Comprensione delle vibrazioni radiali nelle macchine rotanti
Definizione: Che cosa sono le vibrazioni radiali?
Vibrazione radiale è il moto di un albero rotante perpendicolare al suo asse di rotazione, che si estende verso l'esterno dal centro come raggi di un cerchio. Il termine "radiale" si riferisce a qualsiasi direzione che si irradia dall'asse centrale dell'albero, comprendendo sia il movimento orizzontale (da un lato all'altro) che quello verticale (dall'alto verso il basso). Vibrazione radiale è sinonimo di vibrazione laterale o vibrazione trasversale e rappresenta la forma più comunemente misurata e monitorata di vibrazione nelle macchine rotanti.
Nelle applicazioni pratiche, la vibrazione radiale viene solitamente misurata in due direzioni perpendicolari, orizzontale e verticale, in corrispondenza di ogni posizione del cuscinetto, per fornire un quadro completo del movimento dell'albero perpendicolare al suo asse.
Indicazioni di misurazione
Vibrazione radiale orizzontale
La vibrazione orizzontale viene misurata nella direzione laterale:
- Perpendicolare all'asse del pozzo e parallelo al terreno/pavimento
- Spesso la posizione di misurazione più accessibile
- In genere mostra gli effetti della gravità, dell'asimmetria della rigidezza delle fondamenta e delle funzioni di forzatura orizzontale
- Orientamento di misurazione standard per la maggior parte dei programmi di monitoraggio delle vibrazioni
Vibrazione radiale verticale
La vibrazione verticale viene misurata nella direzione verso l'alto e verso il basso:
- Perpendicolare all'asse del pozzo e perpendicolare al terreno/pavimento
- Influenzato dalla gravità e dal peso del rotore
- Spesso un'ampiezza maggiore rispetto a quella orizzontale a causa del peso del rotore che crea una rigidità asimmetrica
- Fondamentale per rilevare problemi nelle macchine orientate verticalmente (pompe verticali, motori)
Vibrazione radiale complessiva
La vibrazione radiale totale può essere calcolata come la somma vettoriale delle componenti orizzontali e verticali:
- Totale radiale = √(Orizzontale² + Verticale²)
- Rappresenta l'entità effettiva del movimento indipendentemente dalla direzione
- Utile per le valutazioni della gravità con un singolo numero
Cause primarie delle vibrazioni radiali
La vibrazione radiale è generata da forze che agiscono perpendicolarmente all'asse dell'albero:
1. Squilibrio (causa dominante)
Sbilanciare è la fonte più comune di vibrazioni radiali nei macchinari rotanti:
- Crea forza centrifuga ruotando alla velocità dell'albero (1X)
- Forza proporzionale alla massa sbilanciata, al raggio e alla velocità al quadrato
- Produce forme circolari o ellittiche orbita dell'albero
- Correggibile tramite bilanciamento procedure
2. Disallineamento
Disallineamento dell'albero tra macchine accoppiate crea sia radiali che vibrazione assiale:
- Vibrazione radiale principalmente 2X (due volte per rivoluzione)
- Genera anche armoniche 1X, 3X e superiori
- Elevate vibrazioni assiali accompagnano le vibrazioni radiali
- Relazioni di fase tra i cuscinetti diagnostici per il tipo di disallineamento
3. Difetti meccanici
Diversi problemi meccanici producono modelli di vibrazione radiale caratteristici:
- Difetti dei cuscinetti: Impatti ad alta frequenza alle frequenze di guasto dei cuscinetti
- Asta piegata o arcuata: 1X vibrazione simile allo squilibrio ma presente anche a bassa velocità
- Scioltezza: Armoniche multiple (1X, 2X, 3X) con comportamento non lineare
- Crepe: Vibrazione 1X e 2X con modifiche durante l'avvio/spegnimento
- Strofinamenti: Componenti sub-sincrone e sincrone
4. Forze aerodinamiche e idrauliche
Le forze di processo nelle pompe, nei ventilatori e nei compressori creano una forza radiale:
- Frequenza di passaggio delle lame (numero di lame × giri/min)
- Squilibrio idraulico da flusso asimmetrico
- distacco di vortici e turbolenza del flusso
- Ricircolo e funzionamento fuori progetto
5. Condizioni di risonanza
Quando si opera in prossimità velocità critiche, la vibrazione radiale si amplifica notevolmente:
- La frequenza naturale coincide con la frequenza forzante
- Ampiezza limitata solo dal sistema smorzamento
- Potenziale per livelli di vibrazione catastrofici
- Richiede adeguati margini di separazione nella progettazione
Standard e parametri di misurazione
Unità di misura
La vibrazione radiale può essere espressa in tre parametri correlati:
- Spostamento: Distanza effettiva del movimento (micrometri µm, mils). Utilizzato per macchinari a bassa velocità e misurazioni con sonde di prossimità.
- Velocità: Velocità di variazione dello spostamento (mm/s, in/s). Più comune per macchinari industriali generali, base per gli standard ISO.
