Comprensione dei difetti degli elementi volventi
Difetti degli elementi rotanti sono danni, difetti o imperfezioni presenti nelle sfere o nei rulli di un cuscinetto a rotolamento. Tra questi figurano scheggiature superficiali, crepe, contaminanti incastrati, inclusioni di materiale, corrosione e imperfezioni geometriche. Quando una sfera o un rullo danneggiato ruota all'interno del cuscinetto, urta sia la pista interna che quella esterna, generando vibrazione al frequenza di rotazione della palla (BSF) con le caratteristiche bande laterali spaced at the gabbia o frequenza fondamentale (FTF). I difetti degli elementi volventi sono uno dei quattro difetti localizzati classici difetti dei cuscinetti, oltre ai difetti di allineamento interno, esterno e di gabbia.
Sono meno comuni dei difetti delle piste di rotolamento e rappresentano circa il 10–15% dei guasti ai cuscinetti, ma quando si verificano producono un quadro caratteristico, talvolta fuorviante, e possono progredire rapidamente fino al guasto completo del cuscinetto. Poiché il difetto ruota insieme all'elemento anziché rimanere fisso nella zona di carico, la sua vibrazione si comporta in modo diverso rispetto a un difetto della pista di rotolamento: una peculiarità che costituisce sia un indizio diagnostico sia un vero e proprio grattacapo per l'analisi delle tendenze.
1. Definizione: cosa sono i difetti degli elementi volventi?
Un elemento rotante — la sfera in un cuscinetto a sfere, il cilindro, l'ago o il rullo conico in un cuscinetto a rulli — è il componente che sostiene effettivamente il carico tra le due piste mentre ruota. La sua superficie è in acciaio per cuscinetti, trattata termicamente a cuore e rifinita con precisione, e deve rimanere geometricamente perfetta per garantire un rotolamento fluido. Qualsiasi imperfezione di tale superficie, sia essa originaria dell'acciaieria o causata durante l'uso, diventa un punto di concentrazione delle sollecitazioni e una fonte di impatto.
Ogni volta che il difetto sull'elemento entra in contatto con una pista, produce un piccolo impulso. Durante un'orbita completa della gabbia, l'elemento entra in contatto una volta con la pista esterna e una volta con quella interna, quindi un singolo difetto tende a generare due impatti per ogni rotazione dell'elemento — motivo per cui la seconda armonica, 2×BSF, è così prominente nello spettro. La frequenza di ripetizione di tali impatti è determinata dalla geometria del cuscinetto (diametro della sfera, diametro primitivo, angolo di contatto e numero di elementi), conferendo al difetto una frequenza caratteristica calcolabile che è inequivocabilmente diversa da velocità di marcia or its armoniche.
2. Tipi di difetti degli elementi volventi
Surface spalls
Il difetto più comune negli elementi volventi. La fatica da contatto rotolante provoca il distacco di una scheggia di materiale dalla superficie, lasciando un cratere o una cavità. Le scheggiature hanno in genere un diametro iniziale compreso tra 0,5 e 3 mm, ma tendono ad allargarsi man mano che i bordi taglienti della cavità urtano contro le piste, provocando l'ulteriore distacco di detriti. Ogni passaggio della scheggiatura su una pista produce un impatto, generando una vibrazione a BSF e una vibrazione 2×BSF spesso dominante. (Vedi sfaldamento (per quanto riguarda il meccanismo alla base della fatica.)
crepe
Le crepe possono essere causate da sovraccarichi, urti o fatica e possono essere superficiali o sotterranee. Una crepa si propaga fino a quando un frammento non si stacca, trasformandosi in una scheggia. È difficile individuare le crepe prima che ciò accada e, nei casi più gravi, una sfera può fratturarsi e frammentarsi, provocando un cedimento improvviso e catastrofico.
Inclusioni di materiale
Un difetto di fabbricazione: la presenza di corpi estranei o di cavità intrappolate nell'acciaio per cuscinetti. Le inclusioni creano una concentrazione di sollecitazioni che provoca un'usura prematura, solitamente non rilevabile finché non si verificano fenomeni di sfaldamento intorno all'inclusione. L'unica vera misura preventiva consiste nell'utilizzare acciaio per cuscinetti pulito e di alta qualità.
