Comprensione del BPFO – Frequenza dei passaggi di palla nella corsa esterna

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Definizione: Che cosa è BPFO?

BPFO (Frequenza di passaggio della palla, corsa esterna) è uno dei quattro fondamentali frequenze di guasto dei cuscinetti Indica la velocità con cui gli elementi volventi (sfere o rulli) passano sopra un difetto situato sulla pista esterna di un cuscinetto volvente. Quando sulla pista esterna si verifica una scheggiatura, una crepa, una cavità o un altro difetto, ogni elemento volvente colpisce il difetto durante il passaggio, creando un impatto ripetitivo che genera vibrazione alla frequenza BPFO.

Il BPFO è la frequenza più importante dal punto di vista diagnostico, poiché i difetti dell'anello esterno sono il tipo di guasto più comune, responsabile di circa 40% di tutti i guasti dei cuscinetti volventi. Il rilevamento dei picchi di BPFO negli spettri di vibrazione consente di identificare tempestivamente i problemi dell'anello esterno prima che si verifichi il guasto del cuscinetto.

Calcolo matematico

Formula

Il BPFO viene calcolato utilizzando la geometria del cuscinetto e la velocità dell'albero:

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

Variabili

• N = Numero di elementi volventi (sfere o rulli) nel cuscinetto
• n = Frequenza di rotazione dell'albero (Hz) o velocità (RPM/60)
• Bd = Diametro della sfera o del rullo
• Pd = Diametro primitivo (diametro del cerchio passante per i centri degli elementi volventi)
• beta = Angolo di contatto (tipicamente 0° per cuscinetti a sfere radiali, 15-40° per contatto angolare)

Approssimazione semplificata

Per cuscinetti con angolo di contatto zero (β = 0°):

• BPFO ≈ (N × n / 2) × [1 + Bd/Pd]
• Per cuscinetti tipici con Bd/Pd ≈ 0,2, questo dà BPFO ≈ 0,6 × N × n
• Regola pratica: BPFO ≈ 60% di (numero di sfere × frequenza dell'albero)

Valori tipici

• Per cuscinetti con 8-12 elementi volventi: BPFO in genere 3-5 volte la velocità dell'albero
• Esempio: cuscinetto a 10 sfere a 1800 giri/min (30 Hz) → BPFO ≈ 107 Hz (velocità dell'albero 3,6×)

Meccanismo fisico

Perché i difetti della razza esterna generano BPFO

Nella maggior parte dei cuscinetti la pista esterna è fissata nell'alloggiamento:

1. Un difetto (scheggiatura, vaiolatura) è presente in una posizione fissa sulla pista esterna
2. Mentre la gabbia ruota, trasporta elementi volventi attorno al cuscinetto
3. Ogni elemento rotante a sua volta passa sopra la posizione del difetto
4. Quando una palla colpisce il difetto, si verifica un piccolo impatto o "clic"
5. Con N elementi volventi, il difetto viene colpito N volte per giro della gabbia
6. Poiché la gabbia ruota a circa 0,4 volte la velocità dell'albero e ogni sfera colpisce una volta per ogni rivoluzione della gabbia, la frequenza di impatto totale = N × frequenza della gabbia ≈ BPFO

Caratteristiche di impatto

• Ogni impatto è breve (durata microsecondi)
• Gli impatti sono periodici alla frequenza BPFO
• L'energia d'impatto eccita risonanze ad alta frequenza nella struttura portante
• La natura ripetitiva crea chiari picchi spettrali

Firma di vibrazione negli spettri

Nello spettro FFT standard

• Picco primario: Alla frequenza BPFO
• Armoniche: A 2×BPFO, 3×BPFO, 4×BPFO (che indicano la gravità del difetto)
• Bande laterali: Potrebbe avere bande laterali ±1× se la pista esterna può ruotare leggermente o a causa della variazione della zona di carico
• Ampiezza: Aumenta man mano che il difetto si propaga

Nello spettro dell'involucro

• Picco BPFO molto più chiaro e con ampiezza maggiore rispetto alla FFT standard
• Armoniche ben visibili
• Possibilità di rilevamento precoce (difetti rilevabili mesi prima)
• Minore interferenza da vibrazioni a bassa frequenza

