Compreendendo os defeitos dos elementos rolantes
Defeitos do elemento rolante são danos, falhas ou imperfeições nas esferas ou nos rolos de um rolamento de elementos rolantes. Incluem lascas superficiais, fissuras, contaminação incrustada, inclusões de material, corrosão e imperfeições geométricas. Quando uma esfera ou um rolo danificado gira no interior do rolamento, entra em contacto com as pistas interna e externa, gerando vibração no frequência de rotação da bola (BSF) com a característica faixas laterais spaced at the frequência da estrutura fundamental (FTF). Os defeitos nos elementos rolantes são um dos quatro tipos clássicos de danos localizados defeitos de rolamento, juntamente com falhas na parte interna da pista, na parte externa da pista e na gaiola.
São menos comuns do que os defeitos nas pistas, representando cerca de 10 a 15 % das avarias nos rolamentos, mas, quando ocorrem, produzem um padrão característico, por vezes confuso, e podem evoluir rapidamente para uma avaria total do rolamento. Como a avaria gira com o elemento, em vez de permanecer fixa na zona de carga, a sua vibração comporta-se de forma diferente de uma avaria na pista — uma peculiaridade que constitui simultaneamente uma pista para o diagnóstico e uma verdadeira dor de cabeça na análise de tendências.
1. Definição: O que são defeitos em elementos rolantes?
Um elemento rolante — a esfera num rolamento de esferas, o cilindro, a agulha ou o rolo cónico num rolamento de rolos — é o componente que, na verdade, suporta a carga entre as duas pistas enquanto rola. A sua superfície é uma superfície de aço para rolamentos com acabamento preciso e endurecida em profundidade, que deve permanecer geometricamente perfeita para rolar sem atrito. Qualquer imperfeição nessa superfície, quer tenha origem na siderurgia ou tenha sido provocada durante a utilização, torna-se um ponto de concentração de tensões e uma fonte de impacto.
Sempre que o defeito no elemento entra em contacto com uma anel, produz um pequeno impulso. Ao longo de uma órbita completa da gaiola, o elemento entra em contacto com a anel exterior uma vez e com a anel interior uma vez, pelo que um único defeito tende a gerar dois impactos por rotação do elemento — razão pela qual a segunda harmónica, 2×BSF, é tão proeminente no espectro. A frequência de repetição desses impactos é determinada pela geometria do rolamento (diâmetro da esfera, diâmetro primitivo, ângulo de contacto e número de elementos), conferindo à falha uma frequência característica calculável que é inequivocamente diferente de velocidade de funcionamento or its harmônicos.
2. Tipos de defeitos nos elementos rolantes
Surface spalls
O defeito mais comum nos elementos rolantes. A fadiga por contacto rolante faz com que uma lasca de material se desprenda da superfície, deixando uma cratera ou uma cavidade. As lascas têm normalmente um diâmetro inicial de 0,5 a 3 mm, mas aumentam de tamanho à medida que as arestas afiadas da cavidade batem nas pistas e provocam a libertação de mais detritos. Cada passagem da lasca sobre uma pista produz um impacto, gerando vibração na frequência de base (BSF) e, frequentemente, uma frequência dupla da BSF (2×BSF). (Ver lascamento (no que diz respeito ao mecanismo subjacente da fadiga.)
Rachaduras
As fissuras resultam de sobrecarga, danos por impacto ou fadiga, podendo ser superficiais ou subsuperficiais. Uma fissura propaga-se até que um pedaço se desprenda — momento em que se transforma numa lasca. É difícil detetar as fissuras antes de isso acontecer e, em casos graves, uma esfera pode fraturar-se e fragmentar-se, provocando uma falha catastrófica repentina.
Inclusões de materiais
Um defeito de fabrico: material estranho ou uma cavidade retida no aço para rolamentos. As inclusões criam uma concentração de tensões que provoca fadiga prematura, geralmente indetetável até que se desenvolva fragmentação à volta da inclusão. A única forma eficaz de prevenção é utilizar aço para rolamentos limpo e de alta qualidade.
