Compreender o BPFI — Frequência de Passe da Bola, Pista Interna
BPFI (Frequência de Passagem das Esferas, Pista Interna) é uma das quatro frequências fundamentais frequências de falhas em rolamentos e representa a velocidade a que os elementos rolantes passam por um defeito na pista interior rotativa de um rolamento. Quando se forma uma lasca, uma fissura ou uma cavidade nessa pista interior, cada elemento rolante colide com a imperfeição à medida que a pista o transporta, gerando impactos periódicos que se manifestam no vibração sinal na frequência BPFI. O que distingue a BPFI das outras frequências características é o seu desvio quase constante de ±1× faixas laterais — uma marca distintiva que faz dos defeitos na pista interna das falhas diagnosticadas com maior segurança em análise de vibração.
1. Definição: O que é o BPFI?
O BPFI conta quantas passagens de elementos rolantes ocorrem num determinado ponto da pista interna por unidade de tempo. Como a pista interna gira com o eixo, enquanto os elementos orbitam mais lentamente à velocidade da gaiola, o movimento relativo entre a pista e os elementos é elevado — assim como a frequência. O defeito encontra-se na pista rotativa, pelo que é repetidamente golpeado por cada esfera ou rolo que passa por ele. Juntamente com a frequência da pista externa (BPFO), a frequência da gaiola (FTF), e a frequência de rotação dos elementos rolantes (BSF), o BPFI constitui o conjunto padrão de frequências que um analista calcula para localizar danos num rolamento. As próprias falhas pertencem ao tema mais amplo de defeitos de rolamento.
2. Cálculo matemático
Fórmula e variáveis
O BPFI resulta da geometria do rolamento e da velocidade do eixo:
BPFI = (N × n / 2) × [1 + (Bd/Pd) · cos β]
- N = número de elementos rolantes no rolamento.
- n = frequência de rotação do eixo em Hz (ou RPM ÷ 60).
- Bd = diâmetro da esfera ou do rolo.
- Pd = diâmetro de passo (o círculo que passa pelos centros dos elementos rolantes).
- β = ângulo de contacto.
Por que é que o BPFI é sempre superior ao BPFO
Para o mesmo rolamento, o BPFI é sempre superior ao BPFO, e a fórmula explica exatamente porquê:
- A pista interna roda com o veio, enquanto os elementos rolantes orbitam mais lentamente à velocidade da gaiola (aproximadamente 0,4× a velocidade do veio), pelo que a velocidade relativa na pista interna é maior.
- A BPFI usa o termo [1 + Bd/Pd], enquanto a BPFO usa [1 − Bd/Pd].
- Adicionar a fração a um mantém o multiplicador da BPFI maior do que o da BPFO.
- O rácio típico BPFI/BPFO situa-se em cerca de 1.6–1.8.
Valores típicos
- No caso dos rolamentos comuns, o BPFI situa-se em torno de 5–7× velocidade do eixo.
- Exemplo de trabalho: Um rolamento de 10 esferas a 1800 RPM (30 Hz) apresenta um BPFI ≈ 173 Hz, cerca de 5,8 vezes a velocidade do eixo.
Em vez de avaliar isto manualmente para cada máquina, a maioria dos analistas consulta o valor — juntamente com o BPFO, o BSF e o FTF — diretamente a partir do Calculadora de Frequência de Defeitos em Rolamentos, introduzindo a geometria do rolamento e a velocidade de funcionamento uma única vez.
3. Mecanismo físico e modulação da zona de carga
O defeito rotativo
Uma falha na pista interna cria uma situação que a pista externa nunca enfrenta, porque o próprio defeito se desloca:
- A falha está localizada na pista interna rotativa.
- À medida que a pista gira, a falha desloca-se ao longo da circunferência do rolamento.
- Cada elemento rolante bate nele ao passar — essa é a taxa BPFI.
- Mas a força de cada impacto depende da localização do defeito em relação à zona de carga nesse momento.
O efeito da zona de carga
Cada rolamento sob carga possui uma região — a zona de carga — onde os elementos rolantes exercem maior pressão contra as pistas. À medida que o defeito da pista interna gira e sai desta zona a cada volta do eixo, a resistência ao impacto aumenta e diminui:
- Defeito na zona de carga: força de contacto elevada, um forte impacto sempre que cada elemento o atinge.
- Defeito na zona oposta à zona de carga: pouca ou nenhuma força de contacto, um impacto fraco ou inexistente.
- Frequência de modulação: o defeito completa este ciclo uma vez por cada volta do eixo — ou seja, a cada 1× velocidade de rotação.
- Resultado: Os impactos do BPFI são modulados em amplitude a 1× a velocidade do eixo.
Geração de banda lateral
É essa modulação de amplitude que produz o padrão em pente das bandas laterais de diagnóstico:
- Frequência portadora: BPFI.
- Frequência de modulação: 1× velocidade do veio.
- Faixas laterais: BPFI ± 1×, BPFI ± 2×, BPFI ± 3×, distribuídos simetricamente em torno da portadora.
- Valor diagnóstico: esta família de bandas laterais regulares de 1× é praticamente patognomónica de um defeito da pista interna — e é precisamente isso que distingue a BPFI das bandas laterais espaçadas por FTF de uma falha BSF.
4. Características da assinatura de vibração
Aspeto típico do espetro
- Pico central na frequência BPFI.
- Família de banda lateral dos picos no BPFI ± n×(1×).
