Ruidos y vibraciones en reductores de grúa: 5 sonidos y 7 criterios

Los criterios de diagnóstico de fallos y reparación que se exponen en este artículo se fundamentan principalmente en los requisitos de diseño relativos a la capacidad de carga y la clase de funcionamiento del reductor establecidos en la norma ISO 4301 / FEM 1.001, así como en los criterios de aceptación para la detección de vibraciones y los ensayos de carga definidos en la norma ISO 4306, proporcionando así una base normativa para la resolución de averías en campo.

¿Cómo diagnosticar los 5 tipos de ruido anormal en el reductor de una grúa mediante auscultación?

El ruido anormal en el reductor de una grúa es la señal de alerta temprana más fácil de detectar para el personal de mantenimiento. En un reductor en funcionamiento normal, el sonido del engrane de los engranajes debe ser un zumbido uniforme y suave, con un nivel de ruido que normalmente no supera los 85 dB(A). Cuando aparecen los siguientes 5 tipos de ruido anormal, la ubicación aproximada del fallo y su gravedad pueden determinarse inicialmente mediante auscultación:

Primer tipo: silbido agudo de alta frecuencia. Se caracteriza por un chirrido penetrante, con una frecuencia generalmente en el rango de 1 kHz a 4 kHz, que aumenta con la velocidad de rotación. Esto suele indicar una lubricación insuficiente de la superficie del diente o la rotura de la película de aceite, lo que provoca el contacto directo metal con metal. Los datos de mantenimiento de Kelude muestran que aproximadamente el 35% de los fallos por ruido anormal en reductores se deben a una lubricación deficiente.

Segundo tipo: golpeteo periódico. Se caracteriza por un sonido de impacto rítmico, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad de rotación del eje. La causa más común es el picado, el desconchado o la rotura de dientes en la superficie del engranaje, que produce un impacto por cada revolución. El picado o desconchado en las pistas de rodadura o en los elementos rodantes de los rodamientos también puede generar un sonido similar, que puede distinguirse calculando la frecuencia para determinar si se trata de la frecuencia de engrane o de la frecuencia de los rodamientos.

Tercer tipo: retumbo sordo. Se caracteriza por un rugido continuo de baja frecuencia, acompañado de una vibración notable de la carcasa. Suele deberse a un juego excesivo entre los dientes o a un desgaste severo de las superficies de los dientes, siendo especialmente evidente cuando el juego lateral supera los 0,5 mm por encima del valor estándar. Los reductores de grúas que operan de forma continua en clases de funcionamiento A6 a A8 son más propensos a presentar este problema.

Cuarto tipo: chirrido intermitente. Se caracteriza por un sonido de fricción agudo e irregular, similar al raspado de metal. Las causas más comunes son el daño en la jaula del rodamiento, el atasco de los rodillos o la presencia de cuerpos extraños en el interior de la carcasa. En casos graves, puede ir acompañado de la rotura del elemento elástico del acoplamiento, cuyos fragmentos pueden introducirse en la zona de engrane de los engranajes.

Quinto tipo: susurro continuo. Se caracteriza por un sonido de roce fino y persistente, de bajo volumen pero constante. Suele deberse a la contaminación del aceite lubricante (exceso de humedad o exceso de partículas metálicas), que acelera el micromovimiento y el desgaste de la superficie de los dientes. Cuando la concentración de partículas en el análisis ferrográfico supera las 500 ppm, este sonido suele ser audible.

Para la auscultación en campo, se puede utilizar un estetoscopio industrial o un sonómetro junto con una aplicación de análisis de espectro, comparando la forma de onda del sonido capturada con las frecuencias características de los fallos. El equipo de asistencia técnica de Kelude recomienda detener la máquina inmediatamente para inspección al escuchar los tres primeros tipos de sonido; para los dos últimos, se puede programar un mantenimiento planificado, pero en ningún caso debe superarse un plazo de 48 horas.

