Capitolo II Le vibrazioni nei cuscinetti

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Sommario

Il lavoro svolto in questa tesi è rivolto principalmente alla ricerca e all’analisi dei difetti che possono svilupparsi nei cuscinetti di rotolamento durante il loro funzionamento.

Il problema è stato affrontato partendo dalle motivazioni economiche e di sicurezza della manutenzione d’impianti e da come affrontarla nel migliore dei modi che le tecnologie attuali mettono a disposizione.

In dettaglio, si sono studiate le vibrazioni provenienti dai cuscinetti sia durante il loro corretto funzionamento che in presenza di difetti. Si sono studiate le cause che portano all’insorgere di tali difetti, e come essi si possono individuare tramite l’analisi delle vibrazioni.

La panoramica sui vari metodi attualmente utilizzati per tale ricerca ha portato alla scelta di alcune tecniche che meglio delle altre sembrano rispondere alle necessità di semplicità di implementazione e facilità di uso.

Tali tecniche sono il Filtraggio Adattivo, il De-noising con le Wavelet, e la Trasformata di Hilbert, tutte sono di recente introduzione nel mondo nell’analisi delle vibrazioni per la ricerca di difetti in una macchina.

Infine si è sviluppato un programma di acquisizione ed elaborazione dei dati provenienti da un cuscinetto danneggiato ed i risultati della ricerca sono riportati all’interno dell’elaborato

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-Capitolo I- Introduzione

Capitolo I Introduzione

1.1 Manutenzione e diagnostica

Il trend negativo dei mercati internazionali, e l’insorgere di nuovi Poli Produttivi in aree e paesi di recente connotazione industriale, ha indotto Società, Gruppi Internazionali ad attuare concentrazioni e/o joint venture. Questa unione di sinergie produttive ha comportato, come prevedibile, lo smobilizzo di un certo numero di aree di minor potenzialità ed efficienza, ma per contro, il revamping ed ammodernamento globale di molti altri centri produttivi di elevata potenzialità e di carattere strategico. Ciò ha comportato in molti casi una esasperazione dello

“spettro di utilizzo” dei macchinari, che si traduce in un aumento sia del fattore di utilizzo, sia del livello delle sollecitazioni dinamiche sui vari componenti e quindi del fattore di affaticamento.

In definitiva, a molti impianti, macchinari e velivoli, anche di recente costruzione, vengono imposti elevatissimi ritmi di produzione e livelli qualitativi ma contemporaneamente viene richiesto di garantire:

Continuità del ciclo produttivo

Contenimento degli arresti accidentali nonché delle rotture

Economici costi di gestione e di manutenzione

Ridotti consumi

Longevità di insiemi e componenti

Un obbiettivo così ambizioso ma giustificato per la sua rilevanza sul risultato globale della gestione aziendale, è subordinato ad una corretta correlazione tra i singoli parametri del programma, tra loro tendenzialmente “antitetici”. E’ indispensabile cioè una mirata scelta operativa : l’opzione universalmente ritenuta più idonea all’ottenimento di significativi risultati tecnico-economici è quella della sorveglianza diagnostica dei macchinari

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Questa metodologia costituisce anche il fondamento per l’impostazione e l’attuazione della

“Manutenzione Predittiva” o “su condizione”, che sta soppiantando i precedenti sistemi, fonti di notevoli diseconomie e perdite di produzione.

Le tecniche che permettono questo, a grandi linee, si basano essenzialmente su:

Misura e interpretazione delle vibrazioni e del rumore della macchina

Misura della temperatura degli organi della macchina

Analisi dei residui nell’olio di lubrificazione

Misura del consumo di energia della macchina

Si può dimostrare che le metodologie di monitoraggio più evolute, fondate sulle ricerche tecnico sperimentali dell’ultimo decennio, consentono, se correttamente impiegate, di:

1. Stabilire una correlazione diretta tra livelli di vibrazione rilevati sui nodi del sistema cinematico, meccanico, del sistema e lo stato di degrado geometrico e funzionale dei componenti meccanici.

2. Individuare anomalie comportamentali al loro insorgere, valutarne la pericolosità, nonché le concause (sovraccarichi, usura, danneggiamento dei cuscinetti, insufficiente lubrificazione, ecc) con notevole tempestività in modo da evitare cedimenti, rotture o arresti non programmati.

