Pochopení frekvencí poruch ložisek

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

$2,358.31

Díly

Snímač vibrací

$107.47

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

$148.07

Zařízení

Balanset-4

$8,123.32

Díly

Magnetický stojan Insize-60-kgf

$54.93

Díly

Reflexní páska

$11.94

Zařízení

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definice: Co jsou to frekvence poruch ložisek?

Frekvence poruch ložisek (nazývané také frekvence vad ložisek nebo charakteristické frekvence) jsou specifické vibrace frekvence generované, když valivá tělesa (kuličky nebo válečky) v ložisku přecházejí přes vady, jako jsou trhliny, odlupování nebo důlky na ložiskových drážkách nebo na samotných valivých tělesech. Tyto frekvence jsou matematicky předvídatelné na základě geometrie ložiska a otáček hřídele, což z nich činí neocenitelné diagnostické indikátory pro včasnou detekci vady ložisek.

Pochopení a identifikace těchto frekvencí prostřednictvím analýza vibrací umožňuje údržbářskému personálu detekovat problémy s ložisky měsíce předtím, než by se projevily zvýšením teploty, hlukem nebo katastrofickou selháním, což umožňuje plánovanou údržbu a zabraňuje nákladným neplánovaným prostojům.

Čtyři základní poruchové frekvence

Každé valivé ložisko má čtyři charakteristické frekvence poruch, z nichž každá odpovídá jinému typu vady:

1. BPFO – Frekvence přihrávek míče, vnější dráha

Rychlost, s jakou valivá tělesa procházejí pevným bodem na vnějším kroužku:

• Fyzický význam: Pokud se na vnějším kroužku vyskytne vada, každý valivý element do něj při průchodu narazí, čímž vznikne opakovaný náraz.
• Typická hodnota: 3–5× otáčky hřídele pro většinu ložisek
• Vzorec: BPFO = (N × n / 2) × (1 + (Bd/Pd) × cos β)
• Nejčastější: Vady vnějšího kroužku jsou nejčastějším způsobem selhání ložiska
• Vliv zóny zatížení: Stacionární vnější kroužek znamená, že vada je v konstantní poloze vzhledem k zatížení

2. BPFI – Frekvence přihrávek míče, vnitřní dráha

Rychlost, s jakou valivá tělesa procházejí pevným bodem na vnitřním kroužku:

• Fyzický význam: Vnitřní kroužek se otáčí s hřídelí, takže každý valivý element při průchodu narazí na vadu na vnitřním kroužku
• Typická hodnota: 5–7× otáčky hřídele pro většinu ložisek
• Vzorec: BPFI = (N × n / 2) × (1 – (Bd/Pd) × cos β)
• Vyšší než BPFO: Vždy vyšší frekvence než BPFO pro stejné ložisko
• Postranní pásma: Téměř vždy se zobrazuje 1× postranní pásma kvůli modulaci zátěžové zóny

3. BSF – Frekvence otáčení míče

Rotační frekvence valivého tělesa rotujícího kolem vlastní osy:

• Fyzický význam: Pokud má valivý element vadu, ovlivňuje to oba kroužky při této frekvenci.
• Typická hodnota: 1,5–3× otáčky hřídele
• Vzorec: BSF = (Pd / Bd) × (n / 2) × [1 – (Bd/Pd)² × cos² β]
• Nejméně časté: Vady valivých těles jsou méně časté než vady řadových řad
• Složitý vzor: Defekt se dotýká obou závodů a vytváří komplexní vibrační podpis

4. FTF – Základní vlaková frekvence

Frekvence otáčení klece ložiska (držáku):

• Fyzický význam: Rychlost, s jakou se klec otáčí a unáší valivá tělesa kolem ložiska
• Typická hodnota: 0,35–0,45× otáčky hřídele (subsynchronní)
• Vzorec: FTF = (n / 2) × (1 – (Bd/Pd) × cos β)
• Vady klece: Opotřebované nebo poškozené klece tuto frekvenci vyvolávají
• Indikátor nestability: Může se také objevit během nestability rotoru vyvolané ložisky

Vysvětlení proměnných vzorců

Vzorce pro výpočet frekvence poruch používají tyto geometrické parametry ložisek:

• N = Počet valivých těles (kuliček nebo válečků)
• n = Frekvence otáčení hřídele (Hz) nebo otáčky (ot./min)
• Bd = Průměr kuličky nebo válečku
• Pd = Průměr rozteče (průměr kružnice procházející středy valivých těles)
• β = Kontaktní úhel (úhel mezi směrem zatížení a osou ložiska, typicky 0–40°)

Většina softwaru pro analýzu vibrací obsahuje databáze ložisek s těmito parametry předem vypočítanými pro tisíce modelů ložisek.