3 características espectrales del ruido de engrane en el reductor de grúa y criterios de reparación

El ruido anormal en el engrane de los engranajes de un reductor industrial puede localizarse con precisión mediante el análisis del espectro de vibración. La frecuencia de engrane normal (GMF) se calcula con la fórmula: GMF = número de dientes x frecuencia de rotación (Hz). Tomando como ejemplo el reductor de polipasto eléctrico modelo CD1-10t de Kelude, con un motor a 1400 rpm (23,3 Hz) y un piñón de 18 dientes, la GMF = 18 x 23,3 = 420 Hz. La aparición de las siguientes 3 características espectrales alrededor de esta frecuencia indica una anomalía:

Característica 1: amplitud de GMF excesiva. Cuando la velocidad de vibración de la GMF y sus armónicos (2X, 3X) supera los 7,1 mm/s (límite de la Zona C/D según ISO 10816-3), indica un desgaste o picado significativo de la superficie del diente, por lo que es necesario abrir la carcasa para inspeccionar el estado de los dientes.

Característica 2: bandas laterales densas alrededor de la GMF. La aparición de grupos de bandas laterales equidistantes a ambos lados de la GMF (con una separación igual a la frecuencia de rotación del engranaje defectuoso), y con una amplitud superior al 30% de la amplitud de la GMF, indica excentricidad del engranaje, error en el paso de los dientes o curvatura del eje. En este caso, debe medirse la excentricidad radial del engranaje con un comparador de carátula, cuyo valor admisible no debe superar los 0,05 mm.

Característica 3: impactos a frecuencias no armónicas. La aparición en el espectro de señales de impacto aleatorias que no guardan una relación de número entero con la GMF, con una forma de onda temporal claramente impulsiva, suele indicar la rotura de un diente o la fractura de la jaula del rodamiento. Se trata de un fallo que requiere una parada de emergencia: la máquina debe detenerse inmediatamente para su reparación.

Según lo establecido en la norma ISO 4301 / FEM 1.001, el patrón de contacto de los engranajes del reductor bajo carga nominal debe ser de al menos el 45% en la dirección de la altura del diente y del 60% en la dirección de la longitud del diente. El juego lateral estándar es de 0,10 a 0,20 mm para módulos de 3 a 6 mm, y de 0,15 a 0,30 mm para módulos de 6 a 10 mm. Si no se cumple alguno de estos criterios, el par de engranajes debe ajustarse o sustituirse de inmediato.

¿Cómo detectar el golpeteo y el aumento anormal de temperatura causados por el fallo de los rodamientos del reductor de grúa?

El fallo de los rodamientos del reductor es la segunda causa más común de ruido anormal, después de los fallos en los engranajes, representando el 28% de las reparaciones registradas por Kelude. El fallo de los rodamientos puede diagnosticarse mediante la combinación de tres parámetros: características del sonido, monitoreo de temperatura y parámetros de vibración.

Características del sonido: cuando aparecen picaduras o desconchados en las pistas de rodadura del aro interior o del aro exterior de un rodamiento, se genera un sonido de impacto periódico cuya frecuencia característica de fallo puede calcularse mediante fórmulas. La frecuencia de fallo del aro interior (BPFI) = 0,5 x n x (1 + d/D x cos) x fr, y la frecuencia de fallo del aro exterior (BPFO) = 0,5 x n x (1 - d/D x cos) x fr, donde n es el número de elementos rodantes, d es el diámetro del elemento rodante, D es el diámetro primitivo y fr es la frecuencia de rotación del eje. Si el período del sonido de "golpeteo" escuchado en campo coincide con el resultado del cálculo, se puede identificar la posición del rodamiento defectuoso.

Monitoreo de temperatura: el aumento de temperatura de un rodamiento en funcionamiento normal no debe superar los +40 °C con respecto a la temperatura ambiente, y la temperatura máxima no debe exceder los 80 °C (requisito de la norma ISO 4301 / FEM 1.001). Utilizando una pistola de medición de temperatura por infrarrojos o una cámara termográfica en el soporte de rodamiento, si la temperatura supera los límites mencionados o si la diferencia de temperatura entre los distintos soportes de rodamiento del mismo reductor supera los 15 °C, indica que el rodamiento correspondiente presenta una fallo de lubricación o un desgaste acelerado.

Parámetros de vibración: se deben colocar sensores de aceleración en las direcciones radial y axial del soporte de rodamiento para medir la aceleración vibratoria. El valor normal para un rodamiento nuevo debe ser inferior a 10 m/s² (RMS); con desgaste leve, entre 10 y 20 m/s²; y con desgaste severo o daño en la jaula, superior a 30 m/s². También debe controlarse la aparición de las frecuencias características de fallo del rodamiento y sus armónicos en el espectro de envolvente de aceleración.

