Inzicht in BPFI — Balpassfrequentie, binnenring
BPFI (Ball Pass Frequency, Inner Race) is een van de vier fundamentele lagerfoutfrequenties en geeft de snelheid weer waarmee de rollichamen over een defect op de draaiende binnenring van een lager rollen. Wanneer zich op die binnenring een afgebroken stukje, scheur of putje vormt, raakt elk rollichaam het defect wanneer de ring erlangs beweegt, waardoor periodieke stoten ontstaan die zichtbaar worden in de trillingen signaal op de BPFI-frequentie. Wat BPFI onderscheidt van de andere karakteristieke frequenties, is de vrijwel constante begeleiding van ±1× zijbanden — een kenmerk waardoor gebreken binnen een ras tot de meest betrouwbaar vast te stellen afwijkingen behoren in trillingsanalyse.
1. Definitie: Wat is BPFI?
BPFI meet hoeveel keer de rollende elementen per tijdseenheid langs een bepaald punt op de binnenring passeren. Omdat de binnenring met de as meedraait, terwijl de elementen langzamer ronddraaien met de snelheid van de kooi, is de relatieve beweging tussen de ring en de elementen groot — en daarmee ook de frequentie. Het defect bevindt zich op de draaiende ring, waardoor het herhaaldelijk wordt geraakt door elke kogel of rol die erlangs komt. Samen met de frequentie van de buitenring (BPFO), de kooifrequentie (FTF), en de draaifrequentie van de rollende elementen (BSF), vormt BPFI de standaardreeks frequenties die een analist berekent om schade in een lager te lokaliseren. De defecten zelf vallen onder het bredere onderwerp van lagerdefecten.
2. Wiskundige berekening
Formule en variabelen
De BPFI wordt bepaald door de geometrie van de lagers en het toerental van de as:
BPFI = (N × n / 2) × [1 − (Bd/Pd) · cos β]
- N = aantal rollende elementen in het lager.
- n = draaifrequentie van de as in Hz (of tpm ÷ 60).
- Bd = diameter van de kogel of rol.
- Pd = steekcirkel (de cirkel die door de middelpunten van de rollichamen loopt).
- β = contacthoek.
Waarom de BPFI altijd hoger is dan de BPFO
Voor hetzelfde lager is BPFI altijd groter dan BPFO, en de formule laat precies zien waarom:
- De binnenring draait mee met de as, terwijl de rollichamen met ongeveer 0,4 keer de snelheid van de kooi ronddraaien, waardoor de relatieve snelheid bij de binnenring groter is.
- BPFI gebruikt de term [1 − Bd/Pd], terwijl BPFO [1 + Bd/Pd] gebruikt.
- Door een breuk van één af te trekken, blijft de vermenigvuldigingsfactor van BPFI groter dan die van BPFO.
- De gebruikelijke verhouding BPFI/BPFO komt neer op ongeveer 1.6–1.8.
Typische waarden
- Voor gangbare lagers ligt de BPFI rond 5–7× assnelheid.
- Rekenvoorbeeld: een kogellager met 10 kogels bij 1800 tpm (30 Hz) levert een BPFI op van ≈ 173 Hz, ongeveer 5,8 keer de astoerental.
In plaats van dit voor elke machine handmatig te controleren, halen de meeste analisten de waarde — samen met BPFO, BSF en FTF — rechtstreeks uit de Calculator voor de frequentie van lagerdefecten, waarbij u de geometrie van het lager en het toerental eenmalig invoert.
3. Fysisch mechanisme en modulatie van de belastingszone
Het roterende defect
Een tekortkoming in de binnenste cirkel leidt tot een situatie die de buitenste cirkel nooit waarneemt, omdat de tekortkoming zelf in beweging is:
- Het defect zit op de draaiende binnenring.
- Naarmate de race vordert, verplaatst de onvolkomenheid zich over de omtrek van het lager.