Jak se frekvence poruch objevují ve vibračních spektrech

Základní vzhled

Když se u ložiska vyvine vada:

• Primární vrchol: Frekvence poruch se jeví jako zřetelný vrchol v frekvenční spektrum
• Harmonické: S zhoršováním závady se objevuje více harmonických (2×, 3×, 4×) frekvence poruchy
• Postranní pásma: U vad vnitřního kroužku a valivých těles jsou běžné postranní pásy 1× kolem frekvence poruchy
• Růst amplitudy: Amplituda frekvence poruchy se zvyšuje s postupem defektu

Postranní pásmové vzory

Postranní pásma poskytují klíčové diagnostické informace:

• Vady vnitřního kroužku: BPFI s postranními pásmy ±1×, ±2× (defekt rotující do/mimo zónu zatížení)
• Vady vnějšího kroužku: BPFO může mít 1× boční pásy, pokud se vnější kroužek může mírně otáčet
• Vady valivých těles: BSF s postranními pásmy v rozteči FTF (modulace klecové frekvence)
• Rozteč postranních pásem: Identifikuje, která součástka je vadná

Raná vs. pozdní fáze

• Raná fáze: Malé špičky sotva nad úrovní šumové hladiny, mohou vyžadovat analýza obálky detekovat
• Střední stupeň: Jasné vrcholy s harmonickými a postranními pásmy ve standardní FFT
• Pokročilá fáze: Velmi vysoká amplituda, četné harmonické, zvýšení širokopásmového šumu
• Pozdní fáze: Spektrum se stává chaotickým se zvýšenou hladinou šumu a četnými špičkami

Detekční techniky

Standardní FFT analýza

• Výpočet Rychlá převodní funkce (FFT) vibračního signálu
• Hledejte špičky na vypočítaných frekvencích ložisek
• Účinné pro středně těžké až pokročilé vady
• Může přehlédnout vady v rané fázi skryté v šumu

Analýza obálky (nejúčinnější)

Analýza obálky (demodulace) je zlatým standardem pro detekci vad ložisek:

• Filtruje nízkofrekvenční vibrace s vysokou energií (z důvodu nevyváženosti atd.)
• Zaměřuje se na vysokofrekvenční vlivy z vad ložisek
• Dokáže detekovat chyby o 6–12 měsíců dříve než standardní FFT
• Obálkové spektrum jasně ukazuje frekvence a vzorce poruch

Techniky časové domény

• Metoda rázových pulzů (SPM): Detekuje energii nárazu z defektů
• Činitel amplitudy: Poměr vrcholu k efektivní hodnotě (RMS) se zvyšuje s nárazem
• Kurtosa: Statistické měření impulzivity, citlivé na předčasné poškození ložiska

Praktické použití

Diagnostický postup

1. Identifikace ložiska: Určete model a umístění ložiska
2. Vypočítejte frekvence: Použijte geometrii ložiska k výpočtu BPFO, BPFI, BSF, FTF (nebo vyhledejte v databázi)
3. Sběr dat o vibracích: Změřte na ložiskovém tělese s akcelerometr
4. Analýza spektra: Hledejte vypočítané frekvence v FFT nebo obálkovém spektru
5. Potvrzení diagnózy: Zkontrolujte harmonické a postranní pásma odpovídající typu závady
6. Posouzení závažnosti: Amplituda a harmonický obsah indikují fázi vývoje defektu
7. Akce plánu: Naplánujte výměnu ložisek na základě závažnosti a kritičnosti zařízení

Příklad diagnózy

Motor s ložiskem SKF 6308 běžící při 1800 ot./min (30 Hz):

• Vypočítané frekvence: BPFO = 107 Hz, BPFI = 173 Hz, BSF = 71 Hz, FTF = 12 Hz
• Pozorováno v obálkovém spektru: Vrchol při 173 Hz s harmonickými při 346 Hz, 519 Hz
• Postranní pásma: ±30 Hz postranní pásma kolem vrcholu 173 Hz
• Diagnóza: Potvrzena vada vnitřního kroužku (BPFI s 1× bočními pásy)
• Akce: Naplánujte výměnu ložiska do 2–4 týdnů v závislosti na amplitudě

Důležitost prediktivní údržby

• Včasné varování: Detekce vad 6–24 měsíců před selháním
• Specifická diagnóza: Určete, která součást ložiska je poškozená
• Monitorování trendů: Sledování amplitud frekvence poruch pro předpověď zbývající životnosti
• Plánovaná údržba: Naplánujte si výměny během vhodného prostoje
• Zabraňte sekundárnímu poškození: Vyměňte ložisko dříve, než katastrofické selhání poškodí hřídel, pouzdro nebo jiné součásti
• Úspora nákladů: Vyhněte se havarijním opravám, výrobním ztrátám a vedlejším škodám

Frekvence poruch ložisek patří mezi nejúčinnější diagnostické nástroje v analýze vibrací. Jejich matematická předvídatelnost v kombinaci s moderními technikami analýzy obálek umožňuje spolehlivou včasnou detekci vad ložisek a tvoří tak základní kámen efektivních programů prediktivní údržby rotačních zařízení.

---

← Zpět na hlavní index