El uso de la demodulación o análisis de envolvente es un excelente complemento para mejorar el análisis espectral en la detección de defectos en rodamientos y cajas de engranajes. Esta sección describe qué es la demodulación, para qué se utiliza.

¿Qué es la demodulación?

La demodulación puede explicarse mediante el siguiente ejemplo: supongamos que tenemos un rodamiento con un defecto en la pista exterior, tal y como se observa en la Figura 9.7. Cada vez que una bola pasa sobre el defecto, genera un pequeño impacto que oímos como un “clic”. Si, por ejemplo, la BPFO (frecuencia de deterioro de la pista exterior) del rodamiento es 6,2, es decir, pasan 6,2 bolas sobre el defecto en cada revolución del eje, tendremos 6,2 “clics” por revolución. Si medimos la vibración en este rodamiento durante una revolución completa del eje obtendremos una forma de onda como la representada en color rojo en la Figura 9.15.

Al analizar el espectro la vibración medido en este rodamiento (ver Figura 9.16), encontramos picos armónicos de la BPFO, es decir, a una frecuencia igual a 6,2 veces la velocidad de rotación del eje. Dichos picos están directamente relacionados con este defecto en el rodamiento. Sin embargo, la señal de vibración contiene más información, tal y como podemos ver en el espectro estándar, y por tanto, surge la pregunta: ¿Qué es esa otra información?.

El impacto que se genera cuando cada bola del rodamiento encuentra una discontinuidad, es el mismo que el rodamiento hace cuando se le golpea con un martillo, de forma similar a una campana golpeada por un martillo. La estructura, formada por el rodamiento, su caja y el eje de la máquina, todos ellos en conjunto actúan como una campana en resonancia. El sonido que hace cuando una bola golpea el defecto se corresponde con una determinada frecuencia, denominada frecuencia natural o frecuencia de resonancia, que es típicamente una frecuencia alta, en un rango entre 1 y 20 kHz dependiendo de la masa y la dureza de la estructura del rodamiento, y no queda sólo concentrada en algunas frecuencias en particular, sino en bandas de frecuencias. Esta frecuencia de resonancia es una propiedad de la estructura y no es afectada por cuantas veces se golpee o como de intenso sea el impacto.

Teniendo esto presente, podemos ver desde otro punto de vista la vibración asociada a este defecto: considerando que el rodamiento o “campana” está sonando todo el tiempo y cuando el defecto es golpeado por la bola este simplemente sonará más fuerte. Este efecto de variación en la amplitud de la frecuencia natural se conoce como modulación de amplitud y se puede apreciar claramente en la Figura 9.15, donde la frecuencia natural actúa como señal portadora y la señal BPFO actúa como señal modulada.

El proceso de demodulación consiste en obtener a partir de la vibración original de la Figura 9.15 una nueva señal que contenga únicamente la señal modulada, tal y como se representa en la Figura 9.17. Esta nueva señal también se conoce como envolvente de la señal original. El espectro de la señal demodulada se denomina espectro de demodulación (ver Figura 9.18) y contiene picos armónicos a la frecuencia de “tintineo” (BPFO) de la señal de vibración original.

En resumen, podemos ver en dos lugares diferentes y de dos maneras diferentes los efectos de las bolas golpeando un defecto en una pista. Una se puede interpretar como el número de impactos por revolución del eje: si 6,2 bolas golpean el defecto por revolución del eje podemos ver un pico en el espectro de vibración con frecuencia 6,2xRPM (BPFO). Otra manera es verlo en términos de frecuencia resonante de la carcasa del rodamiento: el sonido del armazón del rodamiento es más fuerte 6,2 veces por revolución del eje y si demodulamos la señal tendremos un pico en 6,2xRPM (BPFO).

Por lo tanto, existen esencialmente dos caminos diferentes para llegar a ese 6,2xRPM (BPFO), el cual nos dice que se está desarrollando un problema en el rodamiento.

¿Por qué usar demodulación?

Llegados a este punto cabe hacerse la siguiente pregunta: si es posible identificar problemas en rodamientos con una técnica, ¿por qué complicarse con otra alternativa?. El empleo de la demodulación en el diagnóstico de averías es de extrema utilidad debido a que aporta al analista las siguientes capacidades.

Medidas en presencia de vibración aleatoria

Una razón para usar la demodulación es la existencia de equipos, como bombas o sopladores, que debido a su propio funcionamiento generan gran cantidad de vibración aleatoria que incrementa el ruido de fondo en el espectro. Este nivel de ruido puede enterrar los armónicos asociados a las frecuencias de fallo del rodamiento en el espectro estándar. Además, el ruido de fondo producido por la vibración aleatoria, a menudo es similar al causado por un desgaste severo de los rodamientos, lo cual puede provocar que dicho desgaste pase inadvertido. La demodulación puede resultar extremadamente útil ante esta situación.

Medida a muy baja velocidad

La demodulación también es de gran utilidad para diagnosticar problemas en rodamientos de máquinas de muy baja velocidad. Si usted tiene una máquina que gira a 60 RPM (1 Hz) y quiere encontrar frecuencias de rodamiento en un rango entre 3xRPM y 10xRPM, la frecuencia de esos armónicos será inferior a 10 Hz. Cuando se usa el espectro de vibración en velocidad, la necesaria integración de la aceleración a velocidad, actúa como un filtro paso alto de 10 Hz, haciendo que estas bajas frecuencias sean prácticamente imperceptibles. Afortunadamente, los datos demodulados seguirán siendo válidos dado que la frecuencia resonante del rodamiento continua siendo de alta frecuencia.

Detección temprana

La demodulación permite la detección lo más temprana posible de un fallo de rodamiento, dado que, las frecuencias de fallo del rodamiento que aparecen en el espectro de demodulación constituyen el primer indicador del inicio del deterioro de un rodamiento. La demodulación permite detectar dichas frecuencias de fallo antes de que se vuelvan lo suficientemente fuertes como para aparecer en el espectro estándar.

Mayor capacidad de diagnóstico

Si surge un pico a una determinada frecuencia en el espectro de demodulación, muy probablemente sea una frecuencia de fallo de rodamiento. Entonces, cabe esperar que también aparezca en el espectro estándar a medida que el deterioro progresa. Recíprocamente, si surge en el espectro estándar un pico extraño, no síncrono con la frecuencia de giro del eje, y este también aparece en el espectro de demodulación, es posible estar seguro de que es una frecuencia de fallo de rodamiento. Por último, si se observan frecuencias de fallo de rodamiento en el espectro estándar en dos puntos diferentes de la máquina y dichas frecuencias aparecen en el espectro de demodulación de uno de los puntos pero no en el otro, podemos concluir que el punto en el que sí aparecen es el que tiene un problema de rodamiento.

¿Por qué no usar sólo demodulación?

Lamentablemente, no es posible hacer uso del espectro de demodulación en exclusiva como herramienta de diagnóstico porque no permite correlacionar la amplitud de las frecuencias de fallo con el estado de deterioro del rodamiento. El motivo de esto es que a medida que avanza el deterioro del rodamiento se incrementa el número de defectos en el mismo, haciendo que la señal demodulada sea cada vez más aleatoria. Por ello, a medida que el deterioro del rodamiento avanza, los armónicos en el espectro de demodulación perderan amplitud, pudiendo llegar incluso a desaparecer.

Además, el nivel del pico en el espectro de demodulación es simplemente relativo a como de ruidosos son los “clics” comparados con el ruido de fondo del rodamiento. Esta proporción, por si sola, no es suficiente para hacer una correlación con la severidad del deterioro del rodamiento.