了解 BPFI — 内圈传球频率
BPFI （传球频率，内场跑动）是四个基本要素之一 轴承故障频率 并表示滚动体经过轴承旋转内圈上的缺陷时的通过速率。当内圈上形成剥落、裂纹或凹坑时，随着内圈转动，每个滚动体都会撞击该缺陷，从而产生周期性冲击，这些冲击会体现在 振动 BPFI频率处的信号。BPFI与其他特征频率的不同之处在于，其频率始终伴随着±1× 边带 ——这一特征使得同种族间的缺陷成为最易确诊的缺陷之一 振动分析.
1. 定义：什么是BPFI？
BPFI 统计单位时间内滚动体经过内圈某一点的次数。由于内圈随轴旋转，而滚动体以保持架速度较慢地绕行，因此内圈与滚动体之间的相对运动幅度较大——相应的频率也较高。缺陷位于旋转的内圈上，因此会被每个经过的滚珠或滚子反复撞击。结合外圈的频率（BPFO)，笼频（金融时报)，以及滚动体的自旋频率（BSF)，BPFI 构成了分析师用于定位轴承内部损伤时所计算的一组标准频率。这些缺陷本身属于更广泛的主题—— 轴承缺陷.
2. 数学计算
公式与变量
BPFI由轴承几何形状和轴转速决定：
BPFI = (N × n / 2) × [1 − (Bd/Pd) · cos β]
- 否 = 轴承中的滚动体数量。
- n = 轴转速（单位：赫兹，或转速（RPM）÷ 60）。
- 屋宇署 = 球或滚轮直径。
- 钯 = 节圆直径（即通过滚动体中心点的圆）。
- β = 接触角。
为什么BPFI总是高于BPFO
对于相同的轴承，BPFI 值总是大于 BPFO 值，而该公式恰恰说明了其中的原因：
- 内圈随轴旋转，而滚动体以大约0.4倍于保持架速度的速率绕行，因此内圈处的相对速度更大。
- BPFI 使用 [1 − Bd/Pd] 这一术语，而 BPFO 则使用 [1 + Bd/Pd]。
- 从1中减去一个分数，使得BPFI的乘数大于BPFO的乘数。
- 典型的BPFI/BPFO比率约为 1.6–1.8.
典型值
- 对于普通轴承，BPFI 值大约为 5-7× 轴转速.
- 工作实例 一个10球轴承在1800转/分（30赫兹）时产生的BPFI约为173赫兹，约为轴转速的5.8倍。
大多数分析师不会对每台机器都进行手动评估，而是直接从 轴承缺陷频率计算器，只需输入一次轴承几何参数和转速。
3. 物理机制与载荷区调制
旋转缺陷
内圈的缺陷会造成一种外圈永远无法察觉的情况，因为缺陷本身会移动：
- 该缺陷位于旋转的内圈上。
- 随着转子的转动，该缺陷沿轴承圆周移动。
- 每个滚动体经过时都会撞击它——这就是BPFI速率。
- 但每次冲击的力度取决于该瞬间缺陷相对于载荷区的相对位置。
载荷区效应
每个受载轴承都有一个区域——即载荷区——在此区域内，滚动体对滚道施加的压力最大。随着内圈缺陷每转一圈轴便旋转一次并离开该区域，冲击强度随之起伏：
- 负载区域内的缺陷： 接触力很大，每个元件撞击时都会产生强烈的冲击。
- 负载区对面的缺陷： 接触力微乎其微或根本没有，冲击力微弱或完全没有。
- 调制频率： 该缺陷每转一圈就会完成一次循环——即在 1倍跑步速度.
- 结果： BPFI 的影响在 1× 轴转速下经过幅度调制。
边带生成
正是这种调幅产生了诊断用的边带梳状谱：
- 载波频率： BPFI.
- 调制频率： 1× 轴速。.
- 侧边栏： BPFI ± 1×、BPFI ± 2×、BPFI ± 3×，围绕载流子呈对称分布。
- 诊断价值： 这种常规的1×边带族几乎是内种缺陷的病理特征——而这也正是将BPFI与BSF断层中FTF间距边带区分开来的关键。
4. 振动特征
典型的光谱形态
- 中峰 以 BPFI 频率。.