Contaminazione intrinseca
Le particelle dure — sporco, graniglia di molatura, trucioli metallici — che si incastrano nella superficie dell'elemento formano una protuberanza che, ad ogni passaggio, urta violentemente contro le piste. L'incavo diventa inoltre un punto di concentrazione delle sollecitazioni in grado di provocare la formazione di scheggiature. Il risultato è una vibrazione da impatto a livello del BSF, la cui causa principale è quasi sempre una tenuta o una filtrazione inadeguata, la stessa sequenza di eventi descritta in lubrificazione dei cuscinetti cleanliness.
Danni causati dalla corrosione e dall'umidità
L'infiltrazione d'acqua o la condensa causano la formazione di macchie di ruggine, vaiolatura, e la rugosità superficiale. Le aree corrose fungono da punti di inizio della fatica. Una corretta sigillatura e l'uso di lubrificanti anticorrosivi prevengono questo fenomeno.
Brinellatura e ammaccature
I carichi d'urto — causati dalla caduta del cuscinetto, da urti durante la movimentazione o da sovraccarichi statici — lasciano ammaccature permanenti sulla superficie dell'elemento. Il fenomeno del falso brinellaggio può verificarsi anche a causa delle vibrazioni mentre la macchina è ferma. Queste ammaccature generano urti e concentrazioni di sollecitazioni; una movimentazione accurata e un'installazione corretta rappresentano la soluzione.
3. La firma delle vibrazioni
Composizione in frequenza
I difetti degli elementi rotanti producono un motivo riconoscibile nel spettro di vibrazione:
- Frequenza primaria: BSF, in genere pari a 2–3 volte la velocità di corsa.
- Seconda armonica forte: Il 2×BSF è spesso maggiore della fondamentale, poiché il difetto colpisce entrambe le razze durante ogni rotazione dell'elemento.
- Spaziatura delle bande laterali: Bande laterali FTF (frequenza della gabbia) — non 1× bande laterali. Questo è l'elemento chiave che lo distingue da un guasto all'interno della corsa.
- Modello: BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF e così via, formando una «steccata» di picchi distanziati alla frequenza di gabbia.
Poiché gli impulsi sono brevi e ad alta frequenza, di solito risultano nascosti nello spettro grezzo e emergono chiaramente solo dopo la demodulazione. Analisi dell'inviluppo rettifica e applica un filtro passa-banda al segnale per evidenziare la frequenza di ripetizione, e il risultato spettro dell'inviluppo è proprio qui che la famiglia BSF/FTF è più evidente. Le specie strettamente correlate frequenze di guasto dei cuscinetti infatti, la pista interna, la pista esterna e la gabbia completano la dotazione diagnostica.
Come distinguere i quattro tipi di difetti dei cuscinetti
| Caratteristica | Pista esterna (BPFO) | Pista interna (BPFI) | Elemento volvente (BSF) |
|---|---|---|---|
| Frequenza primaria | BPFO (3–5×) | BPFI (5–7×) | BSF (2–3×) |
| Spaziatura delle bande laterali | Nessuno o minimo | ±1× (velocità dell'albero) | ±FTF (velocità della gabbia) |
| Stabilità dell'ampiezza | Relativamente stabile | Stabile | Variabile (dipende dalla posizione della palla) |
| Evento | Più comune (~40%) | Comune (~35%) | I meno comuni (~10–15%) |
Variabilità dell'ampiezza
Una caratteristica distintiva dei difetti sferici è che l'ampiezza misurata varia da una lettura all'altra:
- Quando l'elemento difettoso attraversa la zona di carico, gli urti sono violenti e l'ampiezza è elevata.
- Quando lo stesso elemento si trova sul lato non caricato del cuscinetto, il contatto è leggero e l'ampiezza diminuisce.
- Questa modulazione è determinata dalla frequenza della gabbia (da cui le bande laterali FTF) e può rendere semplice di tendenza irregolare — ma il fatto stesso che il livello oscilli è di per sé indicativo di un guasto agli elementi rotanti.
4. Evoluzione e conseguenze
Sviluppo di difetti
- Iniziazione: una piccola crepa superficiale o un'inclusione sotterranea.
- Micro-spall: si stacca un minuscolo frammento di tessuto.
- Spall growth: gli urti sui bordi scheggiati provocano l'estensione del danno.
- Scheggiature multiple: I detriti in circolazione abrasano la superficie e causano ulteriori difetti.
- Frammentazione della palla: nei casi più gravi, l'intera sfera si crepa e si frantuma.
- Un fallimento totale: il cuscinetto perde la propria capacità di carico, spesso bloccandosi.
Danni secondari
- Danno alla pista: L'elemento difettoso provoca rigature sia sulla pista interna che su quella esterna.
