Comprendere la BSF — Frequenza di rotazione della sfera
BSF (La frequenza di rotazione della sfera, detta anche frequenza di rotazione degli elementi volventi) è uno dei quattro frequenze di guasto dei cuscinetti e descrive la velocità con cui un singolo elemento rotante — una sfera o un rullo — ruota attorno al proprio asse durante il funzionamento del cuscinetto. Quando tale elemento presenta un difetto superficiale, come una scheggiatura, una crepa o un'inclusione dura, il difetto urta a turno contro le piste interna ed esterna, generando impatti periodici che si manifestano nel vibrazione segnale. Tra le quattro frequenze caratteristiche, la BSF è quella che gli ingegneri riscontrano meno spesso, poiché gli elementi rotanti si guastano molto meno frequentemente rispetto alle piste su cui scorrono; tuttavia, quando si manifesta, la sua impronta è tra le più complesse da interpretare con analisi delle vibrazioni.
1. Definizione: che cos'è la frequenza di rotazione della sfera?
All'interno di qualsiasi cuscinetto a rotolamento, ogni sfera o rullo compie due movimenti contemporaneamente. Esso orbits il centro del cuscinetto, trascinato dalla gabbia in corrispondenza del Frequenza fondamentale del treno (FTF), e allo stesso tempo spins attorno al proprio asse. Tale velocità di rotazione è la frequenza di rotazione della sfera. Poiché un difetto presente sulla superficie dell'elemento viene trascinato dalla rotazione, esso entra periodicamente in contatto con la pista contro cui è premuto, generando una forza ripetitiva che l'analizzatore è in grado di isolare.
I difetti degli elementi volventi rappresentano solo circa il 10–15% dei guasti ai cuscinetti, motivo per cui la BSF è la meno frequente delle quattro. Ciononostante, essa completa il quadro diagnostico: una valutazione accurata del cuscinetto prevede il controllo della pista interna (BPFI), pista esterna (BPFO), della gabbia (FTF) e degli elementi volventi (BSF), in modo da non tralasciare alcuna modalità di guasto. La famiglia più ampia di questi problemi è trattata in difetti degli elementi volventi.
2. Calcolo matematico
Formula e variabili
Il BSF si ricava dalla geometria del cuscinetto e dalla velocità dell'albero:
BSF = (Pd / 2·Bd) × n × [1 − (Bd/Pd)² · cos² β]
- Pd = diametro di passo (il diametro del cerchio che passa per i centri degli elementi volventi).
- Bd = diametro della sfera o del rullo.
- n = frequenza di rotazione dell'albero in Hz (oppure giri/min ÷ 60).
- beta = angolo di contatto.
Si notino i termini al quadrato: il BSF dipende dal piazza del rapporto tra i diametri e del quadrato del coseno dell'angolo di contatto, motivo per cui è più sensibile alla geometria del cuscinetto rispetto alle frequenze della pista.
Forma semplificata e valori tipici
Per un cuscinetto radiale con angolo di contatto pari a zero (β = 0°), il termine del coseno scompare:
- BSF ≈ (Pd / 2·Bd) × n × [1 − (Bd/Pd)²]
- Per un cuscinetto tipico con Bd/Pd ≈ 0,2, ne risulta un BSF ≈ 2,4 × n.
- In linea di massima, il BSF si attesta solitamente tra tra 1,5× e 3× la velocità dell'albero.
- Si colloca al di sotto sia della BPFI che della BPFO, ma al di sopra della frequenza della gabbia (FTF).
- Esempio pratico: un cuscinetto a 1800 giri/min (30 Hz) con il fattore 2,4 dà un BSF ≈ 71 Hz.
Poiché il calcolo manuale su tutte e quattro le frequenze comporta il rischio di errori aritmetici, la maggior parte degli analisti ricava i valori direttamente da uno strumento come il Calcolatore della frequenza dei difetti dei cuscinetti (BPFO, BPFI, BSF, FTF), che, in base alla geometria dei cuscinetti e alla velocità, restituisce contemporaneamente tutte le frequenze caratteristiche.
3. Meccanismo fisico
Due movimenti simultanei
Per capire perché il BSF si comporta in questo modo, seguiamo un elemento volvente:
- Ruota attorno al cuscinetto alla frequenza della gabbia, pari all'incirca a 0,4 volte la velocità dell'albero.
- Allo stesso tempo ruota sul proprio asse alla BSF.
- La velocità di rotazione è determinata dal rapporto tra il diametro di passo e il diametro della sfera.
- Ad ogni giro completo, qualsiasi imperfezione della superficie entra in contatto con entrambe le piste di rotolamento.
Doppio impatto per giro
Un difetto su un elemento volvente produce un caratteristico schema a doppio impatto:
- First impact: il difetto colpisce la pista interna.
- Mezza rotazione dopo: lo stesso difetto, ora ruotato di 180°, colpisce la pista esterna.
- Risultato: due urti per ogni giro dell'elemento, quindi l'energia si concentra in 2×BSF.
- In pratica: Spesso si osservano picchi sia a BSF che a 2×BSF, e la seconda armonica è spesso la più intensa delle due.
Modulazione da parte della gabbia
Un ulteriore livello di complessità deriva dal percorso orbitale dell'elemento attraverso la zona di carico del cuscinetto:
- La sfera difettosa attraversa la zona di carico una volta ogni giro della gabbia.
- L'intensità dell'impatto è quindi elevata nella zona di carico e debole altrove: il segnale è modulato in ampiezza.
- This creates bande laterali spaced at the Intervallo FTF (gabbia), non a 1× la velocità dell'albero.
- La formula è BSF ± n×FTF, per n = 1, 2, 3 …
La distanza tra le bande laterali FTF costituisce l'indizio più significativo per distinguere un difetto degli elementi rotanti da un difetto della pista interna, le cui bande laterali presentano invece una distanza pari a 1×.
