Comprensione delle vibrazioni assiali nelle macchine rotanti
Vibrazione assiale (detta anche vibrazione longitudinale o assiale) è il movimento avanti e indietro di un rotore nella direzione parallela al suo asse di rotazione. Mentre vibrazione laterale è il movimento laterale perpendicolare all'albero, la vibrazione assiale consiste nello spostamento dell'albero in avanti e indietro lungo la propria lunghezza, analogamente a un pistone. La sua ampiezza è generalmente inferiore a quella della vibrazione radiale, eppure è altamente diagnostica per una specifica categoria di anomalie — soprattutto problemi di disallineamento, cuscinetto reggispinta e problemi legati al processo nelle pompe e nei compressori. Un analista esperto la considera una componente indispensabile, non opzionale, di un set di misure completo.
1. Caratteristiche e Misurazione
Direzione e movimento
La vibrazione assiale si manifesta lungo l'asse centreline dell'albero:
- Il moto è parallelo all'asse di rotazione.
- Il rotore si muove avanti e indietro con un moto alternativo.
- Viene tipicamente misurata sui supporti dei cuscinetti o alle estremità dell'albero.
- La sua ampiezza è generalmente inferiore a quella della vibrazione radiale, ma, quando presente, è molto più significativa dal punto di vista diagnostico.
Configurazione della misura
Il rilevamento del moto assiale richiede un posizionamento accurato del sensore:
- Orientamento del sensore: un accelerometro o trasduttore di velocità montato parallelamente all'asse dell'albero.
- Posizioni tipiche: coperchi terminali del supporto cuscinetti, campane terminali del motore o alloggiamenti del cuscinetto assiale.
- Sonde di prossimità: UN sonda di prossimità rivolto verso l'estremità dell'albero, consente di misurare direttamente la posizione assiale.
- Importanza: Spesso trascurato ma fondamentale per una diagnosi completa dei macchinari
2. Cause principali della vibrazione assiale
Disallineamento — la causa più comune
Disallineamento dell'albero, e in particolare il disallineamento angolare, è la principale fonte di vibrazione assiale:
- Sintomo: elevata vibrazione assiale 1× o 2× alla velocità di esercizio.
- Meccanismo: un offset angolare tra alberi accoppiati genera una forza assiale oscillante attraverso il giunto ad ogni giro.
- Indicatore diagnostico: un'ampiezza assiale superiore al 50% dell'ampiezza radiale indica fortemente un disallineamento.
- Relazione di fase: le letture assiali al lato trasmissione e al lato opposto sono tipicamente sfasate di circa 180° fase.
Difetti del cuscinetto assiale
Problemi con il cuscinetto reggispinta che fissano la posizione assiale dell'albero generano una vibrazione assiale caratteristica:
- Usura o danneggiamento del cuscinetto assiale.
- Cuscinetto assiale insufficiente precarico.
- Guasto del cuscinetto assiale con gioco assiale eccessivo.
- Problemi di lubrificazione specifici delle superfici di spinta.
Forze idrauliche o aerodinamiche
Le forze di processo in pompe, compressori e turbine generano carichi assiali:
- Pompa cavitazione: il collasso di bolle di vapore genera forze d'urto assiali.
- Squilibrio della girante: il flusso asimmetrico produce una spinta assiale oscillante.
- Turbolenza del flusso assiale: nei compressori assiali e nelle turbine.
- In aumento: il pompaggio del compressore causa violente vibrazioni assiali.
- Ricircolo: funzionamento fuori progetto che innesca instabilità di flusso.
Allentamento meccanico
Giochi eccessivi consentono al rotore di scorrere assialmente:
- Superfici del cuscinetto assiale usurate.
- Componenti del giunto allentati.
- Vincolo assiale insufficiente nella configurazione dei cuscinetti.
- Distanziali o spessori usurati.
Problemi di accoppiamento
L'usura del giunto o un'installazione non corretta genera vibrazioni assiali:
- Denti del giunto a manicotto usurati che consentono il gioco assiale.