- Circolazione dei detriti: Il materiale scheggiato provoca l'abrasione a tre corpi in tutto il cuscinetto.
- Danni alla gabbia: un elemento irruvidito consuma le tasche della gabbia.
- Rapido deterioramento: una volta che un elemento si danneggia, gli altri seguono rapidamente, quindi il lasso di tempo tra il rilevamento del guasto e il cedimento è breve.
5. Cause più comuni
Difetti di fabbricazione e dei materiali
- Inclusioni interne o vuoti nel materiale dell'elemento.
- Un trattamento termico non corretto che comporta una durezza insufficiente o non uniforme.
- Difetti di finitura superficiale.
- Imperfezioni geometriche, come sfere non circolari.
Danni causati dall'installazione
- Urti durante la movimentazione — caduta o urto del cuscinetto.
- Brinellatura dovuta a sovraccarico statico, oppure falsa brinellatura causata dalle vibrazioni in condizioni di fermo.
- Contaminazione causata durante il montaggio, con particelle che si incastrano nella superficie.
Condizioni operative
- Una lubrificazione insufficiente causa danni superficiali e microsaldature.
- Un sovraccarico che accelera la fatica da contatto rotolante.
- Correnti elettriche parassite che attraversano il cuscinetto, causando scanalature e cavità.
- Ambienti corrosivi che aggrediscono le superfici degli elementi.
- La contaminazione da particelle dure provoca ammaccature.
6. Individuazione, diagnosi e misure correttive
Analisi delle vibrazioni
- Calcola il BSF e l'FTF per la geometria specifica del cuscinetto — a Calcolatore della frequenza dei difetti dei cuscinetti converte direttamente la velocità dell'albero e le dimensioni dei cuscinetti in BPFO, BPFI, BSF e FTF.
- Cerca il picco BSF nello spettro dell'inviluppo.
- Verificare il diagramma della banda laterale FTF: è l'indicatore più affidabile per individuare un guasto agli elementi rotanti.
- Controlla il 2×BSF, la cui ampiezza spesso supera quella della fondamentale.
- Effettuare diverse misurazioni; la variabilità dell'ampiezza prevista costituisce di per sé una conferma.
Sul campo, l'intera sequenza — misurazione del livello in banda larga, acquisizione dello spettro ed esecuzione dell'analisi dell'inviluppo — è esattamente il tipo di diagnosi dei cuscinetti per cui è stato progettato un analizzatore portatile a due canali. Il Bilanciamento-1a registra lo spettro FFT e la forma d'onda temporale provenienti dagli alloggiamenti dei cuscinetti della macchina stessa a velocità operativa, consentendo così a un analista di individuare in loco la famiglia BSF e le sue bande laterali FTF senza smontare la macchina, per poi classificare il danno con uno strumento come il Classificatore dei danni ai cuscinetti (ISO 15243). Lo stesso strumento consente inoltre di verificare che il guasto al sistema di rilevamento della rotta sia effettivo e non semplicemente un artefatto strutturale, prima di procedere alla sostituzione.
Ispezione visiva
- Smontare il cuscinetto e ispezionare singolarmente ogni sfera o rullo.
- Cercare scheggiature, crepe, materiale incorporato, corrosione
- Verifica la rugosità della superficie: elementi lisci contro elementi ruvidi.
- Verificare la precisione geometrica (eccentricità).
- Fotografa ogni difetto per il registro di manutenzione.
Azioni correttive e causa principale
La risposta immediata consiste nell'aumentare la frequenza dei controlli in linea con gravità del difetto, pianificare la sostituzione del cuscinetto e verificare che le piste non presentino danni secondari. La soluzione definitiva risiede nell'analisi delle cause alla radice: rivedere la scelta e le caratteristiche del cuscinetto, verificare l'adeguatezza della lubrificazione, individuare le fonti di contaminazione, controllare le procedure di installazione e valutare l'adozione di cuscinetti con specifiche migliorate nei casi in cui il guasto sia stato prematuro. Reintegrare questi risultati in un processo strutturato monitoraggio delle condizioni È proprio il programma che trasforma un guasto occasionale in un guasto evitato.
I difetti degli elementi volventi, sebbene meno comuni rispetto a quelli delle piste di rotolamento, richiedono una chiara comprensione della loro caratteristica firma BSF con bande laterali FTF per una diagnosi accurata. L'individuazione precoce tramite l'analisi dell'inviluppo consente di pianificare interventi di manutenzione ben prima che il difetto provochi gravi danni al cuscinetto e un possibile guasto catastrofico.