Contaminação incorporada
As partículas duras — sujidade, grãos de esmerilagem, limalhas de metal — que ficam incrustadas na superfície do elemento formam uma saliência que bate contra as pistas a cada passagem. Essa saliência também se torna um ponto de concentração de tensão que pode dar origem a uma lasca. O resultado é uma vibração por impacto na BSF, e a causa principal é quase sempre uma vedação ou filtragem inadequada, a mesma cadeia de eventos abordada em lubrificação de rolamentos cleanliness.
Danos causados pela corrosão e pela humidade
A entrada de água ou a condensação provocam manchas de ferrugem, corrosão, e a rugosidade da superfície. As áreas corroídas funcionam como pontos de início da fadiga. Uma vedação adequada e a utilização de lubrificantes anticorrosivos previnem este fenómeno.
Marcas de brinelling e amolgadelas
As cargas de impacto — queda do rolamento, choques durante o manuseamento ou sobrecarga estática — deixam marcas permanentes na superfície do elemento. Também podem ocorrer marcas de falso brinelling devido à vibração enquanto a máquina está parada. Estas marcas geram impactos e concentrações de tensão; o manuseamento cuidadoso e a instalação correta são a solução.
3. A assinatura de vibração
Conteúdo de frequência
Os defeitos nos elementos rolantes produzem um padrão reconhecível no espetro de vibração:
- Frequência principal: BSF, normalmente 2 a 3 vezes a velocidade de corrida.
- Segunda harmónica forte: O 2×BSF é frequentemente maior do que o fundamental, porque o defeito atinge ambas as raças durante cada rotação do elemento.
- Espaçamento entre bandas laterais: Bandas laterais FTF (frequência da gaiola) — não 1× bandas laterais. Este é o principal fator que distingue esta falha de uma falha de corrida interna.
- Padrão: BSF ± FTF, BSF ± 2×FTF e assim por diante, formando uma «cerca» de picos espaçados à frequência da gaiola.
Como os impulsos são breves e de alta frequência, ficam normalmente ocultos no espectro bruto e só se tornam visíveis após a demodulação. Análise de envelope retifica e aplica um filtro passa-banda ao sinal para revelar a frequência de repetição, e o resultado espetro de envelope é onde a família BSF/FTF é mais visível. Os grupos intimamente relacionados frequências de falhas em rolamentos para a anel interna, a anel externa e a gaiola, que completam o conjunto de ferramentas de diagnóstico.
Distinguir as quatro falhas de rolamentos
| Recurso | Pista Exterior (BPFO) | Pista Interior (BPFI) | Elemento rolante (BSF) |
|---|---|---|---|
| Frequência primária | BPFO (3–5×) | BPFI (5–7×) | BSF (2–3×) |
| Espaçamento entre bandas laterais | Nenhum ou mínimo | ±1× (velocidade do eixo) | ±FTF (velocidade da gaiola) |
| Estabilidade da amplitude | Relativamente estável | Estável | Variável (depende da posição da bola) |
| Ocorrência | Mais comum (~40%) | Comum (~35%) | Menos comum (~10–15 %) |
Variabilidade da amplitude
Uma característica distintiva dos defeitos esféricos é que a amplitude medida varia entre as leituras:
- Quando o elemento defeituoso passa pela zona de carga, os impactos são fortes e a amplitude é elevada.
- Quando o mesmo elemento se encontra no lado não carregado do rolamento, o contacto é leve e a amplitude diminui.
- Esta modulação é determinada pela frequência da gaiola (daí as bandas laterais FTF) e pode tornar simples tendência irregular — mas o próprio facto de o nível oscilar para cima e para baixo já é, por si só, um indício de uma avaria no mecanismo de rolamento.
4. Evolução e consequências
Desenvolvimento de defeitos
- Iniciação: uma pequena fissura superficial ou uma inclusão subsuperficial.
- Micro-spall: um pequeno pedaço de tecido solta-se.
- Spall growth: Os impactos nas bordas da fragmentação propagam os danos.
- Várias lascas: Os detritos em circulação desgastam a superfície e provocam novos defeitos.
- Fragmentação da bola: em casos graves, uma bola inteira racha e parte-se em pedaços.
- Fracasso total: o rolamento perde a capacidade de suporte de carga, ficando frequentemente preso.
Danos colaterais
- Dano na pista: O elemento defeituoso danifica tanto a pista interna como a externa.
