Comprensione delle frequenze di guasto dei cuscinetti
Definizione: cosa sono le frequenze di guasto dei cuscinetti?
Frequenze di guasto dei cuscinetti (chiamate anche frequenze di difetto dei cuscinetti o frequenze caratteristiche) sono specifiche vibrazione frequenze generate quando gli elementi volventi (sfere o rulli) in un cuscinetto passano sopra difetti come cricche, scheggiature o cavità sulle piste del cuscinetto o sugli elementi volventi stessi. Queste frequenze sono matematicamente prevedibili in base alla geometria del cuscinetto e alla velocità di rotazione dell'albero, rendendole indicatori diagnostici preziosi per la rilevazione precoce di difetti dei cuscinetti.
Comprendere e identificare queste frequenze attraverso analisi delle vibrazioni consente al personale addetto alla manutenzione di rilevare i problemi dei cuscinetti mesi prima che diventino evidenti a causa di aumenti di temperatura, rumore o guasti catastrofici, consentendo una manutenzione pianificata e prevenendo costosi tempi di fermo non pianificati.
Le quattro frequenze di guasto fondamentali
Ogni cuscinetto volvente presenta quattro frequenze di guasto caratteristiche, ciascuna corrispondente a un diverso tipo di difetto:
1. BPFO – Frequenza dei passaggi di palla, corsa esterna
La velocità con cui gli elementi volventi passano un punto fisso sulla pista esterna:
- Significato fisico: Se esiste un difetto sulla pista esterna, ogni elemento volvente lo colpisce mentre passa, creando un impatto ripetitivo
- Valore tipico: Velocità dell'albero 3-5 volte superiore per la maggior parte dei cuscinetti
- Formula: BPFO = (N × n / 2) × (1 + (Bd/Pd) × cos β)
- Più comuni: I difetti della pista esterna sono la modalità di guasto più frequente dei cuscinetti
- Effetto della zona di carico: La pista esterna stazionaria significa che il difetto è in posizione costante rispetto al carico
2. BPFI – Frequenza dei passaggi di palla, corsa interna
La velocità con cui gli elementi volventi passano un punto fisso sulla pista interna:
- Significato fisico: La pista interna ruota con l'albero, quindi un difetto sulla pista interna viene colpito da ciascun elemento volvente mentre passa
- Valore tipico: Velocità dell'albero 5-7 volte superiore per la maggior parte dei cuscinetti
- Formula: BPFI = (N × n / 2) × (1 – (Bd/Pd) × cos β)
- Superiore a BPFO: Frequenza sempre più alta di BPFO per lo stesso cuscinetto
- Bande laterali: Mostra quasi sempre 1× bande laterali a causa della modulazione della zona di carico
3. BSF – Frequenza di rotazione della palla
La frequenza di rotazione di un elemento rotante che ruota sul proprio asse:
- Significato fisico: Se un elemento volvente presenta un difetto, questo colpisce entrambe le piste a questa frequenza
- Valore tipico: Velocità dell'albero 1,5-3×
- Formula: BSF = (Pd / Bd) × (n / 2) × [1 – (Bd/Pd)² × cos² β]
- Meno comune: I difetti degli elementi volventi sono meno frequenti dei difetti delle piste
- Modello complesso: Il difetto tocca entrambe le razze, creando una complessa firma di vibrazione
4. FTF – Frequenza fondamentale del treno
Frequenza di rotazione della gabbia del cuscinetto (fermo):
- Significato fisico: Velocità di rotazione della gabbia, trasportando gli elementi volventi attorno al cuscinetto
- Valore tipico: 0,35-0,45× velocità dell'albero (sub-sincrono)
- Formula: FTF = (n / 2) × (1 – (Bd/Pd) × cos β)
- Difetti della gabbia: Le gabbie usurate o danneggiate eccitano questa frequenza
- Indicatore di instabilità: Può verificarsi anche durante instabilità del rotore indotte dai cuscinetti
Variabili di formula spiegate
Le formule della frequenza di guasto utilizzano i seguenti parametri geometrici dei cuscinetti:
- N = Numero di elementi volventi (sfere o rulli)
- n = Frequenza di rotazione dell'albero (Hz) o velocità (RPM)
- Bd = Diametro della sfera o del rullo
- Pd = Diametro primitivo (diametro del cerchio passante per i centri degli elementi volventi)
- beta = Angolo di contatto (angolo tra la direzione del carico e l'asse del cuscinetto, in genere 0-40°)
La maggior parte dei software di analisi delle vibrazioni include database di cuscinetti con questi parametri precalcolati per migliaia di modelli di cuscinetti.