Progressione tipica dell'ampiezza

• Incipiente: 0,1-0,5 g (busta), appena rilevabile
• Presto: 0,5-2 g, picco BPFO chiaro con 1-2 armoniche
• Moderare: 2-10 g, armoniche multiple, bande laterali che compaiono
• Avanzato: >10 g, numerose armoniche, rumore di fondo elevato

Perché i difetti della razza esterna sono più comuni

I fallimenti delle razze esterne predominano per diverse ragioni:

Concentrazione del carico

• Nel tipico orientamento orizzontale dell'albero, la zona di carico è in basso
• La pista esterna in basso sostiene la maggior parte del carico
• Il carico costante della stessa sezione esterna della pista accelera l'affaticamento
• La pista interna ruota, distribuendo il carico su tutta la circonferenza

Sollecitazioni di installazione

• La pista esterna premuta nell'alloggiamento può subire danni durante l'installazione
• Gli adattamenti con interferenza creano tensioni residue
• Un'installazione non corretta (disallineamento, disallineamenti) danneggia la pista esterna

Effetti della contaminazione

• Le particelle entrano nel cuscinetto dalla pista esterna
• Contaminazione concentrata nella zona esterna della gara
• Le particelle si incorporano nel materiale più morbido della pista esterna

Significato diagnostico

Elevata affidabilità diagnostica

Il BPFO è uno degli indicatori diagnostici più affidabili:

• La frequenza è calcolabile con precisione ed è unica per ogni tipo di cuscinetto
• Difficilmente confondibile con altre frequenze di macchinari
• Chiara progressione man mano che il difetto peggiora
• Relazione ben compresa tra ampiezza e dimensione del difetto

Valutazione della gravità

• Numero di armoniche: Più armoniche = difetto più avanzato
• Ampiezza di picco: Ampiezza maggiore = area difettosa più grande
• Presenza della banda laterale: Le bande laterali estese indicano modulazione, spesso dovuta alla variazione della zona di carico
• Rumore di fondo: Il rumore di fondo elevato indica un deterioramento diffuso della superficie

Relazione con altre frequenze dei cuscinetti

BPFO contro BPFI

• BPFI (pista interna) sempre con frequenza più alta di BPFO per lo stesso cuscinetto
• Rapporto tipico: BPFI/BPFO ≈ 1,6-1,8
• Se entrambi sono presenti, indica difetti multipli (guasto avanzato)
• BPFO più comune inizialmente; BPFI può svilupparsi come danno secondario

Bande laterali a velocità 1×

• Mentre la pista esterna è ferma, è possibile un leggero movimento
• L'accoppiamento allentato del cuscinetto consente alla pista esterna di strisciare o ruotare leggermente
• La variazione della zona di carico mentre le orbite del rotore creano una modulazione di ampiezza
• Risultati in bande laterali ±1× attorno al picco BPFO

Strategia di monitoraggio pratica

Monitoraggio di routine

• Analisi mensile o trimestrale dell'involucro in ogni posizione del cuscinetto
• Rilevamento automatico del picco BPFO e andamento
• Allarme impostato a ampiezza 2-3× baseline
• Dati storici di tendenza per prevedere il tempo di guasto

Test di conferma

Quando viene rilevato BPFO:

• Verificare che la frequenza corrisponda al valore calcolato (entro ±5%)
• Controllare le armoniche (2×BPFO, 3×BPFO)
• Cerca il modello caratteristico della banda laterale
• Confronta con altri cuscinetti sulla stessa macchina (dovrebbe essere univoco per il cuscinetto difettoso)
• Aumentare la frequenza del monitoraggio a settimanale o giornaliera

Il rilevamento e il monitoraggio BPFO rappresentano una delle applicazioni di maggior successo dell'analisi delle vibrazioni nella manutenzione predittiva, prevenendo guasti ai cuscinetti e consentendo strategie di sostituzione basate sulle condizioni che ottimizzano sia l'affidabilità delle apparecchiature sia i costi di manutenzione.

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