Comprendre le BPFI — Fréquence de passage des billes, bague intérieure
BPFI (Fréquence de passage des billes, bague intérieure) est l'un des quatre fondamentaux fréquences de défaut des roulements et correspond à la fréquence à laquelle les éléments roulants passent sur un défaut présent sur la bague intérieure en rotation d'un roulement. Lorsqu'une écaille, une fissure ou une piqûre se forme sur cette bague intérieure, chaque élément roulant heurte le défaut au fur et à mesure que la bague le fait passer, générant des chocs périodiques qui se manifestent dans le Vibrations signal à la fréquence BPFI. Ce qui distingue la BPFI des autres fréquences caractéristiques, c'est son décalage quasi constant de ±1× bandes latérales — une signature caractéristique qui fait des défauts de bague intérieure les anomalies les plus facilement identifiables dans analyse des vibrations.
1. Définition : Qu'est-ce que le BPFI ?
Le BPFI compte le nombre de passages d'éléments roulants sur un point donné de la bague intérieure par unité de temps. Comme la bague intérieure tourne avec l'arbre tandis que les éléments roulants tournent plus lentement à la vitesse de la cage, le mouvement relatif entre la bague et les éléments est important — tout comme la fréquence. Le défaut se trouvant sur la bague en rotation, il est frappé à répétition par chaque bille ou rouleau qui passe. Combiné à la fréquence de la bague extérieure (BPFO), la fréquence de la cage (FTF), ainsi que la fréquence de rotation des éléments roulants (BSF), le BPFI constitue l'ensemble standard de fréquences qu'un analyste calcule pour localiser les dommages au sein d'un roulement. Les défauts eux-mêmes relèvent du domaine plus large de défauts de roulement.
2. Calculs mathématiques
Formule et variables
Le BPFI découle de la géométrie du roulement et de la vitesse de l'arbre :
BPFI = (N × n / 2) × [1 + (Bd/Pd) · cos β]
- N = nombre d'éléments roulants dans le roulement.
- n = fréquence de rotation de l'arbre en Hz (ou tr/min ÷ 60).
- Bd = diamètre de la bille ou du rouleau.
- Pd = diamètre primitif (le cercle passant par les centres des éléments roulants).
- β = angle de contact.
Pourquoi le BPFI est-il toujours supérieur au BPFO ?
Pour un même roulement, la valeur BPFI est toujours supérieure à la valeur BPFO, et la formule explique précisément pourquoi :
- La bague intérieure tourne avec l’arbre, tandis que les éléments roulants orbitent plus lentement à la vitesse de la cage (environ 0,4× la vitesse de l’arbre), de sorte que la vitesse relative au niveau de la bague intérieure est plus élevée.
- Le BPFI utilise le terme [1 + Bd/Pd], tandis que le BPFO utilise [1 − Bd/Pd].
- L’ajout de la fraction à l’unité maintient le multiplicateur du BPFI supérieur à celui du BPFO.
- Le rapport type BPFI/BPFO s'élève à environ 1.6–1.8.
Valeurs typiques
- Pour les roulements courants, le BPFI se situe aux alentours de 5–7× vitesse de l'arbre.
- Exemple résolu : Un roulement à 10 billes tournant à 1 800 tr/min (30 Hz) donne un BPFI ≈ 173 Hz, soit environ 5,8 fois la vitesse de l'arbre.
Plutôt que de procéder à cette évaluation manuellement pour chaque machine, la plupart des analystes lisent cette valeur — ainsi que celles de BPFO, BSF et FTF — directement à partir du Calculateur de fréquence des défauts de roulement, en saisissant une seule fois les caractéristiques géométriques du roulement et la vitesse de rotation.
3. Mécanisme physique et modulation de la zone de charge
Le défaut rotatif
Une imperfection sur la bague intérieure crée une situation que la bague extérieure ne connaît jamais, car c'est l'imperfection elle-même qui se déplace :
- Le défaut se situe sur la bague intérieure rotative.
