Qu'est-ce que le BPFO ? Explication de la fréquence de passage des billes dans la bague extérieure. • Équilibreur portable et analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin sur moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors. Qu'est-ce que le BPFO ? Explication de la fréquence de passage des billes dans la bague extérieure. • Équilibreur portable et analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin sur moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et autres rotors.

Qu'est-ce que le BPFO ? Explication de la fréquence de passage de balle et de la course extérieure

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Comprendre la fréquence de passage de balle (BPFO) dans la course extérieure

Définition : Qu'est-ce que le BPFO ?

BPFO (Ball Pass Frequency, Outer Race) est l'un des quatre fondamentaux fréquences de défaut des roulements Indique la vitesse à laquelle les éléments roulants (billes ou rouleaux) passent sur un défaut situé sur la bague extérieure d'un roulement. Lorsqu'un éclat, une fissure, une piqûre ou un autre défaut est présent sur la bague extérieure, chaque élément roulant heurte le défaut à son passage, créant un impact répétitif qui génère vibration à la fréquence BPFO.

Le BPFO est la fréquence de roulement la plus importante pour le diagnostic, car les défauts de bague extérieure constituent le type de défaillance le plus courant, représentant environ 40% de toutes les défaillances de roulements à éléments roulants. La détection des pics de BPFO dans les spectres de vibrations permet d'identifier précocement les problèmes de bague extérieure avant qu'une défaillance ne survienne.

calcul mathématique

Formule

Le BPFO est calculé en utilisant la géométrie du roulement et la vitesse de l'arbre :

  • BPFO = (N × n / 2) × [1 + (Bd/Pd) × cos β]

Variables

  • N = Nombre d'éléments roulants (billes ou rouleaux) dans le roulement
  • n = Fréquence de rotation de l'arbre (Hz) ou vitesse (RPM/60)
  • Bd = Diamètre de la bille ou du rouleau
  • Pd = Diamètre primitif (diamètre du cercle passant par les centres des éléments roulants)
  • β = Angle de contact (généralement 0° pour les roulements à billes radiaux, 15 à 40° pour les roulements à contact angulaire)

Approximation simplifiée

Pour les roulements à angle de contact nul (β = 0°) :

  • BPFO ≈ (N × n / 2) × [1 + Bd/Pd]
  • Pour des roulements typiques avec Bd/Pd ≈ 0,2, cela donne BPFO ≈ 0,6 × N × n
  • Règle empirique : BPFO ≈ 60% de (nombre de billes × fréquence de l'arbre)

Valeurs typiques

  • Pour les roulements avec 8 à 12 éléments roulants : BPFO généralement 3 à 5 fois la vitesse de l'arbre
  • Exemple : roulement à 10 billes à 1 800 tr/min (30 Hz) → BPFO ≈ 107 Hz (3,6 × vitesse de l'arbre)

Mécanisme physique

Pourquoi les défauts de la race extérieure génèrent des BPFO

La bague extérieure est stationnaire dans la plupart des roulements, fixée dans le boîtier :

  1. Un défaut (écaillage, piqûre) existe à un endroit fixe sur la bague extérieure
  2. Lorsque la cage tourne, elle transporte des éléments roulants autour du roulement
  3. Chaque élément roulant passe à son tour sur l'emplacement du défaut
  4. Lorsqu'une balle heurte le défaut, un petit impact ou “ clic ” se produit
  5. Avec N éléments roulants, le défaut est frappé N fois par tour de cage
  6. Étant donné que la cage tourne à environ 0,4 × la vitesse de l'arbre et que chaque bille frappe une fois par tour de cage, le taux d'impact total = N × fréquence de la cage ≈ BPFO

Caractéristiques d'impact

  • Chaque impact est bref (durée de quelques microsecondes)
  • Les impacts sont périodiques à la fréquence BPFO
  • L'énergie d'impact excite des résonances à haute fréquence dans la structure portante
  • La nature répétitive crée des pics spectraux clairs

Signature vibratoire dans les spectres

Dans le spectre FFT standard

  • Pic primaire : À la fréquence BPFO
  • Harmoniques : À 2×BPFO, 3×BPFO, 4×BPFO (indiquant la gravité du défaut)
  • Bandes latérales : Peut avoir des bandes latérales ±1× si la bague extérieure peut tourner légèrement ou en raison d'une variation de la zone de charge
  • Amplitude: Augmente à mesure que le défaut se propage