3. Togliere alla diagnostica dei difetti ed anomalie il carattere soggettivo (del singolo tecnico), riportandola invece su un piano di oggettività fondato non solo su strumenti affidabili, ma anche su metodi evoluti e sperimentati e su casistiche ed esperienze specifiche convalidate da specialisti.

A conferma infine dell’importanza dell’argomento “vibrazione”, per le sue implicazioni dirette sulla vita dei componenti meccanici, e dell’attualità delle tecniche di monitoraggio per l’ottimizzazione dei processi produttivi sotto il profilo tecnico-economico rammentiamo che anche l’ISO ha costituito una specifica commissione, il WG9, preposto non solo allo studio delle problematiche inerenti alle vibrazioni meccaniche, ma anche alla definizione dei livelli o

“soglie” di accettabilità per le varie categorie di macchine, mentre il Consiglio della Comunità

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-Capitolo I- Introduzione

Europea ha adottato la Direttiva 89/392 che contempla tra l’altro, “i rischi dovuti alle vibrazioni”, ed i “dispositivi protettivi per la manutenzione o di allarme”.

Questa tesi sarà focalizzata sulla diagnostica basata sull’analisi delle vibrazioni, in particolare su come si possa scoprire precocemente la presenza di un danno e in quale parte del cuscinetto questo danno si è generato.

Il fine è lo sviluppo di un programma d’analisi dei dati che consenta l’individuazione di un difetto presente in un cuscinetto, durante il suo funzionamento e il prima possibile dopo il suo insorgere.

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Capitolo II Le vibrazioni nei cuscinetti

Figura 2.1 Cuscinetto volvente orientabile

2.1 La rumorosità

La rumorosità di una macchina, dovuta per esempio a cuscinetti di rotolamento, è la diretta conseguenza di vibrazioni che prendono origine diretta o indiretta nei cuscinetti stessi. Queste vibrazioni hanno caratteristiche estremamente diverse. Esse possono dividersi fondamentalmente in vibrazioni autoeccitate, vibrazioni forzate e vibrazioni di carattere impulsivo.

• Le vibrazioni autoeccitate insorgono in taluni casi in conseguenza di particolari condizioni dinamiche delle macchine, raramente sono da imputare a difetti del cuscinetto, ma spesso sono confuse con le normali vibrazioni forzate. La frequenza delle vibrazioni autoeccitate è indipendente dalle caratteristiche della sorgente di energia esterna, ma viene invece determinata dalle caratteristiche dinamiche del sistema vibrante, mentre nel caso nella vibrazione forzata la frequenza coincide esattamente con la frequenza della sorgente eccitante.

• Le vibrazioni forzate sono vibrazioni conseguenti a forze costanti eccitanti indipendenti dalle condizioni dinamiche della macchina. Esse sono generalmente provocate da squilibrio dinamico, oppure da errori di posizione e di forma degli accoppiamenti cinematici. Data l’impossibilità di realizzare superfici ideali e cioè senza aberrazioni geometriche qualsiasi superficie geometrica presenterà differenze

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-Capitolo II- Le Vibrazioni nei Cuscinetti

rispetto alla sua forma ideale. E’ ovvio che un cuscinetto i cui componenti siano affetti da queste aberrazioni non può ruotare senza provocare vibrazioni e quindi rumore.

Gli errori geometrici possono essere divisi in due classi: errori di posizione, ed errori di forma.

a) Negli errori di posizione si possono comprendere l’eccentricità delle piste rispetto al foro dell’anello interno, l’obliquità del piano contenente il fondo della gola rispetto ad un piano normale all’asse del cuscinetto, ecc. Il montaggio stesso del cuscinetto può indurre degli errori dello stesso genere.

b) Più importanti sono gli errori di forma che nel caso di superfici di rivoluzione come quelle del cuscinetto si possono dividere a loro volta in poligonalità, ondulazione e rugosità (Figura 2.2).