Come appaiono le frequenze di guasto negli spettri di vibrazione
Aspetto di base
Quando un cuscinetto sviluppa un difetto:
- Picco primario: La frequenza di guasto appare come un picco distinto nel spettro di frequenza
- Armoniche: Man mano che il difetto peggiora, compaiono armoniche multiple (2×, 3×, 4×) della frequenza di guasto
- Bande laterali: Per i difetti della pista interna e degli elementi volventi, sono comuni bande laterali 1× attorno alla frequenza di guasto
- Crescita dell'ampiezza: L'ampiezza della frequenza di guasto aumenta con il progredire del difetto
Modelli di banda laterale
Le bande laterali forniscono informazioni diagnostiche cruciali:
- Difetti della razza interiore: BPFI con bande laterali ±1×, ±2× (difetto che ruota dentro/fuori dalla zona di carico)
- Difetti della razza esterna: BPFO può avere bande laterali 1× se la pista esterna può ruotare leggermente
- Difetti degli elementi volventi: BSF con bande laterali a spaziatura FTF (modulazione di frequenza della gabbia)
- Spaziatura delle bande laterali: Identifica quale componente è difettoso
Fase iniziale vs. fase avanzata
- Fase iniziale: Piccoli picchi appena sopra il rumore di fondo, potrebbero richiedere analisi dell'involucro rilevare
- Fase moderata: Picchi chiari con armoniche e bande laterali nella FFT standard
- Fase avanzata: Ampiezza molto elevata, numerose armoniche, aumento del rumore a banda larga
- Fase avanzata: Lo spettro diventa caotico con un rumore di fondo elevato e numerosi picchi
Tecniche di rilevamento
Analisi FFT standard
- Calcolare FFT del segnale di vibrazione
- Cercare picchi alle frequenze dei cuscinetti calcolate
- Efficace per difetti da moderati ad avanzati
- Potrebbe non rilevare difetti iniziali nascosti nel rumore
Analisi dell'involucro (più efficace)
Analisi dell'involucro (demodulazione) è il gold standard per il rilevamento dei difetti dei cuscinetti:
- Filtra le vibrazioni a bassa frequenza e ad alta energia (dovute a squilibrio, ecc.)
- Si concentra sugli impatti ad alta frequenza derivanti da difetti dei cuscinetti
- Può rilevare i guasti 6-12 mesi prima rispetto alla FFT standard
- Lo spettro dell'involucro mostra chiaramente le frequenze e i modelli di guasto
Tecniche nel dominio del tempo
- Metodo Shock Pulse (SPM): Rileva l'energia d'impatto dei difetti
- Fattore di cresta: Rapporto tra picco e RMS, aumenta con l'impatto
- Curtosi: Misura statistica dell'impulsività, sensibile ai danni precoci dei cuscinetti
Applicazione pratica
Procedura diagnostica
- Identificare la direzione: Determinare il modello e la posizione del cuscinetto
- Calcola le frequenze: Utilizzare la geometria del cuscinetto per calcolare BPFO, BPFI, BSF, FTF (o cercare nel database)
- Raccogli dati sulle vibrazioni: Misurare l'alloggiamento del cuscinetto con accelerometro
- Analizza lo spettro: Cerca le frequenze calcolate nello spettro FFT o nell'inviluppo
- Confermare la diagnosi: Verificare la presenza di armoniche e bande laterali coerenti con il tipo di difetto
- Valutare la gravità: L'ampiezza e il contenuto armonico indicano lo stadio di progressione del difetto
- Piano d'azione: Pianificare la sostituzione dei cuscinetti in base alla gravità e alla criticità dell'attrezzatura
Esempio di diagnosi
Motore con cuscinetto SKF 6308 funzionante a 1800 giri/min (30 Hz):
- Frequenze calcolate: BPFO = 107 Hz, BPFI = 173 Hz, BSF = 71 Hz, FTF = 12 Hz
- Osservato nello spettro dell'involucro: Picco a 173 Hz con armoniche a 346 Hz, 519 Hz
- Bande laterali: Bande laterali ±30 Hz intorno al picco di 173 Hz
- Diagnosi: Difetto della pista interna confermato (BPFI con bande laterali 1×)
- Azione: Pianificare la sostituzione del cuscinetto entro 2-4 settimane in base all'ampiezza
Importanza della manutenzione predittiva
- Allerta precoce: Rileva i difetti 6-24 mesi prima del guasto
- Diagnosi specifica: Identificare quale componente del cuscinetto è danneggiato
- Monitoraggio delle tendenze: Tracciare le ampiezze della frequenza di guasto per prevedere la durata residua
- Manutenzione programmata: Pianificare le sostituzioni durante i periodi di inattività più convenienti
- Prevenire i danni secondari: Sostituire il cuscinetto prima che un guasto catastrofico danneggi l'albero, l'alloggiamento o altri componenti
- Risparmio sui costi: Evitare riparazioni di emergenza, perdite di produzione e danni collaterali
Le frequenze di guasto dei cuscinetti sono tra gli strumenti diagnostici più potenti nell'analisi delle vibrazioni. La loro prevedibilità matematica, combinata con le moderne tecniche di analisi dell'inviluppo, consente un rilevamento precoce e affidabile dei difetti dei cuscinetti, costituendo la pietra angolare di efficaci programmi di manutenzione predittiva per le apparecchiature rotanti.
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