- Au fur et à mesure que la bague tourne, le défaut parcourt toute sa circonférence.
- Chaque élément roulant le heurte au passage : c'est ce qu'on appelle le taux BPFI.
- Mais la force de chaque coup dépend de la position du défaut par rapport à la zone de charge à ce moment-là.
L'effet de la zone de charge
Chaque roulement soumis à une charge présente une zone — la zone de charge — où les éléments roulants exercent la pression la plus forte contre les bagues. À mesure que le défaut de la bague intérieure passe par cette zone et en sort à chaque tour de l'arbre, l'intensité des chocs augmente et diminue :
- Défaut à l'intérieur de la zone de charge : une force de contact élevée, un choc violent à chaque fois qu'un élément vient le heurter.
- Défaut situé en face de la zone de charge : une force de contact faible ou inexistante, un choc faible ou inexistant.
- Fréquence de modulation : le défaut effectue ce cycle une fois par tour de l'arbre — c'est-à-dire à 1× vitesse de rotation.
- Résultat : Les impacts BPFI sont modulés en amplitude à 1× la vitesse de l'arbre.
Génération de bande latérale
C'est cette modulation d'amplitude qui produit le peigne de bandes latérales caractéristique :
- Fréquence porteuse : BPFI.
- Fréquence de modulation : 1× la vitesse de l'arbre.
- Bandes latérales : BPFI ± 1×, BPFI ± 2×, BPFI ± 3×, répartis symétriquement autour de la porteuse.
- Valeur diagnostique : Cette famille de bandes latérales 1× régulières est pratiquement pathognomonique d'un défaut de bague intérieure — et c'est précisément ce qui distingue le BPFI des bandes latérales espacées de type FTF d'un défaut BSF.
4. Caractéristiques de la signature vibratoire
Aspect typique du spectre
- Pic central à la fréquence BPFI.
- Famille de bandes latérales des pics à BPFI ± n×(1×).
- Familles harmoniques à 2×BPFI et 3×BPFI, chacune comportant ses propres bandes latérales de ±1×.
- Aspect visuel : une « clôture à piquets » ou un peigne de pics régulièrement espacés.
Pourquoi le spectre d'enveloppe est déterminant
Les impacts de bague intérieure excitent des résonances de roulements à haute fréquence plutôt que de transmettre directement toute leur énergie au BPFI, de sorte qu'un signal brut FFT peut passer inaperçu au début. Analyse d'enveloppe démodule ces rafales résonnantes, et dans le signal obtenu spectre d'enveloppe le pic BPFI domine et les bandes latérales 1× ressortent avec une clarté exceptionnelle — souvent plusieurs mois avant la norme spectre ne montre rien. À mesure que le défaut s'étend, l'amplitude de l'enveloppe augmente fortement.
5. Détection, diagnostic et pratique de terrain
Une séquence de reconnaissance fiable
- Calculer le BPFI à partir de la référence ou de la géométrie du roulement.
- Rechercher dans le spectre pour détecter un pic à la fréquence calculée, avec une tolérance d'environ ±5 %.
- Vérifier les bandes latérales ±1× — la caractéristique confirmant l'identification.
- Vérifier les harmoniques (2×BPFI, 3×BPFI) pour leurs propres bandes latérales.
- Évaluer l'amplitude par rapport aux critères de référence ou aux directives relatives à la sévérité.
- Confirmer : Une valeur BPFI plus les bandes latérales à ±1× correspond à un défaut de la bague intérieure.
Sur le terrain, le même processus est mis en œuvre à l'aide d'un appareil portable à deux canaux. Un analyste peut fixer un accéléromètre sur le boîtier du roulement, enregistrer les vibrations à haute fréquence à la vitesse de fonctionnement et analyser l'enveloppe sur place — exactement le genre de tâche consistant à « mesurer là où l'équipement fonctionne » qu'un outil tel que le Balanset-1A est conçu pour servir à la fois d'analyseur de vibrations sur site et d'équilibreur de rotors.