Figura 2.2 Rappresentazione della pista di rotolamento

• Le vibrazioni di carattere impulsivo, per quanto dal punto di vista fisico appartengano alla categoria delle vibrazioni forzate, presentano delle caratteristiche peculiari e sono dovute essenzialmente a difetti localizzati sulle superfici di lavoro oppure a particelle insinuatesi tra gli organi volventi e le piste del cuscinetto. Esse consistono in una eccitazione brusca di una certa ampiezza e avente una durata molto piccola. La loro pericolosità sta anche nel fatto che esse possono innescare delle vibrazioni di risonanza in un campo molto esteso di frequenze. La loro origine più comune è costituita dalla presenza nel cuscinetto di granelli di polvere, di materiale abrasivo duro, da particelle di metallo e non perse dal cuscinetto stesso

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per effetto di fenomeni affaticanti come pitting e scuffing o portati dal fluido lubrificante. Possono essere anche causati da difetti localizzati sulle superfici di lavoro del cuscinetto o dei corpi volventi per difetto di fabbricazione o originato da fenomeni di fatica.

2.1.1 Generalità su metodi di misura delle vibrazioni nei cuscinetti Le tecniche attualmente adottate per la misurazione delle vibrazioni nei cuscinetti si possono dividere in tre categorie principali:

a) Misurazione delle vibrazioni radiali del cuscinetto adottando come grandezza di riferimento o la velocità o l’accelerazione della vibrazione, utilizzando accelerometri piezoelettrici. Le misure sono eseguite sia in normali condizioni di lavoro che su banchi prova

b) Misurazione del rumore legato alle vibrazioni mediante microfono e amplificatore, eseguibile sia su macchina normalmente in funzione che su banchi prova appositamente attrezzati;

c) Valutazione soggettiva del rumore mediante l’auscultazione del rumore emesso dal cuscinetto eseguito da personale specializzato in camera acustica, metodo oramai abbandonato a fronte della possibilità di analisi senza dover attuare il costoso fermo macchina;

2.2 Danneggiamento e rottura dei cuscinetti

La capacità di monitorare lo stato di salute di un cuscinetto è la ragione per cui molti programmi di analisi delle vibrazioni sono iniziati. Lo stato dell’arte di questa tecnologia attualmente permette con una certa “facilità” di poter predire, anche con mesi di anticipo, la rottura nel 90% dei casi. Rimane sconosciuto un 10% di cuscinetti che si rompono per cause improvvise ed impreviste. L’essere capaci di predire questo 90% di rotture è una ragione abbastanza buona per investire in un programma di monitoraggio preventivo per la maggior parte delle compagnie. La misura sistematica dei livelli vibrazionali dei cuscinetti, se inserita in un valido programma di manutenzione predittiva, fornisce degli indubbi benefici quali: l’annullamento o drastica diminuzione di fermate non

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programmate, l’utilizzo di componenti fino al tempo economico di sostituzione, l’evitare rotture di particolari dal basso costo con conseguenze economicamente ben più gravose.

Figura 2.3 Schema di un cuscinetto

Sono veramente pochi i cuscinetti (Figura 2.3) che escono dalla ditta produttrice con difetti di fabbricazione: il Controllo Qualità in queste fabbriche ha raggiunto standard tra i più alti riscontrati nei processi produttivi. Naturalmente tutti i cuscinetti hanno qualche difetto ed essi sono classificati in accordo al tipo di difetto, ed è solamente rispetto al grado del difetto che possiamo parlare di alta qualità di un cuscinetto rispetto ad un cuscinetto di bassa qualità. Ma la presenza di questi difetti non è la causa primaria di rottura di un cuscinetto.

Le cause primarie di rottura cuscinetti sono:

1. Contaminazione, umidità ( alcune ricerche affermano che un 40% di cuscinetti si rompe per queste cause)

2. Sovrasollecitazioni

3. Mancanza di lubrificazione 4. Difetti creati da altri macchinari

Normalmente i cuscinetti raggiungono solamente il 10% della loro vita prevista. In laboratorio i test su cuscinetti dimostrano che sarebbero in grado di funzionare per periodi che vanno da 100 a 1000 anni. Naturalmente il design e la fabbricazione non presentano deficienze che limitano la loro vita operativa. Ma allora come mai i cuscinetti in condizioni di servizio presentano questo limite operativo così basso?

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Una delle risposte sta nel fatto che in laboratorio non abbiamo contaminazione da sporcizia, detriti o acqua, non ci sono piccoli sbilanciamenti o disallineamenti che possono causare sovrastress, la lubrificazione è al suo meglio e il cuscinetto è trattato come se fosse uno strumento delicato, come esso è. In condizioni di servizio tutto ciò non sempre può essere considerato ottimale come in un laboratorio.