Kelude recomienda establecer un registro de tendencias de temperatura y vibración para cada rodamiento durante las inspecciones rutinarias. Si el valor de vibración muestra una tendencia ascendente durante 3 mediciones consecutivas o si la velocidad de aumento de temperatura supera los 5 °C por semana, debe programarse la sustitución del rodamiento de inmediato.

¿Cómo medir y corregir la vibración periódica causada por la desalineación del acoplamiento en el reductor de grúa?

La desalineación del acoplamiento es la tercera causa más común de vibración periódica en el reductor, especialmente en aplicaciones donde se utiliza un acoplamiento flexible con pernos o un acoplamiento de diafragma entre el motor y el eje de alta velocidad del reductor. La desalineación se clasifica en desalineación paralela (desviación radial) y desalineación angular (desviación axial), que pueden distinguirse por sus características espectrales de vibración:

Desalineación paralela: el espectro está dominado por la 2.ª armónica de la frecuencia de rotación (2X), con una vibración axial pequeña y una vibración radial más pronunciada. La amplitud de la vibración aumenta significativamente con la carga, pudiendo ser poco perceptible en vacío. La experiencia de campo de Kelude demuestra que cuando la amplitud de 2X supera el 50% de la amplitud de 1X, debe prestarse especial atención a la alineación radial.

Desalineación angular: el espectro está dominado por la 1.ª armónica de la frecuencia de rotación (1X), con una vibración axial claramente mayor que la radial. La diferencia de fase de la vibración axial entre los dos extremos del acoplamiento es de aproximadamente 180 grados, lo que puede confirmarse mediante un análisis de fase de doble canal. La desalineación angular suele ir acompañada de un desgaste anormal del elemento elástico del acoplamiento y de un aumento de la temperatura.

Criterios de corrección: la alineación debe realizarse con un alineador láser o un comparador de carátula. La desviación radial entre los dos ejes no debe superar los 0,05 mm, y la desviación angular no debe superar los 0,05 mm/100 mm (equivalente a 0,03 grados). El procedimiento de corrección incluye: aflojar los pernos de anclaje del motor, ajustar la altura añadiendo o retirando calzas bajo la base del motor, utilizar los tornillos de empuje para ajustar la desviación horizontal, apretar los pernos de anclaje en dos pasos en cruz hasta el par especificado y, finalmente, volver a medir para confirmar que la desviación se encuentra dentro de los límites admisibles.

Los polipastos eléctricos de las series CD/MD de Kelude se fabrican con una precisión de alineación del acoplamiento inferior a 0,03 mm. Se recomienda volver a alinear y registrar los datos de alineación después de cada revisión general.

Métodos de detección del silbido por lubricación deficiente y del deterioro del aceite en el reductor de grúa

La lubricación deficiente es la causa principal del silbido agudo de alta frecuencia en el reductor y constituye la fuente de fallo más frecuente entre los cinco tipos de ruido anormal. El fallo de lubricación puede presentarse de tres formas: nivel de aceite insuficiente (por debajo de la línea media del visor de nivel), deterioro del aceite (disminución de la viscosidad o contaminación excesiva) y tipo de aceite incorrecto (grado de viscosidad no adecuado).

Comprobación del nivel de aceite: después de detener la máquina durante 15 minutos, debe comprobarse el nivel en el visor o con la varilla de aceite; el nivel debe encontrarse entre 1/2 y 2/3 de la altura del visor. Si el nivel es insuficiente, los engranajes no pueden formar una película de aceite completa; para garantizar una lubricación hidrodinámica, el espesor de la película de aceite en la superficie del diente debe ser de al menos 1 µm. Kelude recomienda comprobar el nivel de aceite cada 500 horas y sustituir el aceite lubricante cada 2000 horas o cada 6 meses, lo que ocurra primero.