Comparaison rapide entre BPFI et BPFO
| Fonctionnalité | BPFI (Bague intérieure) | BPFO (Bague extérieure) |
|---|---|---|
| Fréquence | Plus élevée (5 à 7 fois la vitesse de l'arbre) | Plus faible (3 à 5 fois la vitesse de l'arbre) |
| bandes latérales | Presque toujours présent (±1×) | Peut être présent ou non |
| Motif de bandes latérales | Espacement très régulier et net | Moins fréquent lorsqu'il est présent |
| Cas | Moins fréquent (~25% d'échecs) | Les plus fréquents (~40% de défaillances) |
6. Évolution, sévérité et durée de vie résiduelle
Stades de développement des défauts
- Amorçage : Des microfissures ou des piqûres se forment, encore indétectables.
- Naissant : un petit pic de BPFI apparaît dans le spectre d'enveloppe (≈ 0,1–0,5 g).
- Précoce : un pic BPFI net accompagné d'une ou deux harmoniques et de bandes latérales (≈ 0,5–2 g).
- Modéré : plusieurs harmoniques, des bandes latérales marquées, un éclat visible à l'inspection (≈ 2–10 g).
- Avancé : très forte amplitude, nombreuses harmoniques, bruit de fond croissant (> 10 g).
- Grave : le bruit à large bande prend le dessus, les pics discrets s'estompent et une défaillance catastrophique est imminente.
Indications sur la durée de vie restante
- De l'état naissant au stade précoce : généralement entre 6 et 18 mois restants.
- Précoce à modéré : 3-6 mois.
- De modéré à avancé : 1-3 mois.
- D'avancé à grave : quelques jours à quelques semaines.
- Attention : La durée de vie réelle dépend de la charge, de la vitesse, de la lubrification et de la taille des roulements — ces chiffres sont donnés à titre indicatif et ne constituent pas des garanties ; ils sont pris en compte dans toute évaluation formelle durée de vie utile restante estimation.
7. Causes et mesures correctives
Causes courantes des défauts de la bague intérieure
- Fatigue : la fatigue sous-superficielle due à des cycles répétés, mécanisme classique de fin de vie.
- Installation incorrecte : des dommages de montage, par exemple en enfonçant le roulement en frappant la bague intérieure.
- Dommages à l'arbre : un logement d'arbre rugueux ou rayé provoquant une usure par frottement.
- Ajustement serré excessif : un serrage excessif lors de l'assemblage à la presse, augmentant les contraintes de cerclage.
- Désalignement : une répartition inégale des charges qui accélère la fatigue.
- Contamination : des particules dures créant des indentations sur la piste de roulement.
- Défaillance de lubrification : un film insuffisant entraînant une détérioration de la surface et écaillage.
Planification des interventions et des remplacements
Dès la détection, raccourcissez la fréquence de surveillance (mensuelle → hebdomadaire → quotidienne à mesure que la gravité augmente), prévoyez le remplacement lors de la prochaine interruption de service, et analysez l'évolution de l'amplitude pour estimer la durée de vie restante. Évitez de s'attarder sur vitesses critiques qui pourraient accélérer la défaillance. Lors de la planification du remplacement, commandez le modèle de roulement approprié, inspectez l'arbre (un défaut avancé de la bague intérieure peut rayer le logement) et effectuez une analyse des causes profondes afin que le roulement de remplacement ne tombe pas en panne de la même manière. Intégré dans une approche rigoureuse surveillance de l'état Dans le cadre de ce programme, la détection des BPFI devient un élément essentiel de la fiabilité des roulements : son pic haute fréquence caractéristique, accompagné de bandes latérales de 1×, fournit un signal d'alerte rapide et sans ambiguïté qui permet d'éviter des dommages secondaires aux arbres et aux paliers.