L’informazione predittiva di una rottura di un cuscinetto è una informazione molto utile al direttore di produzione ma la causa primaria della rottura è l’informazione chiave che può prevenire ulteriori fastidiose ricorrenze del problema.

Il problema è che sono veramente poche le cause che possono essere ricondotte a difetti di fabbrica, la maggior parte delle rotture hanno inizio all’interno del cuscinetto una volta che esso è nelle mani dell’utilizzatore ultimo. Da un certo punto di vista questo è buono perchè sarebbe impossibile fare qualcosa di diretto per evitare i difetti di fabbrica. Ma è possibile fare molto per i difetti che l’utilizzatore va a creare.

Il difetto che causerà la rottura probabilmente è presente nella macchina nel momento stesso in cui essa viene accesa, e i moderni sistemi di analisi delle vibrazioni possono trovarlo. Il goal dell’analisi delle vibrazioni non è solamente quello di avvisare il manager della produzione di una imminente rottura di un cuscinetto ma analizzare i dati, ricercare un modello e proporre un ragionamento che porti alla scoperta delle cause prime di rottura.

Se le citate cause, contaminazione, stress, lubrificazione e difetti, vengono corrette ed eliminate ma i cuscinetti continuano ad accusare rotture sulla stessa macchina allora sarà più appropriato rivolgere le attenzioni al design della stessa. Come ad esempio arrivare a chiedersi se quello è il cuscinetto giusto per quell’applicazione. Alcuni problemi di cuscinetto sono stati risolti ridisegnando il cuscinetto o montando un cuscinetto che fosse più grande o più adatto alle alte velocità di quello originalmente montato.

In ogni modo, prima di criticare il cuscinetto o la sua applicazione, l’analisi delle vibrazioni deve eliminare le altre possibili cause attraverso la definizione di una vibrazione di base e di un modello della vibrazione che conduce alla rottura.

2.3 Vibrazioni dovute ad usura

Ogni volta che un elemento rotante passa attraverso una microcricca (difetto) viene generato un impulso (Figura 2.4).

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Figura 2.4 Cuscinetto in buone condizioni

Figura 2.5 Cuscinetto in “cattive” condizioni

Il progressivo deterioramento delle superfici di scorrimento (Figura 2.5) genererà un rumore continuo a banda larga nel dominio delle alte frequenze.

Il modello tipo di evoluzione dello stato di usura di un cuscinetto a rotolamento, rappresentato in Figura 2.6, in relazione all’energia della vibrazione è distribuito su tre differenti aree:

area I : cuscinetto in buone condizioni operative area II : presenza di alcune cricche a fatica area III : usura diffusa

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Figura 2.6 Andamento dell’usura nel tempo

Quando il livello di usura del cuscinetto a rotolamento raggiunge l’area III la curva di evoluzione diviene esponenziale ed esso può essere gravemente danneggiato in breve tempo.

In caso di lubrificazione difettosa il modello di evoluzione dell’usura è similare ma un riingrassamento del cuscinetto può determinare il ritorno alla prima area se l’operazione viene eseguita in tempo utile.

La principale difficoltà di diagnosi consiste nel “predire” la durata di vita prima della rottura.

Le prime vere indicazioni dell’usura di un cuscinetto ci vengono dagli urti da impatto di metallo-su-metallo.Questi urti sono provocati dalle sfere o rulli nel loro movimento sulle piste. Questo porta alla presenza di picchi di ampiezza significativa nello spettro del segnale nel dominio del tempo, alle alte frequenze (da 1 kHz a 10 kHz), che non necessariamente indicano un cuscinetto danneggiato ma potrebbero essere generati da carichi eccessivi, mancanza di lubrificazione o difetto generico. Ma sicuramente se la situazione permane porterà ad una accelerazione dell’usura, e ad una prematura rottura.

2.3.1 Caratteristiche della vibrazione

E’ sempre difficile identificare un segnale proveniente da un cuscinetto malfunzionante, perché coperto da una miriade di altre vibrazioni e diverse frequenze con contenuti di energia decisamente più elevati.

