Compreender a FTF — Frequência Fundamental do Conjunto de Rolamentos
FTF (Fundamental Train Frequency — também designada frequência da gaiola ou frequência do retentor) é uma das quatro frequências fundamentais frequências de falhas em rolamentos. Representa a velocidade rotacional da gaiola do rolamento (o separador ou retentor que mantém os elementos rolantes no lugar e os conserva igualmente espaçados). A gaiola orbita em torno do rolamento transportando os elementos rolantes consigo, completando uma revolução no tempo que o conjunto de elementos rolantes demora a percorrer uma vez as pistas de rolamento. A FTF é a mais baixa das quatro frequências do rolamento — tipicamente 0,35× a 0,48× a velocidade do veio, e por isso sempre subsíncrono. Embora os defeitos da gaiola sejam em si raros, a FTF é diagnosticamente importante como frequência de modulação que cria faixas laterais em torno das outras frequências do rolamento, particularmente BSF.
1. Definição: O Que Representa a FTF
Todos os rolamentos de elementos rolantes possuem uma gaiola que retém as esferas ou os rolos em alvéolos e os conduz em torno do espaço anular entre as pistas interior e exterior. À medida que a pista interior gira com o veio, arrasta os elementos rolantes, e a gaiola move-se à sua velocidade orbital coletiva. Como essa velocidade orbital é sensivelmente a média entre a pista exterior estacionária (zero) e a pista interior em rotação (velocidade do veio), a gaiola circula a apenas cerca de 40% da velocidade do veio. Esta taxa orbital é a Fundamental Train Frequency — o ritmo mais lento e suave do rolamento, mas que está na base do diagnóstico de falhas em elementos rolantes.
2. Cálculo matemático
Fórmula
O FTF é derivado da geometria do rolamento e da velocidade do veio. Em rigor, é a velocidade da gaiola vista a partir da pista interior em rotação; com a pista exterior estacionária e a pista interior em rotação, obtém-se:
FTF = (n / 2) × [1 − (Bd / Pd) × cos β]
Variáveis
- n = frequência de rotação do eixo em Hz (ou seja, RPM ÷ 60).
- Bd = diâmetro da esfera ou do rolo.
- Pd = diâmetro primitivo (o diâmetro da circunferência que passa pelos centros dos elementos rolantes).
- β = ângulo de contacto.
Forma simplificada
Para rolamentos com ângulo de contacto nulo (β = 0°, cos β = 1):
- FTF ≈ (n / 2) × [1 − Bd / Pd]
- Para um rolamento típico com Bd/Pd ≈ 0,2, obtém-se FTF ≈ 0,4 × n.
- Regra de ouro: o FTF é aproximadamente 0,4× a velocidade do veio — 40% da frequência do veio.
Alcance típico
- O FTF situa-se tipicamente entre 0,35× e 0,48× a velocidade do veio, dependendo da geometria.
- Exemplo: a 1800 RPM (30 Hz), FTF ≈ 12 Hz (0,4× a velocidade do veio).
- É sempre sub-síncrono (abaixo de 1× a velocidade de funcionamento).
- É a mais baixa das quatro frequências de defeito de rolamento.
Estes cálculos fazem parte de qualquer estudo de defeitos em rolamentos; um calculadora da frequência de defeitos nos rolamentos calcula o FTF juntamente com o BPFO, BPFI e BSF diretamente a partir da geometria, o que é muito mais rápido e menos suscetível a erros do que aplicar a fórmula manualmente para cada rolamento de uma máquina.
3. Significado Físico
Movimento da gaiola
A rotação da gaiola é determinada pelos elementos rolantes que esta suporta:
- Os elementos rolantes rolam sem deslizamento entre as pistas interior e exterior.
- A gaiola move-se à velocidade média dos centros dos elementos rolantes.
- Essa velocidade é aproximadamente o ponto médio entre a pista exterior estacionária (0) e a pista interior em rotação (velocidade do veio).
- Assim, a gaiola circula a cerca de 40% da velocidade do veio.
O pequeno desvio em relação a um rácio limpo de 0,5× — e o facto de as gaiolas reais poderem apresentar um ligeiro deslizamento — é precisamente a razão pela qual o FTF é irracional relativamente à velocidade de funcionamento e nunca coincide com uma harmónica exata.
Função da gaiola
- Espaçamento: mantém o espaçamento uniforme entre os elementos rolantes.
- Orientação: mantém cada elemento rolante na sua trajetória orbital correta.
- Lubrificação: pode contribuir para a distribuição do lubrificante pelo rolamento.
- Separação: impede que elementos rolantes adjacentes entrem em contacto entre si.
4. Quando o FTF Aparece nos Espectros de Vibração
Defeitos diretos da gaiola
Um pico primário de FTF aparece quando a própria gaiola está danificada:
- Gaiola partida: uma estrutura de gaiola fraturada ou com fissuras.
- Worn pockets: folga excessiva entre a gaiola e os elementos rolantes.
- Fricção da gaiola: a gaiola em contacto com as pistas ou vedações.
- Frequência: um pico direto de FTF, frequentemente com harmónicas.
- Raridade: os defeitos exclusivos da gaiola são pouco frequentes, representando menos de cerca de 5% das avarias de rolamentos.
