Diagnosi dei difetti dei cuscinetti
Difetti dei cuscinetti sono difetti microscopici o macroscopici — cricche, sfaldamenti o cavità — sulle superfici di lavoro di un cuscinetto a rotolamento. Poiché i cuscinetti a rotolamento sono fondamentali nella maggior parte delle macchine rotanti e rappresentano un frequente punto di guasto, rilevare precocemente questi difetti è una delle attività a più alto valore nell'ambito della analisi delle vibrazioni. Un difetto produce un impatto ripetitivo e periodico ogni volta che un elemento rotolante vi passa sopra, e quella periodicità è esattamente ciò che rende il guasto visibile nel spettro molto prima che il cuscinetto si surriscaldi o diventi udibile.
1. La natura dei difetti dei cuscinetti
Un tipico cuscinetto a rotolamento è composto da quattro parti: una pista esterna, una pista interna, un insieme di sfere o rulli e una gabbia che mantiene gli elementi uniformemente distanziati. Un difetto è un'imperfezione su una qualsiasi di queste superfici. Quando un elemento rotolante vi transita sopra, il contatto genera un piccolo, brusco impatto ad alta frequenza — un “clic.” Un singolo clic trasporta pochissima energia, ma gli impatti si ripetono a ogni passaggio, costruendo un segnale fortemente periodico. L'analisi delle vibrazioni è particolarmente efficace nell'individuare questo tipo di impatto ripetitivo, motivo per cui un cuscinetto in deterioramento può essere rilevato con mesi di anticipo rispetto al momento del grippaggio.
2. Le quattro frequenze di guasto fondamentali
Il fondamento della diagnostica dei cuscinetti è che, per una data geometria del cuscinetto e velocità dell'albero, gli impatti si verificano a cadenze molto specifiche e prevedibili. Queste frequenze di guasto dei cuscinetti are:
- BPFO (Ball Pass Frequency, pista esterna): la frequenza con cui gli elementi rotolanti transitano su un singolo punto della pista esterna fissa. È la frequenza di difetto del cuscinetto osservata più comunemente.
- BPFI (Ball Pass Frequency, Inner race): la frequenza alla quale gli elementi passano per un punto sulla pista interna. Poiché la pista interna ruota con l'albero, la BPFI è più elevata della BPFO.
- BSF (Ball Spin Frequency): la frequenza alla quale un elemento volvente ruota attorno al proprio asse. Un difetto di tipo BSF mostra spesso energia al doppio di questa frequenza, poiché il difetto colpisce entrambe le piste a ogni rivoluzione dell'elemento.
- FTF (Frequenza Fondamentale della Gabbia): la frequenza rotazionale della gabbia, o “treno.” È una frequenza molto bassa, tipicamente inferiore a 0,5X la velocità di marcia.
Questi valori dipendono dalla geometria del cuscinetto — diametro primitivo, diametro degli elementi volventi, angolo di contatto e numero di elementi — insieme alla velocità dell'albero. Il software per l'analisi delle vibrazioni dispone solitamente di un ampio database di cuscinetti e li calcola automaticamente; possono inoltre essere ricavati direttamente con una calcolatore della frequenza dei difetti dei cuscinetti quando il numero di parte o le dimensioni del cuscinetto sono noti.
3. Come appaiono i difetti dei cuscinetti nello spettro
Un difetto in sviluppo lascia uno schema caratteristico nel Spettro FFT:
- Picchi ad alta frequenza: la frequenza di guasto stessa (ad esempio BPFO) appare come un picco ben visibile nella parte alta dell'intervallo di frequenza, lontano dai picchi rotazionali di ordine basso.
- Armoniche: la natura acuta e impulsiva degli urti genera solitamente diversi armonici — multipli esatti — della frequenza di guasto; una lunga serie di essi indica un difetto ben sviluppato.
- Bande laterali: questo è il marcatore diagnostico critico. Il picco alla frequenza di guasto è tipicamente fiancheggiato da bande laterali distanziate di 1X dalla velocità di rotazione. Un picco BPFO con bande laterali a 1X è la firma classica della pista esterna, mentre un difetto sulla pista interna (BPFI) presenta quasi sempre bande laterali a 1X, poiché il difetto in rotazione entra ed esce dalla zona di carico del cuscinetto’ una volta per giro, modulando l'intensità dell'urto.
Nelle fasi più precoci questi picchi sono piccoli e facilmente sepolti nel rumore di fondo dello spettro, motivo per cui viene normalmente applicata una tecnica di rilevamento specializzata.
4. Analisi dell'inviluppo per il rilevamento precoce
Analisi dell'inviluppo, detta anche demodulazione, è il metodo più efficace per individuare i difetti dei cuscinetti nelle fasi iniziali. È una tecnica di elaborazione del segnale che filtra passa-banda le vibrazioni a bassa frequenza e alta energia provenienti da sorgenti quali sbilanciare e disallineamento, concentrandosi esclusivamente sugli urti ad alta frequenza e bassa energia prodotti dal difetto. Gli urti ripetitivi eccitano le frequenze naturali della struttura e l'elaborazione dell'inviluppo estrae la frequenza di ripetizione di tale risonanza.
The resulting spettro dell'inviluppo è notevolmente “pulita,” evidenziando chiaramente le frequenze di guasto del cuscinetto e i loro armonici su un basso livello di fondo. Ciò consente il rilevamento mesi — a volte anni — prima che il cuscinetto ceda altrimenti, fornendo il margine di anticipo che rende possibile la sostituzione pianificata anziché un'interruzione di emergenza.
5. Conferma della diagnosi in campo
Una diagnosi affidabile del cuscinetto si basa sulla corrispondenza tra i picchi misurati e le frequenze di guasto calcolate, e sulla conferma dello schema atteso delle bande laterali, preferibilmente supportata da uno spettro dell'inviluppo e da un chiaro andamento in crescita nelle misurazioni successive. Uno strumento portatile a due canali come il Bilanciamento-1a consente a un tecnico di acquisire lo spettro direttamente sulla macchina, nei propri cuscinetti in condizioni operative, in modo che un sospetto difetto del cuscinetto possa essere verificato in loco rispetto alle frequenze previste. Vale inoltre la pena escludere i casi simili: le scioltezza e i difetti degli elementi volventi possono entrambi aumentare l'energia a banda larga, ma solo un vero difetto del cuscinetto si allinea con le famiglie BPFO, BPFI, BSF o FTF.