- Circulação de detritos: O material desprendido provoca abrasão de três corpos em todo o rolamento.
- Dano na gaiola: Um elemento rugoso desgasta as cavidades da gaiola.
- Deterioração rápida: Assim que um elemento fica danificado, os outros seguem-se rapidamente, pelo que o intervalo de tempo entre a deteção da avaria e a falha é curto.
5. Causas comuns
Defeitos de fabrico e de material
- Inclusões internas ou vazios no material do elemento.
- Um tratamento térmico inadequado que resulte numa dureza insuficiente ou irregular.
- Defeitos no acabamento da superfície.
- Imperfeições geométricas, tais como esferas não circulares.
Danos causados pela instalação
- Impacto durante o manuseamento — queda ou choque no rolamento.
- Brinelling causado por sobrecarga estática, ou falso brinelling causado por vibração em repouso.
- Contaminação introduzida durante a montagem, que provoca a incorporação de partículas na superfície.
Condições de funcionamento
- Lubrificação inadequada que provoca danos na superfície e microsoldadura.
- Sobrecarga que acelera a fadiga por contacto de rolamento.
- Corrente elétrica parasita que atravessa o rolamento, causando sulcos e picadas.
- Ambientes corrosivos que atacam as superfícies dos elementos.
- A contaminação por partículas sólidas está a causar marcas.
6. Detecção, diagnóstico e medidas corretivas
Análise de vibração
- Calcular o BSF e o FTF para a geometria específica do rolamento — a Calculadora de Frequência de Defeitos em Rolamentos converte diretamente a velocidade do eixo e as dimensões dos rolamentos em BPFO, BPFI, BSF e FTF.
- Procure o pico BSF no espectro de amplitudo.
- Verifique o padrão da banda lateral FTF — a forma mais fiável de confirmar uma avaria nos elementos rolantes.
- Verifique o 2×BSF, cuja amplitude costuma exceder a do fundamental.
- Faça várias medições; a variabilidade esperada na amplitude é, por si só, confirmatória.
No terreno, toda esta sequência — medir o nível de banda larga, capturar o espectro e realizar a análise de envelope — é exatamente o tipo de diagnóstico de rolamentos para o qual um analisador portátil de dois canais foi concebido. O Balanset-1A regista o espectro FFT e a forma de onda temporal a partir das próprias caixas de rolamentos da máquina à velocidade de funcionamento, permitindo que um analista identifique a família BSF e as suas bandas laterais FTF no local, sem necessidade de desmontar a máquina, e, em seguida, classifique os danos com uma ferramenta como o Classificador de danos em rolamentos (ISO 15243). O mesmo instrumento permite-lhe também confirmar se a avaria no rolamento é real e não apenas um artefacto estrutural, antes de decidir pela sua substituição.
Inspeção física
- Desmonte o rolamento e inspecione cada esfera ou rolo individualmente.
- Procure por lascas, rachaduras, material incrustado, corrosão
- Verifique a rugosidade da superfície — elementos lisos versus elementos granulados.
- Verificar a precisão geométrica (desvio de circularidade).
- Fotografe todos os defeitos para o registo de manutenção.
Medidas corretivas e causa principal
A resposta imediata consiste em aumentar a frequência da monitorização, em conformidade com gravidade do defeito, planear a substituição do rolamento e verificar se as pistas apresentam danos secundários. A solução duradoura reside na análise da causa raiz: rever a seleção e a classificação do rolamento, verificar se a lubrificação é adequada, identificar as fontes de contaminação, avaliar as práticas de instalação e considerar a adoção de especificações de rolamentos mais avançadas nos casos em que a avaria tenha ocorrido prematuramente. Incorporar estas conclusões num processo estruturado monitoramento de condições É o programa que transforma uma falha pontual numa falha evitada.
Os defeitos nos elementos rolantes, embora menos comuns do que os defeitos nas pistas de rolamento, exigem uma compreensão clara da sua assinatura BSF característica, com bandas laterais FTF, para um diagnóstico preciso. A deteção precoce através da análise do envelope permite uma manutenção planeada muito antes de o defeito evoluir para danos graves no rolamento e uma possível falha catastrófica.