- 边带系列 BPFI 峰值 ± n×(1×)。
- 和声家族 在 2×BPFI 和 3×BPFI 频率下，每个都带有各自的 ±1× 边带。
- 视觉模式： 一种“栅栏”或由间距均匀的山峰组成的山脊。
为什么包络谱具有决定性作用
种内作用会激发高频轴承共振，而非将所有能量直接传递至BPFI，因此原始 快速傅里叶变换 在早期阶段可能看起来并不起眼。 包络分析 对这些谐振脉冲进行解调，并在所得的 包络频谱 BPFI峰值占据主导地位，而1×边带则以非凡的清晰度凸显出来——通常比标准方法早数月 光谱 显示了任何信息。随着缺陷的扩大，包络幅值急剧上升。
5. 检测、诊断与实地实践
一个可靠的识别序列
- 计算 BPFI 根据轴承型号或几何形状。
- 搜索频谱 以查看计算出的频率，容差约为±5%。
- 验证±1×边带 — 关键的确认特征。
- 检查谐波 (2×BPFI, 3×BPFI) 用于各自的边带。
- 评估振幅 与基线或严重程度指南相比。
- 确认： BPFI 加上 1× 边带等于内环缺陷。
在现场，相同的流程可在便携式双通道仪器上运行。分析人员可以在轴承座上安装加速度计，在运行速度下采集高频振动数据，并在现场对包络曲线进行分析——这正是像 平衡仪-1a 专为该用途设计，除承担转子平衡功能外，还可兼作现场振动分析仪。
BPFI 与 BPFO 对比一览
| 特征 | BPFI（内在种族） | BPFO（外圈） |
|---|---|---|
| 频率 | 更高（5–7倍轴转速） | 较低（3–5倍轴转速） |
| 边带 | 几乎总是存在（±1×） | 可能存在，也可能不存在 |
| 边带图 | 非常规则、清晰的间距 | 若存在，则不那么规律 |
| 发生 | 不太常见（约 25% 次故障） | 最常见的故障（约 40% 次故障） |
6. 病情进展、严重程度及预期寿命
缺陷发展阶段
- 引发： 微小的裂纹或凹坑形成，目前尚无法检测。
- 初始： 包络谱中出现了一个微小的BPFI峰（≈ 0.1–0.5 g）。
- 早期的： 一个清晰的BPFI峰，伴有一两个谐波和边带（≈ 0.5–2 g）。
- 缓和： 存在多个谐波，边带明显，检查可见碎屑（约2–10克）。
- 先进的： 振幅极高，谐波众多，噪声底限上升（> 10 g）。
- 严重的： 当宽带噪声占据主导地位时，离散峰值会被淹没，系统即将发生灾难性故障。
剩余寿命指南
- 初期至早期： 通常剩余6至18个月。
- 早期至中度： 3-6 个月.
- 中级至高级： 1-3 个月.
- 中度至重度： 几天到几周。.
- 注意事项 实际使用寿命取决于负载、转速、润滑状况和轴承尺寸——这些数据仅供参考，并非保证，且需纳入任何正式的 剩余使用寿命 估计。.
7. 原因及纠正措施
同种缺陷的常见原因
- 疲劳： 由反复载荷引起的高周次亚表面疲劳，这是典型的寿命终止机制。
- 安装不当： 安装损坏，例如通过敲击内圈将轴承敲入。
- 轴损坏： 轴座表面粗糙或有划痕，导致摩擦磨损。
- 过紧的过盈配合： 过紧的压配合导致环向应力增大。
- 错位： 不均匀载荷会加速疲劳。
- 污染： 硬质颗粒导致滚道出现凹痕。
- 润滑失效： 涂层不足导致表面损伤以及 剥落.
响应与替换计划
一旦检测到异常，应缩短监测间隔（随着严重程度增加，从每月一次→每周一次→每天一次），安排在下次方便的停机期间进行更换，并分析振幅趋势以预测剩余使用寿命。避免在 临界速度 这可能会加速故障的发生。在规划更换工作时，应订购正确的轴承型号，检查轴（内圈的严重缺陷可能会导致座圈划伤），并进行根本原因分析，以确保更换后的轴承不会出现同样的故障。纳入一套规范的 状态监测 在该计划中，BPFI检测已成为轴承可靠性的基石——其具有1×边带的独特高频峰值能提供及时、明确的预警，从而防止轴和轴承座受到二次损坏。
