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什么是BPFO？球传递频率外圈详解

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理解 BPFO – 球传递频率外圈

定义：什么是BPFO？

BPFO （外圈传球频率）是四个基本要素之一 轴承故障频率 这表示滚动体（滚珠或滚子）经过滚动轴承外圈缺陷的速率。当外圈存在剥落、裂纹、凹坑或其他缺陷时，每个滚动体在经过缺陷时都会撞击该缺陷，产生反复冲击，从而产生摩擦系数。 振动 在 BPFO 频率下。.

BPFO（轴承外圈故障频率）是诊断轴承故障最重要的频率，因为外圈缺陷是最常见的轴承失效类型，约占所有滚动轴承失效的40%。检测振动频谱中的BPFO峰值可以及早发现外圈问题，从而在轴承失效发生之前进行预防。.

数学计算

公式

BPFO是根据轴承的几何形状和轴的转速计算得出的：

  • BPFO = (N × n / 2) × [1 + (Bd/Pd) × cos β]

变量

  • 否 轴承中滚动体（滚珠或滚子）的数量
  • n = 轴旋转频率（赫兹）或转速（转/60）
  • 屋宇署 = 球或滚子的直径
  • 钯 = 节圆直径（通过滚动体中心的圆的直径）
  • β = 接触角（径向球轴承通常为 0°，角接触轴承为 15-40°）

简化近似

对于零接触角轴承（β = 0°）：

  • BPFO ≈ (N × n / 2) × [1 + Bd/Pd]
  • 对于Bd/Pd≈0.2的典型轴承，这得出BPFO≈0.6×N×n
  • 经验法则：BPFO ≈ 60%（滚珠数量 × 轴频率）

典型值

  • 对于具有 8-12 个滚动体的轴承：BPFO 通常为轴转速的 3-5 倍
  • 例如：10 个滚珠轴承，转速为 1800 RPM (30 Hz) → BPFO ≈ 107 Hz (3.6 倍轴转速)

物理机制

为什么外圈缺陷会产生BPFO

大多数轴承的外圈是静止的，固定在轴承座内：

  1. 外圈固定位置存在缺陷（剥落、凹坑）。
  2. 当保持架旋转时，它会带动滚动体绕轴承旋转。
  3. 每个滚动元件依次经过缺陷位置
  4. 当球击中缺陷时，会产生轻微的冲击或“咔嗒”声。
  5. 采用 N 个滚动体，保持架每旋转一周，缺陷会被冲击 N 次。
  6. 由于保持架的旋转速度约为轴转速的0.4倍，且每个钢球在保持架每旋转一周时撞击一次，因此总冲击率 = N × 保持架频率 ≈ BPFO

冲击特征

  • 每次冲击都很短暂（持续微秒级）。
  • 冲击以 BPFO 频率周期性发生
  • 冲击能量会激发轴承结构中的高频共振。
  • 重复性特征会产生清晰的光谱峰。

光谱中的振动特征

标准FFT频谱

  • 主峰： 在 BPFO 频率下
  • 谐波： 2×BPFO、3×BPFO、4×BPFO（表示缺陷严重程度）
  • 侧边栏： 如果外圈可以轻微旋转或由于载荷区变化，可能会出现±1倍的边带。
  • 振幅： 随着缺陷的扩散而增加

包络频谱

  • BPFO峰值比标准FFT更清晰、幅度更高。
  • 谐波显著展示
  • 早期检测成为可能（缺陷可提前数月检测出来）
  • 低频振动干扰较小

典型振幅变化

  • 初始： 0.1-0.5克（信封），几乎检测不到
  • 早期的： 0.5-2克，清晰的BPFO峰，具有1-2个谐波
  • 缓和： 2-10克，多重谐波，出现边带
  • 先进的： >10克，谐波众多，噪声基底较高

为什么外圈缺陷最为常见

外圈失效的主要原因有以下几点：

负荷集中

  • 在典型的水平轴系中，载荷区位于底部。
  • 底部的外圈承受大部分载荷
  • 对同一外圈截面施加持续载荷会加速疲劳。
  • 内圈旋转，将载荷分布到整个圆周上。

安装应力

  • 压入壳体的外圈可能会遭受安装损坏。
  • 过盈配合会产生残余应力
  • 安装不当（错位、倾斜）会损坏外圈

污染的影响

  • 颗粒物从外圈进入轴承。
  • 污染物集中在外圈区域
  • 颗粒物嵌入较软的外圈材料中

诊断意义

诊断置信度高

BPFO是最可靠的诊断指标之一：

  • 频率是可以精确计算的，并且对于每种轴承类型都是唯一的。
  • 不太可能与其他机械频率混淆
  • 缺陷恶化的明显进展模式
  • 振幅与缺陷尺寸之间的关系已得到充分理解

严重程度评估

  • 谐波数量： 谐波越多，缺陷越严重。
  • 峰值振幅： 振幅越大，缺陷面积越大
  • 侧带存在性： 广泛的边带表明存在调制，这通常源于负载区的变化。
  • 本底噪声： 噪声基底升高表明表面普遍劣化。

与其他轴承频率的关系

BPFO 与 BPFI

  • 对于同一轴承，BPFI（内圈）的频率始终高于BPFO。
  • 典型比例：BPFI/BPFO ≈ 1.6-1.8
  • 如果两者都存在，则表明存在多个缺陷（严重故障）。
  • BPFO 早期更为常见；BPFI 可能作为继发性损伤出现。

边带速度为 1 倍

  • 当外圈静止不动时，可能会有轻微移动。
  • 轴承配合过松会导致外圈轻微蠕动或旋转。
  • 转子绕轴旋转引起的载荷区变化会产生幅度调制。
  • BPFO峰值周围出现±1倍边带。

实用监测策略

常规监测

  • 每个轴承位置的月度或季度包络分析
  • 自动BPFO峰值检测和趋势分析
  • 报警阈值设为基线振幅的 2-3 倍
  • 利用趋势历史数据预测失效时间

确认测试

检测到BPFO时：

  • 验证频率是否与计算值相符（在±5%范围内）
  • 检查谐波（2×BPFO，3×BPFO）
  • 寻找特征性的侧带图案
  • 与同一台机器上的其他轴承进行比较（应与故障轴承的特性相符）
  • 增加监测频率至每周或每日

BPFO 检测和监测是振动分析在预测性维护中最成功的应用之一，可防止轴承故障，并实现基于状态的更换策略，从而优化设备可靠性和维护成本。.

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