Dans le spectre de l'enveloppe

  • Pic BPFO beaucoup plus clair et d'amplitude plus élevée que dans la FFT standard
  • Harmoniques bien affichées
  • Détection précoce possible (défauts détectables des mois plus tôt)
  • Moins d'interférences dues aux vibrations à basse fréquence

Progression d'amplitude typique

  • Naissant: 0,1-0,5 g (enveloppe), à peine détectable
  • Tôt: 0,5-2 g, pic BPFO clair avec 1-2 harmoniques
  • Modéré: 2-10 g, harmoniques multiples, bandes latérales apparaissant
  • Avancé: >10 g, nombreuses harmoniques, niveau de bruit élevé

Pourquoi les défauts de la course extérieure sont les plus courants

Les échecs des races extérieures prédominent pour plusieurs raisons :

Concentration de charge

  • Dans une orientation d'arbre horizontale typique, la zone de charge est en bas
  • La bague extérieure en bas supporte la majeure partie de la charge
  • La charge constante de la même section de la bague extérieure accélère la fatigue
  • La bague intérieure tourne, répartissant la charge sur toute la circonférence

Contraintes d'installation

  • La bague extérieure enfoncée dans le boîtier peut subir des dommages lors de l'installation
  • Les ajustements serrés créent des contraintes résiduelles
  • Une installation incorrecte (désalignement, armement) endommage la bague extérieure

Effets de la contamination

  • Les particules pénètrent dans le roulement par la bague extérieure
  • Contamination concentrée dans la région extérieure de la course
  • Particules intégrées dans un matériau de bague extérieure plus souple

Importance diagnostique

Haute confiance diagnostique

Le BPFO est l’un des indicateurs diagnostiques les plus fiables :

  • La fréquence est calculable avec précision et unique à chaque type de roulement
  • Peu susceptible d'être confondu avec d'autres fréquences de machines
  • Modèle de progression clair à mesure que le défaut s'aggrave
  • Relation bien comprise entre l'amplitude et la taille du défaut

Évaluation de la gravité

  • Nombre d'harmoniques : Plus d'harmoniques = défaut plus avancé
  • Amplitude maximale : Amplitude plus élevée = zone de défaut plus grande
  • Présence de bande latérale : Des bandes latérales étendues indiquent une modulation, souvent due à une variation de la zone de charge
  • Niveau de bruit : Un niveau de bruit élevé indique une détérioration généralisée de la surface

Relation avec d'autres fréquences de roulement

BPFO contre BPFI

  • BPFI (bague intérieure) toujours à fréquence plus élevée que BPFO pour le même roulement
  • Rapport typique : BPFI/BPFO ≈ 1,6-1,8
  • Si les deux sont présents, cela indique plusieurs défauts (défaillance avancée)
  • Le BPFO est plus fréquent initialement ; le BPFI peut se développer comme une lésion secondaire

Bandes latérales à une vitesse 1×

  • Tandis que la bague extérieure est stationnaire, un léger mouvement est possible
  • L'ajustement lâche du roulement permet à la bague extérieure de glisser ou de tourner légèrement
  • La variation de la zone de charge lorsque les orbites du rotor créent une modulation d'amplitude
  • Résultats en bandes latérales ±1× autour du pic BPFO

Stratégie de surveillance pratique

Surveillance de routine

  • Analyse mensuelle ou trimestrielle de l'enveloppe à chaque emplacement de roulement
  • Détection automatique des pics et des tendances BPFO
  • Alarme réglée à 2-3× l'amplitude de base
  • Données historiques de tendance pour prédire le temps de défaillance

Tests de confirmation

Lorsque BPFO a détecté :

  • Vérifier que la fréquence correspond à la valeur calculée (dans une plage de ±5%)
  • Vérifier les harmoniques (2×BPFO, 3×BPFO)
  • Rechercher un motif de bande latérale caractéristique
  • Comparer aux autres roulements sur la même machine (cela devrait être propre au roulement défectueux)
  • Augmenter la fréquence de surveillance à une semaine ou à une journée

La détection et la surveillance BPFO représentent l'une des applications les plus réussies de l'analyse des vibrations dans la maintenance prédictive, prévenant les défaillances des roulements et permettant des stratégies de remplacement basées sur l'état qui optimisent à la fois la fiabilité des équipements et les coûts de maintenance.

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