- Elk rollend element raakt het bij het passeren — dat is de BPFI-frequentie.
- Maar de kracht van elke slag hangt af van de plaats waar het defect zich op dat moment ten opzichte van de belastingszone bevindt.
Het effect van de belastingszone
Elk belast lager heeft een gebied — de belastingszone — waar de rolelementen het hardst tegen de loopvlakken drukken. Aangezien het defect in het binnenloopvlak bij elke omwenteling van de as door deze zone draait en er weer uit komt, stijgt en daalt de slagvastheid:
- Defect binnen de laadzone: een hoge contactkracht, een krachtige impact telkens wanneer een element ertegenaan stoot.
- Defect tegenover de belastingszone: weinig of geen contactkracht, een zwakke of afwezige impact.
- Modulatiefrequentie: het defect doorloopt deze cyclus één keer per omwenteling van de as — d.w.z. bij 1× loopsnelheid.
- Resultaat: De BPFI-effecten worden amplitudegemoduleerd bij 1× astoerental.
Generatie van zijbanden
Die amplitudemodulatie zorgt voor het kenmerkende zijbandpatroon:
- Draagfrequentie: BPFI.
- Modulatiefrequentie: 1× astoerental.
- Zijbanden: BPFI ± 1×, BPFI ± 2×, BPFI ± 3×, symmetrisch verdeeld rond de drager.
- Diagnostische waarde: deze standaard 1×-zijbandfamilie is vrijwel pathognomonisch voor een defect binnen de rasgroep — en juist dit onderscheidt BPFI van de FTF-gespreide zijbanden van een BSF-breuk.
4. Kenmerken van trillingspatronen
Typisch spectrumbeeld
- Central peak op de BPFI-frequentie.
- Zijbandgroep van pieken bij BPFI ± n×(1×).
- Harmonische families bij 2×BPFI en 3×BPFI, elk met een eigen ±1× zijband.
- Visueel patroon: een „palenhek“ of een reeks gelijkmatig verdeelde pieken.
Waarom het envelopspectrum doorslaggevend is
Interacties binnen de race wekken resonanties in de lagers op hoge frequentie op in plaats van al hun energie direct op het BPFI af te geven, dus een ruwe FFT kan in de vroege stadia onopvallend lijken. Envelopanalyse demoduleert die resonante pulsen, en in het resulterende enveloppespectrum de BPFI-piek overheerst en de 1×-zijbanden komen uitzonderlijk helder naar voren — vaak al maanden vóór de standaard spectrum geeft iets weer. Naarmate het defect groter wordt, stijgt de amplitude van de omhullende curve sterk.
5. Opsporing, diagnose en praktijkervaring
Een betrouwbare herkenningsvolgorde
- Calculate BPFI op basis van het modelnummer of de geometrie van het lager.
- Zoek in het spectrum om de berekende frequentie te bekijken, met een tolerantie van ongeveer ±5%.
- Controleer de zijbanden van ±1× — het belangrijkste kenmerk dat dit bevestigt.
- Controleer de harmonischen (2×BPFI, 3×BPFI) voor hun eigen zijbanden.
- De amplitude bepalen ten opzichte van de uitgangswaarde of de richtlijnen voor ernst.
- Confirm: BPFI plus 1× zijbanden wijst op een defect in de binnenste race.
In het veld wordt dezelfde werkwijze toegepast met een draagbaar tweekanaalsapparaat. Een analist kan een versnellingsmeter op de lagerbehuizing bevestigen, de hoogfrequente trillingen bij bedrijfssnelheid registreren en de trillingsamplitude ter plaatse analyseren — precies het soort ‘meten-waar-het-draait’-taak waarvoor een apparaat als de Balans-1a is ontworpen om, naast zijn functie als rotorbalancer, ook dienst te doen als trillingsanalysator in het veld.