4. Profilo delle vibrazioni e rilevamento sul campo
Caratteristiche dello spettro
- Picco primario: a BSF o, più spesso, a 2×BSF.
- Bande laterali FTF: distanziati a intervalli corrispondenti alla frequenza della gabbia — il segno distintivo di un difetto della sfera.
- Armoniche: Sono comunemente presenti 2×BSF e 3×BSF.
- Ampiezza variabile: le letture possono variare in modo evidente da una misurazione all'altra mentre la sfera difettosa si sposta attraverso la zona di carico — un comportamento che si osserva raramente nei difetti di pista.
Perché l'analisi dell'inviluppo è importante
L'energia BSF è spesso nascosta sotto le componenti alla velocità di rotazione in uno spettro grezzo FFT. Analisi dell'inviluppo — la demodulazione degli impulsi ad alta frequenza — fa emergere il picco BSF e le sue bande laterali FTF dal rumore nel segnale risultante spettro dell'inviluppo, rivelando spesso il guasto molto prima che sia visibile in un test standard spettro. Sul campo, uno strumento portatile a due canali come il Balanset-1A consente a un tecnico di rilevare le vibrazioni ad alta frequenza sull'alloggiamento del cuscinetto alla velocità di esercizio e di analizzarle in loco alla ricerca di questi modelli di impatto, senza dover smontare la macchina. Poiché i guasti agli elementi volventi vengono confermati tanto dall'energia d'impatto complessiva quanto da un singolo picco, parametri quali fattore di cresta e curtosi a sostegno delle prove spettrali.
5. Perché i difetti degli elementi volventi sono meno frequenti
Diversi fattori meccanici spiegano la relativa rarità dei guasti alle sfere e ai rulli:
- Distribuzione del carico: Un elemento volvente gira in modo continuo, distribuendo lo sforzo di contatto su tutta la sua superficie, mentre una pista — in particolare quella esterna — sostiene un carico concentrato in una zona ben definita. Il campo di sollecitazioni più uniforme ritarda l'insorgere della fatica negli elementi.
- Qualità di produzione: Le sfere e i rulli sono solitamente sottoposti a un controllo di qualità più rigoroso, presentano un materiale più duro e una finitura superficiale più fine rispetto alle piste di rotolamento, pertanto i difetti del materiale sono meno frequenti.
- Modelli di sollecitazione: I bordi e i raccordi delle piste di rotolamento sono più soggetti alla concentrazione delle sollecitazioni e a picchi più elevati di sollecitazione di contatto hertziana, il che rende le piste il più comune primo punto di cedimento.
6. Difficoltà diagnostiche e conferma
Cosa rende la BSF così complessa
- La struttura a banda laterale FTF rende il profilo BSF intrinsecamente più complesso rispetto a un pettine di difetti di pista ben definito.
- La frequenza BSF può coincidere con quella di altre apparecchiature e causare errori di lettura.
- La sua ampiezza naturalmente variabile complica di tendenza nel tempo.
- Se più elementi risultano danneggiati, le loro impronte si sovrappongono e si estendono, rendendo confusa l'immagine.
- Per difetti di dimensioni simili, i picchi BSF presentano talvolta un'ampiezza inferiore rispetto ai picchi dei difetti di pista, il che richiede un'analisi più attenta.
Una sequenza di conferma affidabile
- Calculate BSF come indicato nelle specifiche dei cuscinetti.
- Cerca nello spettro dell'inviluppo alla frequenza calcolata.
- Verificare 2×BSF, che spesso è più forte del fondamentale.
- Verificare le bande laterali FTF — spaziatura alla frequenza della gabbia, non 1× è il test decisivo.
- Monitorare la variabilità dell'ampiezza tra un'acquisizione e l'altra, un indizio rivelatore di difetti delle sfere.
- Escludere la BPFI e la BPFO prima di giungere a una conclusione definitiva sugli elementi volventi.
Quando i picchi si allargano o si frammentano in diverse frequenze vicine, è probabile che siano danneggiati più elementi: si tratta di un segno di deterioramento avanzato che richiede la sostituzione immediata dei cuscinetti per garantire la sicurezza.
7. Cause e prevenzione
Tra le cause più comuni dei difetti degli elementi volventi figurano:
- Inclusioni nel materiale: vuoti interni o corpi estranei presenti nella sfera o nel rullo.
- Danno da installazione: brinellatura causata da urti durante la movimentazione o il montaggio.
- Contaminazione: particelle dure che si incastrano nella superficie dell'elemento o la graffiano.
- Danni elettrici: correnti parassite che attraversano il cuscinetto, causando la formazione di cavità superficiali — un problema frequente nei motori azionati da convertitori di frequenza.
- Falso brinellamento: usura da sfregamento causata dalle vibrazioni quando la macchina è ferma.
- Corrosione: l'umidità o l'azione di sostanze chimiche che causano la formazione di cavità superficiali, precursori di sfaldamento.
La prevenzione deriva direttamente dalle cause: scegliere cuscinetti di qualità prodotti da aziende affidabili, maneggiarli e montarli con cura, controllare la contaminazione utilizzando guarnizioni efficaci e garantendo un montaggio pulito, lubrificarli adeguatamente per prevenire la corrosione, installare cuscinetti isolati o ibridi in ceramica sui motori alimentati da inverter e isolare le unità immagazzinate o in fase di spedizione dalle vibrazioni esterne. L'ispezione BSF diventa parte integrante della routine monitoraggio delle condizioni Il programma garantisce che il guasto agli elementi rotanti, raro ma a rapida progressione, venga individuato con la stessa affidabilità di quello più comune difetti dei cuscinetti on the races.