- Accelerazione: Tasso di variazione della velocità (m/s², g). Utilizzato per misurazioni ad alta frequenza e rilevamento di difetti nei cuscinetti
Standard internazionali
La serie ISO 20816 fornisce i limiti di severità delle vibrazioni radiali:
- ISO 20816-1: Linee guida generali per la valutazione delle vibrazioni dei macchinari
- ISO 20816-3: Criteri specifici per macchine industriali > 15 kW
- Zone di gravità: A (buono), B (accettabile), C (insoddisfacente), D (inaccettabile)
- Posizione di misurazione: Tipicamente su alloggiamenti dei cuscinetti in direzioni radiali
Standard specifici del settore
- API 610: Limiti di vibrazione radiale delle pompe centrifughe
- API 617: Criteri di vibrazione dei compressori centrifughi
- API 684: Procedure di analisi della dinamica del rotore per la previsione delle vibrazioni radiali
- NEMA MG-1: Limiti di vibrazione del motore elettrico
Tecniche di monitoraggio e diagnosi
Monitoraggio di routine
I programmi standard di monitoraggio delle vibrazioni misurano le vibrazioni radiali:
- Raccolta basata sul percorso: Misurazioni periodiche a intervalli fissi (mensili, trimestrali)
- Tendenza del livello generale: Traccia l'ampiezza totale delle vibrazioni nel tempo
- Limiti di allarme: Impostato in base agli standard ISO o specifici dell'apparecchiatura
- Confronto: Corrente vs. baseline, orizzontale vs. verticale
Analisi avanzata
L'analisi dettagliata delle vibrazioni radiali fornisce informazioni diagnostiche:
- Analisi FFT: Spettro di frequenza che mostra i componenti delle vibrazioni
- Forma d'onda del tempo: Segnale di vibrazione nel tempo che rivela transitori e modulazione
- Analisi di fase: Relazioni temporali tra i punti di misurazione
- Analisi dell'orbita: Modelli di movimento della linea centrale dell'albero
- Analisi dell'involucro: Demodulazione ad alta frequenza per il rilevamento dei difetti dei cuscinetti
Monitoraggio continuo
Le apparecchiature critiche sono spesso dotate di un monitoraggio permanente delle vibrazioni radiali:
- Sonde di prossimità per la misurazione diretta del movimento dell'albero
- Accelerometri montati in modo permanente sugli alloggiamenti dei cuscinetti
- Tendenze e allarmi in tempo reale
- Integrazione del sistema di protezione automatica
Differenze orizzontali vs. verticali
Relazioni di ampiezza tipiche
In molte macchine, la vibrazione radiale verticale supera quella orizzontale:
- Effetto gravità: Il peso del rotore crea una deflessione statica, influenzando la rigidità verticale
- Rigidità asimmetrica: Le strutture di fondazione e di supporto sono spesso più rigide orizzontalmente
- Rapporto tipico: Vibrazione verticale 1,5-2× orizzontale è comune
- Effetto del peso di bilanciamento: I pesi di correzione posizionati nella parte inferiore del rotore (facile accesso) riducono preferibilmente le vibrazioni verticali
Differenze diagnostiche
- Sbilanciare: Potrebbe mostrarsi più fortemente in una direzione a seconda della posizione dello squilibrio
- Scioltezza: Spesso mostra una non linearità più pronunciata nella direzione verticale
- Problemi di fondazione: Le vibrazioni verticali sono più sensibili al deterioramento delle fondamenta
- Disallineamento: Potrebbe apparire diverso in orizzontale rispetto a verticale in base al tipo di disallineamento
Relazione con la dinamica del rotore
La vibrazione radiale è fondamentale per dinamica del rotore analisi:
Velocità critiche
- Le frequenze naturali radiali determinano velocità critiche
- La prima velocità critica corrisponde in genere alla prima modalità di flessione radiale
- Diagrammi di Campbell prevedere il comportamento delle vibrazioni radiali in funzione della velocità
- I margini di separazione dalle velocità critiche impediscono vibrazioni radiali eccessive
Forme modali
- Ogni modalità di vibrazione radiale ha una forma di deflessione caratteristica
- Prima modalità: piegatura ad arco semplice
- Seconda modalità: curva a S con punto nodale
- Modalità superiori: modelli sempre più complessi
Considerazioni di bilanciamento
- L'equilibratura mira alla riduzione delle vibrazioni radiali a frequenza 1X
- Coefficienti di influenza correlare i pesi di correzione alle variazioni delle vibrazioni radiali
- Posizioni ottimali del piano di correzione in base alle forme modali radiali
Metodi di correzione e controllo
Per squilibrio
- Bilanciamento del campo utilizzando analizzatori portatili
- Piano singolo o bilanciamento a due piani procedure
- Bilanciamento di precisione in officina per componenti critici
Per problemi meccanici
- Allineamento di precisione per correggere il disallineamento
- Sostituzione dei cuscinetti per difetti dei cuscinetti
- Serraggio dei componenti allentati
- Riparazioni delle fondamenta per problemi strutturali
- Raddrizzamento o sostituzione di alberi piegati
Per problemi di risonanza
- Modifiche di velocità per evitare intervalli di velocità critici
- Modifiche della rigidità (diametro dell'albero, modifiche della posizione dei cuscinetti)
- Miglioramenti dell'ammortizzazione (smorzatori a film compresso, selezione dei cuscinetti)
- Cambiamenti di massa per spostare le frequenze naturali
Importanza nella manutenzione predittiva
Il monitoraggio delle vibrazioni radiali è il fondamento dei programmi di manutenzione predittiva:
- Rilevamento precoce dei guasti: Le variazioni nelle vibrazioni radiali precedono i guasti di settimane o mesi
- Tendenze: Gli aumenti graduali indicano problemi in via di sviluppo
- Diagnosi dei guasti: Il contenuto di frequenza identifica tipi di guasto specifici
- Valutazione della gravità: L'ampiezza indica la gravità e l'urgenza del problema
- Pianificazione della manutenzione: Manutenzione basata sulle condizioni piuttosto che sul tempo
- Risparmio sui costi: Previene guasti catastrofici e ottimizza gli intervalli di manutenzione
In quanto misurazione primaria delle vibrazioni nei macchinari rotanti, la vibrazione radiale fornisce informazioni essenziali sulle condizioni delle apparecchiature, rendendola indispensabile per garantire un funzionamento affidabile, sicuro ed efficiente delle apparecchiature rotanti industriali.
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