- Famílias harmónicas a 2×BPFI e 3×BPFI, cada uma com as suas próprias bandas laterais de ±1×.
- Padrão visual: uma “cerca de estacas” ou um pente de picos uniformemente espaçados.
Por que razão o espetro de envelope é determinante
Os impactos da pista interna excitam ressonâncias de alta frequência nos rolamentos, em vez de depositarem toda a sua energia diretamente no BPFI, pelo que um FFT pode parecer insignificante nas fases iniciais. Análise de envelope desmodula esses picos ressonantes e, no sinal resultante espetro de envelope o pico do BPFI é predominante e as bandas laterais de 1× destacam-se com uma clareza excecional — muitas vezes meses antes do padrão espetro não revela nada. À medida que o defeito cresce, a amplitude do envelope aumenta acentuadamente.
5. Detecção, diagnóstico e prática no terreno
Uma sequência de reconhecimento fiável
- Calcular o BPFI com base no número de modelo ou na geometria do rolamento.
- Pesquisar no espectro para um pico na frequência calculada, permitindo uma tolerância de cerca de ±5%.
- Verifique as bandas laterais de ±1× — a característica principal que permite a identificação.
- Verifique os harmónicos (2×BPFI, 3×BPFI) para as suas próprias bandas laterais.
- Avaliar a amplitude em comparação com os valores de referência ou as diretrizes de severidade.
- Confirmar: BPFI mais bandas laterais de 1× equivale a um defeito da pista interna.
No terreno, o mesmo fluxo de trabalho é executado num instrumento portátil de dois canais. Um analista pode fixar um acelerómetro na caixa de chumaceira (mancal), capturar a vibração de alta frequência à velocidade de funcionamento e analisar o envelope no local — exatamente o tipo de tarefa de «medir onde está em funcionamento» que uma ferramenta como a Balanset-1A foi concebido para, além de desempenhar a função de equilibramento de rotores, servir também como analisador de vibrações no terreno.
BPFI versus BPFO: um resumo
| Característica | BPFI (Pista Interior) | BPFO (Pista Exterior) |
|---|---|---|
| Frequência | Mais elevada (5–7 vezes a velocidade do eixo) | Mais baixa (3–5 vezes a velocidade do eixo) |
| Bandas laterais | Quase sempre presente (±1×) | Pode estar presente ou não. |
| Padrão de banda lateral | Espaçamento muito regular e nítido. | Menos frequente, quando ocorre |
| Ocorrência | Menos comum (~25% de falhas) | Mais comuns (~40% de falhas) |
6. Progressão, severidade e vida útil restante
Fases de desenvolvimento de defeitos
- Iniciação: Formam-se fissuras ou cavidades microscópicas, ainda não detectáveis.
- Incipiente: surge um pequeno pico de BPFI no espetro de envelope (≈ 0,1–0,5 g).
- Precoce: um pico BPFI nítido com um ou dois harmónicos e bandas laterais (≈ 0,5–2 g).
- Moderado: múltiplos harmónicos, bandas laterais proeminentes, uma lasca visível à inspeção (≈ 2–10 g).
- Avançado: amplitude muito elevada, numerosos harmónicos, um ruído de fundo crescente (> 10 g).
- Grave: Quando o ruído de banda larga se torna predominante, os picos discretos desaparecem e uma falha catastrófica é iminente.
Orientações sobre a vida útil restante
- Da fase inicial à fase precoce: normalmente, restam entre 6 e 18 meses.
- Ligeiro a moderado: 3-6 meses.
- Nível intermédio a avançado: 1-3 meses.
- De avançado a grave: dias a semanas.
- Advertência: A duração real depende da carga, da velocidade, da lubrificação e do tamanho do rolamento — os valores apresentados são orientativos, não garantidos, e devem ser considerados em qualquer análise formal vida útil remanescente estimativa.
7. Causas e medidas corretivas
Causas comuns de defeitos da pista interna
- Fadiga: fadiga subsuperficial de alto ciclo resultante de cargas repetitivas, o mecanismo clássico de fim de vida útil.
- Instalação incorreta: danos causados pela montagem, como, por exemplo, encaixar o rolamento batendo na pista interna.
- Danos no veio: uma sede do eixo áspera ou riscada que provoca desgaste por atrito.
- Ajuste com interferência excessiva: Um encaixe por pressão demasiado apertado que aumenta a tensão no aro.
- Desalinhamento: carga não uniforme que acelera a fadiga.
- Contaminação: partículas duras que danificam a pista.
- Falha na lubrificação: uma película inadequada que provoca danos na superfície e lascamento.
Planeamento de resposta e substituição
Assim que for detetado, aumente a frequência de monitorização (mensal → semanal → diária, à medida que a severidade aumenta), programe a substituição para a próxima paragem de manutenção conveniente e analise a evolução da amplitude para prever a vida útil restante. Evite demorar-se em velocidades críticas que poderiam acelerar a avaria. Ao planear a substituição, encomende o modelo de rolamento correto, inspecione o eixo (um defeito avançado na pista interna pode riscar a sede) e realize uma análise das causas profundas para que a peça de substituição não avarie da mesma forma. Integrado numa abordagem disciplinada monitorização de condições No âmbito deste programa, a deteção de BPFI torna-se um pilar fundamental da fiabilidade dos rolamentos — o seu pico inconfundível de alta frequência, com bandas laterais de 1×, proporciona um aviso atempado e inequívoco que evita danos secundários nos eixos e nas caixas de rolamentos.