BPFI versus BPFO in een oogopslag
| Functie | BPFI (Binnenste loopbaan) | BPFO (Buitenste loopbaan) |
|---|---|---|
| Frequentie | Hoger (5–7× astoerental) | Lager (3–5× astoerental) |
| Zijbanden | Bijna altijd aanwezig (±1×) | Kan wel of niet aanwezig zijn |
| Zijbandpatroon | Zeer regelmatige, duidelijke afstand | Minder vaak aanwezig |
| Voorkomen | Minder vaak voorkomend (~25% van de fouten) | Meest voorkomende (~40% van de storingen) |
6. Verloop, ernst en resterende levensduur
Stadia van defectontwikkeling
- Initiatie: Er ontstaan microscopisch kleine scheuren of putjes, die nog niet zijn te detecteren
- Beginnend: er ontstaat een kleine BPFI-piek in het envelopspectrum (≈ 0,1–0,5 g).
- Vroeg: een duidelijke BPFI-piek met één of twee harmonischen en zijbanden (≈ 0,5–2 g).
- Gematigd: meerdere harmonischen, opvallende zijbanden, een bij nadere inspectie zichtbare afbrokkeling (≈ 2–10 g).
- Geavanceerd: zeer hoge amplitude, talrijke harmonischen, een stijgende ruisvloer (> 10 g).
- Streng: breedbandruis overheerst, de afzonderlijke pieken vervagen en een catastrofale storing dreigt.
Richtlijnen voor de resterende levensduur
- Beginnend tot vroeg: meestal nog 6 tot 18 maanden te gaan.
- Licht tot matig: 3–6 months.
- Gemiddeld tot gevorderd: 1–3 months.
- Matig tot ernstig: days to weeks.
- Caveat: de werkelijke levensduur hangt af van de belasting, het toerental, de smering en de afmetingen van het lager — de cijfers zijn richtwaarden, geen garanties, en worden meegenomen in eventuele formele resterende gebruiksduur estimate.
7. Oorzaken en corrigerende maatregelen
Veelvoorkomende oorzaken van defecten binnen dezelfde soort
- Vermoeidheid: vermoeidheid van de ondergrond door herhaalde belasting, het klassieke mechanisme dat het einde van de levensduur veroorzaakt.
- Onjuiste installatie: toenemende schade, bijvoorbeeld door het lager op zijn plaats te slaan door tegen de binnenring te stoten.
- Schade aan de as: een ruwe of geribbelde aszitting die wrijvingsslijtage veroorzaakt.
- Te strakke perspassing: een te strakke perspassing die de spanning in de ring verhoogt.
- Verkeerde uitlijning: ongelijkmatige belasting die vermoeidheid versnelt.
- Besmetting: harde deeltjes die de loopbaan beschadigen.
- Smeringsstoring: onvoldoende filmlaag, wat leidt tot oppervlaktebeschadiging en afbrokkeling.
Reactie- en vervangingsplanning
Bij constatering van een afwijking moet u de controle-interval verkorten (maandelijks → wekelijks → dagelijks naarmate de ernst toeneemt), vervanging inplannen tijdens de eerstvolgende geschikte onderhoudsbeurt en de amplitude in kaart brengen om de resterende levensduur te voorspellen. Blijf niet hangen bij kritische snelheden wat tot een vroegtijdige uitval kan leiden. Bestel bij het plannen van de vervanging het juiste lagertype, controleer de as (een vergevorderd defect aan de binnenring kan krassen op de zitting veroorzaken) en voer een analyse van de onderliggende oorzaak uit, zodat de vervanging niet op dezelfde manier defect raakt. Dit alles binnen een gestructureerd conditiebewaking programma wordt BPFI-detectie een hoeksteen van de betrouwbaarheid van lagers — de onmiskenbare hoogfrequente piek met 1× zijbanden geeft een tijdige, eenduidige waarschuwing die secundaire schade aan assen en behuizingen voorkomt.
