, cuente ciclos en lugar de horas y supervise las tendencias de temperatura y par junto con la vibración.

¿Necesito machine learning?

No. Las líneas base específicas por rodamiento, las variables tendenciales y unos niveles de alarma razonables resuelven la mayoría de los casos. Machine learning resulta útil cuando se dispone de muchas máquinas similares y de suficientes datos en buen estado para modelar el comportamiento normal.

¿Qué protocolos conectan los sensores con la nube?

OPC UA y MQTT, por lo general de forma conjunta. OPC UA proporciona acceso estructurado a los datos de máquina en el edge, y MQTT los transporta a través de un broker. Un gateway de edge puede integrar ambos sin necesidad de código personalizado.

¿Con qué frecuencia debe recopilarse la información?

Recopile variables de baja frecuencia, como la temperatura y el valor eficaz (RMS), a intervalos regulares, y active capturas de forma de onda de alta frecuencia según un programa, por eventos o cuando se supere un umbral. Ajuste el intervalo a la velocidad con la que se desarrolla el modo de fallo.

Conclusión

La condición de los rodamientos de agujas puede supervisarse con eficacia combinando sensores montados en la carcasa, contexto operativo, procesamiento en el borde y líneas base específicas para cada rodamiento. El método debe adaptarse al movimiento: la rotación continua permite un diagnóstico basado en vibraciones, mientras que las articulaciones oscilantes y de baja velocidad requieren análisis de temperatura, par o corriente del motor, además de un análisis basado en ciclos. Comience con un piloto en posiciones críticas, asocie cada alarma a una acción y amplíe la implantación solo cuando las alertas se hayan ganado la confianza del equipo de mantenimiento.

Las decisiones de diseño adoptadas antes de la instalación determinan en qué medida podrá supervisarse un rodamiento de agujas: la rigidez de la carcasa, el espacio para el montaje del sensor, el acceso a la lubricación y la dureza del eje. Si está especificando rodamientos de agujas para equipos que prevé monitorizar, consulte a los ingenieros de LILY Bearing sobre la configuración del rodamiento y el diseño de carcasa que lo facilite. Solicite hoy mismo una consulta gratuita de selección de rodamientos con el equipo de ingeniería de LILY Bearing.