Como Modulação de Bandas Laterais (o Papel Mais Comum)
Com muito maior frequência, o FTF manifesta-se como espaçamento de bandas laterais em torno do BSF, em vez de como um pico próprio:
- Quando existe um defeito num elemento rolante, o BSF está activo.
- A severidade do impacto da esfera defeituosa aumenta e diminui à medida que esta orbita dentro e fora da zona de carga.
- Essa variação ocorre à frequência orbital da gaiola — FTF.
- O resultado são bandas laterais em BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF, BSF ± 3×FTF, e assim sucessivamente.
- Este padrão constitui uma impressão digital de diagnóstico fiável para defeitos em elementos rolantes, e é aprimorado por análise de envelope.
Em instabilidade de rolamento
- A vibração sub-síncrona resultante de instabilidade induzida pelo rolamento pode aparecer próximo do FTF.
- Pode apontar para uma pré-carga or excessive folga do rolamento.
- Distingue-se de um defeito verdadeiro de gaiola pelo seu carácter — contínuo e de banda larga, em contraste com o impacto discreto e repetitivo de uma gaiola danificada.
5. Diagnóstico de Defeitos na Gaiola
Sintomas de problemas na gaiola
- Um pico à frequência de FTF no espetro de vibração.
- Harmónicas a 2×FTF, 3×FTF e acima.
- Amplitude frequentemente errática ou variável, em vez de constante.
- Estalidos ou chocalhar audíveis em muitos casos.
- Impactos periódicos por vezes visíveis no forma de onda temporal.
Causas de defeitos em gaiolas
- Lubrificação inadequada: lubrificação insuficiente a causar desgaste na gaiola.
- Funcionamento a alta velocidade: força centrífuga excessiva sobre a gaiola.
- Contaminação: partículas que danificam o material da gaiola ou os seus alvéolos.
- Sobreaquecimento: distorção térmica ou amolecimento do material da gaiola.
- Fadiga: ciclo elevado fadiga nas secções finas da gaiola.
- Danos na instalação: uma gaiola dobrada ou danificada durante a montagem.
6. Importância Prática e Relação com as Outras Frequências de Rolamento
FTF como Indicador de Diagnóstico
O principal valor prático da FTF reside no espaçamento que impõe nas bandas laterais:
- 1× sidebands: apontam para defeitos na pista interior (modulação pela rotação do veio à medida que o defeito atravessa a zona de carga).
- FTF sidebands: apontam para defeitos nos elementos rolantes (modulação pelo movimento orbital da gaiola).
- Reconhecimento de padrões: o espaçamento entre bandas laterais, por si só, identifica frequentemente o tipo de defeito à primeira vista.
- Diagnóstico avançado: compreender a FTF é o que permite a um analista interpretar corretamente um espectro de rolamento de outra forma confuso.
Em Diagnóstico Automatizado
- Os analisadores modernos calculam automaticamente as quatro frequências de rolamento a partir do modelo do rolamento.
- O software assinala picos em BPFO, BPFI, BSF e FTF.
- A deteção automática de bandas laterais utiliza a FTF e 1× como espaçamentos de pesquisa.
- A gravidade é classificada com base na amplitude de pico e no conteúdo harmónico.
Hierarquia de Frequência
As quatro frequências de rolamento, por ordem crescente de magnitude:
- Mais baixo: FTF (≈ 0,4× a velocidade do veio).
- Low–medium: BSF (≈ 2–3× a velocidade do veio).
- Médio: BPFO (≈ 3–5× a velocidade do veio).
- Mais alto: BPFI (≈ 5–7× a velocidade do veio).
Relações Matemáticas
- Todas as quatro frequências têm origem na mesma geometria do rolamento.
- Conhecendo uma frequência e o tipo de rolamento, é possível calcular as restantes de forma inversa.
- Os rácios entre elas são fixos para um dado modelo de rolamento, proporcionando uma verificação cruzada incorporada.
- Notavelmente, para um rolamento com Z elementos rolantes, BPFO + BPFI = Z × velocidade do veio e BPFO = Z × FTF — identidades úteis para verificar a coerência de um diagnóstico.
No terreno, estas frequências só são úteis se o seu instrumento conseguir resolvê-las com clareza à velocidade real de funcionamento da máquina. Um analisador portátil de dois canais como o Balanset-1A captura o espectro e a forma de onda temporal diretamente nos próprios rolamentos da máquina, de modo que o ritmo lento da FTF e a família de bandas laterais BSF ± FTF que esta gera podem ser identificados no local — e, quando o problema subjacente se revela ser uma desequilíbrio excessiva a sobrecarregar o rolamento em vez de uma verdadeira falha de gaiola, corrigido de imediato. Para mapear todos os tons do rolamento no espectro antes de começar, introduza a geometria do rolamento num calculadora da frequência de defeitos nos rolamentos e sobreponha as linhas previstas de FTF, BSF, BPFO e BPFI.
A FTF, portanto, pode ser a mais baixa e a menos frequentemente observada das frequências de avaria de rolamentos, mas está longe de ser irrelevante. O seu papel como frequência de modulação para defeitos em elementos rolantes, e a sua eventual sinalização de problemas reais na gaiola, tornam o domínio prático da FTF indispensável para uma avaliação completa e precisa do estado dos rolamentos.