Detección del estado del aceite: deben realizarse tres pruebas rápidas con una muestra de aceite. La prueba de viscosidad se realiza con un viscosímetro portátil; la viscosidad cinemática a 40 °C debe estar dentro del rango ISO VG220 a VG460 (según el modelo del reductor); si la viscosidad disminuye más de un 15%, debe sustituirse el aceite. La prueba de humedad se realiza mediante el método Karl Fischer o la prueba de explosión; el contenido de agua debe ser inferior a 500 ppm; un valor superior indica una disminución de la resistencia de la película de aceite y un riesgo de micropicado en la superficie de los dientes. En el análisis ferrográfico/espectroscópico, si el contenido de hierro supera las 200 ppm o el contenido de silicio (contaminación por polvo) supera las 50 ppm, debe sustituirse el aceite y revisar los sellos.

Selección del tipo de aceite: según los requisitos de temperatura ambiente de la norma ISO 4306, para temperaturas ambiente de -10 a 35 °C debe utilizarse aceite para engranajes industriales de carga media N320 (L-CKC320); para temperaturas ambiente inferiores a -10 °C debe utilizarse aceite de baja viscosidad N220; para temperaturas ambiente superiores a 35 °C o condiciones de servicio pesado (clases de funcionamiento A6 a A8) debe utilizarse aceite de alta viscosidad N460. Los reductores de Kelude se suministran de fábrica con aceite N320; para condiciones de trabajo especiales, puede personalizarse la solución de lubricación.

¿Cómo eliminar la vibración de baja frecuencia causada por la resonancia de la carcasa y el aflojamiento de los pernos de anclaje en el reductor de grúa?

La resonancia de la caja del reductor y el aflojamiento de los pernos de anclaje generan vibraciones estructurales de baja frecuencia, típicamente en el rango de 10~50 Hz, que se distinguen claramente de la frecuencia de engrane de los engranajes y de las frecuencias características de los rodamientos. Aunque este tipo de vibración no es tan destructiva como las fallas de engranajes o rodamientos, su presencia prolongada acelera la fatiga y fractura de los pernos de anclaje, así como el desgaste de la superficie de montaje de la caja.

Detección de resonancia de la caja: se emplea el método de impacto para probar la frecuencia natural de la caja del reductor. Con el motor sin tensión, se golpea la caja con un martillo de goma y se captura el espectro de respuesta mediante un sensor de aceleración, obteniendo las tres primeras frecuencias naturales de la caja. Si la diferencia entre cualquiera de estas frecuencias naturales y la frecuencia de engrane o su segundo armónico es inferior al ±10%, existe riesgo de resonancia. Las soluciones incluyen: añadir nervaduras de refuerzo en la superficie de la caja para modificar la rigidez local, ajustar la rigidez de los soportes de anclaje para desplazar la frecuencia natural fuera de la frecuencia de excitación, o utilizar un variador de frecuencia para ajustar la velocidad de rotación del motor y modificar la frecuencia de excitación.

Inspección de aflojamiento de anclaje: se revisan los pernos de anclaje uno a uno con una llave dinamométrica. El par estándar para pernos M16 es de 210~250 Nm, para M20 de 410~490 Nm y para M24 de 710~860 Nm (grado 8.8). Si se detecta que el par de cualquier perno es inferior al 70% del valor estándar, se deben aflojar todos y reapretar en diagonal en dos pasos. En el espectro de vibración, el aflojamiento de anclaje se manifiesta como un aumento repentino e inestable de la amplitud a la frecuencia de rotación (1X); tras un reinicio, la amplitud puede volver temporalmente a la normalidad.

Recomendación de Kelude: durante la instalación del reductor, se deben utilizar calzas de ajuste de acero inoxidable de 0,5~2 mm de espesor entre la base y el soporte, garantizando un área de contacto entre la superficie inferior de la caja y la base de al menos el 80%. Tras el montaje, se deben marcar líneas de referencia entre la cabeza del perno, la tuerca y la superficie de la brida; en la inspección rutinaria, basta con observar si estas marcas están desalineadas para detectar rápidamente un posible aflojamiento.

Tabla comparativa de 5 tipos de ruido anormal en reductores de grúa y sus parámetros de falla

Tabla comparativa: 7 indicadores de vibración en el mantenimiento de reductores de grúa según la norma ISO 4301 / FEM 1.001

Indicadores clave de mantenimiento para fallos por ruido anormal en el reductor de la grúa

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