Per fare ciò è necessario concentrarsi sulla tipologia del segnale stesso, questo è caratterizzato da due importanti peculiarità:

la prima di essere impulsivo, e questo lo differenzia ad esempio da uno sbilanciamento o disallineamento che causerebbe un segnale sinusoidale;

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la seconda è quella di avere frequenze di emissione ben precise, dipendenti dalle caratteristiche costruttive del cuscinetto e non, multiple intere della sua velocità di rotazione.

Tutte le vibrazioni si manifestano ad una determinata frequenza. La conoscenza della frequenza della vibrazione è di primaria importanza per diagnosticare il problema, e questo è specialmente vero per i cuscinetti.

Ogni elemento di cuscinetto volvente emette una vibrazione ad una specifica frequenza o tono, e questa è unica nell’ambito di quel cuscinetto.

L’ampiezza di questi toni è un’indicazione dello stato d’esercizio del cuscinetto. Le frequenze caratteristiche del cuscinetto saranno presenti su di un cuscinetto nuovo, anche se leggermente caricato. Appena il cuscinetto comincia ad usurarsi, le ampiezze che si riscontrano nello spettro crescono, con le frequenze che rimangono invariate.

Le sfere di un cuscinetto sono responsabili per l’emissione di quattro distinte frequenze di vibrazione. Queste sono:

• Frequenza fondamentale del treno (gabbia), (FTF)

• Frequenza di rotolamento delle sfere, (BSF)

• Frequenza di rotolamento dell’anello esterno, (BPFO)

• Frequenza di rotolamento dell’anello interno, (BPFI) Le formule per calcolare queste specifiche frequenze sono:

FTF = 







 −

⋅ ¹ ^cosφ

2 _d

d

P rps B

(2.1)

BSF =

( )



















−

⋅

⋅ ²φ

2

cos

2 1 _d

d d

d

P rps B

B

P (2.2)

BPFO = Nּ(FTF) (2.3)

BPFI = Nּ(rps- FTF) (2.4)

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Dove:

In Figura 2.8 sono rappresentate le dimensioni del cuscinetto utilizzate nelle formule per calcolare le frequenze caratteristiche di un cuscinetti con un danneggiamento, in Figura 2.7 sono riportati schematicamente, schemi forniti dall’SKF, i segnali temporali di un cuscinetto con difetto

Figura 2.7 Rappresentazione schematica del segnale temporale dei difetti

Figura 2.8 Elementi di misura di un cuscinetto rps = giri al secondo dell’anello interno

B_d = diametro delle sfere P_d = Diametro di Pitch N = Numero di sfere Φ = Angolo di contatto

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I cuscinetti che non sopportano carichi di spinta si assumono con angolo di contatto pari a zero.

Naturalmente queste formule sono teoriche e a volte tra la grandezza calcolata e quella misurata possono esserci parecchi hertz di differenza. Le discrepanze aumentano quando le sfere sopportano dei significativi carichi di spinta ed hanno un precarico interno.

Questo cambia l’angolo di contatto e provoca un aumento della frequenza di vibrazione nell’anello esterno rispetto a quella calcolata.

Oltre a vibrazioni a basse frequenze il cuscinetto danneggiato genera altre vibrazioni ad alta frequenza che coinvolgono anche le frequenze di risonanza (armoniche) degli stessi componenti del cuscinetto. In molti casi le frequenze di difetto sono nascoste dalla vibrazione del macchinario analizzato e si evidenziano maggiormente le frequenze di risonanza.

2.3.2 Interpretazione delle componenti di frequenza

Elenchiamo alcune delle cause tipiche che generano vibrazioni in corrispondenza delle caratteristiche del cuscinetto e le loro armoniche.

BSF: è causata dal passaggio di un difetto dell’elemento volvente su una o entrambe le piste (2 BSF). Essa è anche generata dalla spinta dei corpi volventi contro la gabbia o dalla rottura della gabbia.

FTF: è generata quando diversi difetti condizionano il moto dell’insieme gabbia/corpi volventi.

Difetti sulle piste: se la microcricca è piccola si hanno solo frequenze di passaggio BPFO ed armoniche (Figura 2.9)

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All’aumentare dell’ampiezza del difetto queste componenti subiscono una modulazione da parte della rpm ( velocita di rotazione→frequenza naturale di rotazione), (Figura 2.10).

