Bearing Failure Analysis ด้วย Vibration Signature — ISO 10816 + ISO 13373

Bearing เป็น component ที่ fail บ่อยที่สุดใน rotating machinery — 50-70% ของ unscheduled downtime ใน pump, motor, fan, gearbox มาจาก bearing. ที่น่าทึ่งคือ bearing ไม่ fail แบบ random — มัน degrade ตาม pattern ที่คาดได้ + detect ได้ผ่าน vibration signature 1-6 เดือนก่อน catastrophic. มาตรฐาน ISO 10816 + ISO 13373 คือ framework ที่ปลอด industries (oil & gas, power, manufacturing) ใช้ทั่วโลก. บทความนี้ตีความสูตร characteristic frequency + 8 failure modes + alarm threshold

ทำไม Bearing ต้อง Vibration Analysis

bearing degradation timeline แบ่งเป็น 4 ระยะ (ISO 13373-3):

1. Stage 1 (incipient defect) — sub-surface stress, detect ที่ 250-350 kHz ultrasonic
2. Stage 2 (developing defect) — micro-spall, peak ที่ resonance frequency (700-2,000 Hz)
3. Stage 3 (advanced defect) — visible peak ที่ characteristic freq (BPFO/BPFI/BSF/FTF)
4. Stage 4 (catastrophic) — random broadband + heat + audible noise — fail ภายใน 1-7 วัน

Detection at Stage 2-3 ให้เวลา 1-6 เดือนวางแผน replacement. Stage 4 = ฉุกเฉิน

Characteristic Frequencies — สูตร + ตัวอย่าง

สูตร geometry:

• FTF (Fundamental Train Frequency) — รอบของ cage: $$\text{FTF} = \frac{1}{2} \left(1 - \frac{D_b \cos\alpha}{D_p}\right) \times \frac{n_{shaft}}{60}$$
• BPFO (Ball Pass Frequency Outer race) = n × FTF
• BPFI (Ball Pass Frequency Inner race) = n × (n_shaft/60) × ½(1 + D_b·cos α / D_p)
• BSF (Ball Spin Frequency): $$\text{BSF} = \frac{D_p}{2 D_b} \times \frac{n_{shaft}}{60} \left(1 - \left(\frac{D_b \cos\alpha}{D_p}\right)^2\right)$$

ตัวแปร:

• n = จำนวนลูกบอล (number of balls)
• D_b = ball diameter
• D_p = pitch diameter (center-to-center ของ inner-outer raceway)
• α = contact angle (deg) — radial bearing ≈ 0°, angular contact = 15-40°
• n_shaft = shaft RPM

ตัวอย่าง: SKF 6205-2RS deep groove ball bearing, motor 1,750 RPM

• n = 9 balls, D_b = 7.94 mm, D_p = 38.5 mm, α = 0°
• FTF = ½ × (1 - 7.94/38.5) × 1750/60 = 11.6 Hz
• BPFO = 9 × 11.6 = 104.5 Hz
• BPFI = 9 × (1750/60) × ½(1 + 7.94/38.5) = 157.6 Hz
• BSF = (38.5/15.88) × (1750/60) × (1 - (7.94/38.5)²) = 68.7 Hz

ใน FFT spectrum หาก peak สูงโผล่ที่ 104.5 Hz + harmonics → outer race defect

SKF / Timken / Schaeffler มี online calculator + Bearing Failure Atlas ฟรี — ป้อน bearing model + RPM ได้ผลทันที

8 Bearing Failure Modes (ISO 13373 + SKF Atlas)

flowchart TD
  A[Vibration Signature] --> B{Where peak?}
  B -->|BPFO + harmonics| C[Outer race spalling/pitting]
  B -->|BPFI + sidebands| D[Inner race spalling]
  B -->|BSF + cage modulation| E[Ball/Roller defect]
  B -->|FTF + harmonics| F[Cage damage]
  B -->|1× + 2× + 3× shaft| G[Misalignment / overload]
  B -->|Broadband 1-10 kHz| H[Lubrication failure]
  B -->|Periodic at FTF × shaft| I[Electrical erosion fluting]
  B -->|Random broadband noise| J[Skidding / slip]
  C --> K[Pattern: peak grows
over weeks-months]
  D --> K
  E --> K
  F --> L[Critical — fail in days-week]
  G --> M[Realign + reduce load]
  H --> N[Check lubrication system
+ contamination]
  I --> O[Add shaft grounding
VFD-driven motor]
  J --> P[Reduce speed
+ check preload]

ISO 10816 / ISO 20816 — Overall Vibration Limits

ISO 10816 (renamed ISO 20816 from 2016) แบ่ง rotating machine เป็น 4 classes ตามขนาดและ foundation:

Overall vibration zones (mm/s RMS):

ค่าเหล่านี้คือ overall vibration. สำหรับ bearing-specific defect ใช้ envelope detection (ESP) ที่ specific frequency

Envelope Detection — Method for Bearing Defect

Standard FFT มัก miss bearing defect ในระยะแรกเพราะ:

• Bearing defect generate "impacts" — pulse signal สั้น
• Pulse spread พลังงานไปทั่ว spectrum
• Peak ที่ characteristic frequency ต่ำกว่า running speed peak

Envelope Detection (ESP) / Demodulation:

1. Band-pass filter ที่ resonance frequency (mức bearing) — 500 Hz - 10 kHz
2. Rectify signal (full-wave)
3. Low-pass filter
4. FFT
5. Result: envelope spectrum ที่ characteristic frequency โผล่ชัด

Modern vibration analyzer (SKF Microlog, CSI 2140, GE Bently Nevada) มี envelope built-in. Threshold:

• < 0.1 g RMS — healthy
• 0.1-0.5 g — early defect
• 0.5-1.5 g — developing

• 1.5 g — advanced, plan replacement

• 3.0 g — critical, stop ASAP

Trend Analysis + Alarm Strategy

flowchart LR
  A[Periodic Measurement
weekly/monthly] --> B[Plot overall + envelope
vs baseline]
  B --> C{Trend?}
  C -->|Stable| D[Continue routine
monitoring]
  C -->|Increasing
< 6 dB above baseline| E[Increase frequency
weekly → daily]
  C -->|+6 dB Warning| F[Plan replacement
spare ready]
  C -->|+12 dB Alarm| G[Immediate plan
replace 30 days]
  C -->|+18 dB Critical| H[Stop machine
replace immediately]

Baseline reset rule:

• เมื่อเปลี่ยน bearing ใหม่ → measure 24-48 ชม. หลัง break-in → set as new baseline
• เก็บ baseline แยกสำหรับแต่ละ machine

Sensor + Equipment Selection

Accelerometer type:

• Piezoelectric IEPE (industrial standard) — 100 mV/g, frequency response 1 Hz-10 kHz
• MEMS — cheaper, smaller, integrate IoT — frequency response 1 Hz-5 kHz
• Eddy current proximity probe — measure shaft displacement directly, สำหรับ turbomachinery

ติดตั้ง sensor:

• Mount: stud (best), magnetic (good), handheld (worst — used only routine check)
• Location: bearing housing, axial + radial + tangential 3 axes
• Cable: shielded twisted pair, ground at sensor end only

Predictive Replacement Economics

ตัวอย่าง โรงงาน pump 50 ตัว motor 75 kW:

Predictive ประหยัด 60-70% เทียบ reactive + 25-30% เทียบ time-based

แนวทางจัดซื้อจัดจ้าง 6 ข้อ

1. TOR ระบุ ISO 10816 / 20816 + ISO 13373 สำหรับ vibration program
2. Vibration analyzer FFT + envelope built-in — ไม่ใช้แค่ overall meter
3. Training: ISO Cat I/II/III — certified vibration analyst (สอบโดย Mobius, BINDT, IRD)
4. Database software — เก็บ trend data + auto-alarm + report. Mainstream: SKF Aptitude, CSI AMS, GE System 1
5. Permanent sensor สำหรับ critical machine — IEPE accelerometer + protection housing
6. Annual recalibration ของ sensor + analyzer ตาม ISO 17025 lab

สรุป

Bearing failure detect ได้ผ่าน vibration signature 1-6 เดือนก่อน catastrophic. ISO 10816 / 20816 กำหนด overall vibration limit per machine class. Characteristic frequency (FTF, BPFO, BPFI, BSF) คำนวณจาก geometry — peak ที่ frequency เหล่านี้ใน FFT envelope = bearing defect. 8 failure modes มี signature ต่างกัน — outer race spalling (BPFO), inner race (BPFI), cage (FTF), ball (BSF), misalignment (1×/2×/3× shaft), lube failure (broadband 1-10 kHz). Predictive strategy ประหยัด 60-70% เทียบ reactive

Sahawatthanakit ให้บริการ vibration analysis program — initial baseline + periodic measurement + report พร้อม recommended action สำหรับ pump, motor, fan, gearbox ในโรงงานไทย — ปรึกษาทีมเพื่อขอ machine audit

คำถามที่พบบ่อย

Vibration analysis บอกอะไร bearing? Bearing มี vibration signature เฉพาะที่ FTF/BPFO/BPFI/BSF — peak ที่ frequency เหล่านี้ใน FFT envelope = defect. Detect 1-6 เดือนก่อน catastrophic ลด unplanned downtime 70-90%

ISO 10816 วัดที่ไหน? Non-rotating parts — bearing housing, foundation. mm/s RMS. แบ่ง class I-IV ตามขนาด + foundation. Class III rigid > 75 kW: Good < 1.8, Acceptable < 4.5, Alarm < 7.1, Damage > 7.1

FFT spectrum analysis? Accelerometer time signal → FFT → frequency spectrum. Bearing fault peak ที่ characteristic freq (ไม่ใช่ shaft frequency). Tool: handheld 30-120k, analyzer 250k-1.5M, permanent 1M+

FTF/BPFO/BPFI/BSF สูตร? จาก bearing geometry: n balls, Db diameter, Dp pitch, α contact angle, n_shaft RPM. มี calculator ของ SKF/Timken/Schaeffler ฟรี

8 failure modes? Outer race spalling (BPFO), Inner race (BPFI), Ball (BSF), Cage (FTF), Misalignment (1×/2×/3×), Lube failure (broadband 1-10 kHz), Electrical erosion (periodic FTF × shaft), Skidding (random broadband)

Alarm ตั้งที่ไหน? ISO 10816 overall limit per class. Envelope-specific: +6 dB warning, +12 dB alarm. Baseline reset หลังเปลี่ยน bearing