Figura 2.10 Accentuazione del difetto con presenza di “sidebands”

Un ulteriore aggravarsi del difetto provoca nello spettro del segnale l’aumento delle bande laterali, si nota perciò uno spettro molto frastagliato con il tipico profilo a “pettine” (Figura 2.11).

Figura 2.11 Degradazione del difetto, andamento a “pettine”

Difetti dei corpi volventi: essi generano componenti alle frequenze BSF, FTF ed alle loro armoniche secondo due tipi di spettro: un picco ad una di queste frequenze, più picchi con frequenza distanziata di BSF, FTF o delle loro

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armoniche. Maggiore è il numero dei corpi volventi difettosi e più alto è il numero delle armoniche di BSF che vengono generate (Figura 2.12).

Figura 2.12 Spettro del segnale con difetto dei corpi volventi

Normalmente i difetti dei corpi volventi sono accompagnati da difetti sulle piste (la successione tipica delle frequenze caratteristiche è piste-corpi volventi-gabbia) per cui nello spettro compaiono sempre picchi alle frequenze BPF ed armoniche.

Alcune delle frequenze alle quali compaiono i picchi possono essere attribuite a diverse combinazioni di frequenze fondamentali.

Spinte sulla gabbia: dovute a forze esterne generano componenti alla BSF ed armoniche.

Giochi: generano uno spettro a larga banda con picchi alla frequenza di rotazione (RPM) e sue armoniche e possono essere derivati oltre che dall’usura anche dall’assestamento del cuscinetto nella sede o ad un allentamento della ghiera.

Difetti della gabbia: causano una continua variazione della frequenza. Se la gabbia si rompe ed i corpi volventi entrano in contatto fra di loro la variazione di frequenza è accompagnata da un rumore elevato. Alcuni difetti della gabbia generano picchi alla BSF ed armoniche.

Difetti di lubrificazione: generano picchi ampi nel campo di frequenze compreso tra 1 e 3 kHz.

Se non ci sono stati danneggiamenti una pronta lubrificazione riporta lo spettro entro limiti normali. Poichè questo campo di frequenze contiene alcune frequenze naturali del cuscinetti, i picchi possono anche denunciare un precarico del

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cuscinetto per un montaggio non corretto o una spinta assiale eccessiva, per cui la lubrificazione non porterebbe alcuna variazione nei livelli

Diversi difetti contemporanei: generano componenti di frequenza uguale alle somma delle frequenze dei singoli difetti che contemporaneamente vengono ad agire sul cuscinetto e si sommano in ampiezza e fase: lo spettro in questo caso non contiene picchi ad alcuna delle frequenze tipiche dei difetti singoli ma solo frequenze corrispondenti alle loro somme e differenze.

Una tipica successione temporale del deterioramento di un cuscinetto con inizio del difetto sulla pista dell’anllo esterno e successivo coinvolgimento di altri componenti è siddivisibile nelle seguenti fasi principali:

In una prima fase si nota l’evidenziazione dei picchi alla BPFO, e sue successive armoniche, che denunciano l’insorgenza di un difetto della pista esterna.

Successivamente cominciano a sorgere picchi a frequenze quali BPFI-rps che indicano il deterioramento della pista interna, ed altri picchi a multipli della BPFO-BSF che evidenziano il danneggiamento dei corpi volventi.

L’aggravarsi della situazione generalmente si verifica con l’aumento dei picchi e con la comparsa di frequenze determinate da somme e differenze delle fondamentali come per esempio BPFI- rps, 2xBPFI- rps e 4xBPFI- rps.

Un ulteriore peggioramento dello stato del cuscinetto è caratterizzato da un complessivo innalzamento del rumore di fondo.

La comparsa di BSF si ha in genere quando la distribuzione dei carichi è irregolare. Per esempio un cuscinetto reggispinta dovrebbe essere sottoposto a carichi assiali, un cuscinetto radiale con angolo di spinta non nullo dovrebbe essere soggetto ad un carico assiale uniformemente distribuito sulle piste, mentre un cuscinetto radiale rigido a sfere dovrebbe essere soggetto a carichi radiali, variazioni a queste condizioni di carico portano alla generazione di picchi alla frequenza BSF e sue armoniche.

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