- Giunto flessibile installato in modo non corretto couplings.
- Errori nella lunghezza del distanziale del giunto.
- Angoli del giunto cardanico che generano componenti di forza assiale.
Problemi di dilatazione termica
La dilatazione termica differenziale può generare forze assiali:
- La dilatazione termica delle tubazioni che spinge o tira sull'apparecchiatura.
- Dilatazione termica non uniforme tra macchine accoppiate.
- Assestamento delle fondazioni che altera l'allineamento assiale.
3. Significato diagnostico
Diagnosi di disallineamento
La vibrazione assiale è il miglior indicatore singolo di disallineamento:
- Regola pratica: se la vibrazione assiale supera il 50% di quella radiale, si deve sospettare un disallineamento.
- Contenuto in frequenza: prevalentemente 2× per il disallineamento a offset parallelo; sia 1× che 2× per il disallineamento angolare.
- Analisi di fase: una differenza di fase di 180° tra le letture assiali alle estremità opposte conferma il disallineamento.
- Conferma: elevata vibrazione assiale che si riduce nettamente dopo la precisione allineamento dell'albero conferma la diagnosi.
Diagnostica di pompe e compressori
Per le macchine rotanti per la gestione dei fluidi:
- Cavitazione: vibrazione assiale ad alta frequenza, casuale e a banda larga.
- Squilibrio idraulico: vibrazione assiale a 1× dovuta al carico asimmetrico della girante.
- Ondeggiare: oscillazione assiale a bassa frequenza e grande ampiezza.
- Frequenza di passaggio palette: una componente assiale alla frequenza di passaggio delle palette indica problemi di flusso.
Valutazione delle condizioni dei cuscinetti
- Un aumento improvviso della vibrazione assiale può segnalare il deterioramento del cuscinetto di spinta.
- La vibrazione assiale alle frequenze caratteristiche del difetto del cuscinetto assiale conferma un problema al cuscinetto.
- Un eccessivo gioco assiale misurato con sonde di prossimità indica l'usura del cuscinetto
4. Livelli accettabili e normative
Linee guida generali
Le normative generali sulla vibrazione delle macchine — la moderna ISO 20816 serie, che ha sostituito la ISO 10816 — si concentra principalmente sulla vibrazione radiale, pertanto i limiti assiali sono solitamente definiti in relazione ad essa:
- Rispetto alla radiale: in condizioni normali la vibrazione assiale deve rimanere al di sotto del 50% della vibrazione radiale.
- Limiti assoluti: tipicamente il 25–50% del limite radiale per la classe della macchina.
- Confronto con la baseline: un aumento del 50–100% rispetto a linea di base richiede un'indagine, indipendentemente dal valore assoluto.
Norme specifiche per apparecchiatura
- API 610 (pompe centrifughe): specifica i limiti di vibrazione sia radiale che assiale.
- API 617 (compressori centrifughi): include i criteri di accettazione per la vibrazione assiale.
- Turbomacchine: spesso monitorato in continuo con sensori dedicati di posizione assiale e vibrazione assiale, frequentemente fino a API 670 pratica di protezione delle macchine.
5. Metodi di Correzione e Riduzione
Per il disallineamento
- Allineamento di precisione degli alberi: utilizzare strumenti di allineamento laser per correggere il disallineamento angolare e parallelo.
- Correzione del piede molle: assicurarsi che ogni piede di fissaggio sia perfettamente in piano prima di procedere all'allineamento — vedere piede zoppo.
- Compensazione della dilatazione termica: tenere conto della dilatazione dovuta alla temperatura di esercizio nella definizione degli obiettivi di allineamento a freddo.
- Riduzione delle tensioni da tubazioni: eliminare le forze delle tubazioni che disallineano le apparecchiature.
Per problemi al cuscinetto assiale
- Sostituire i componenti usurati del cuscinetto assiale.
- Verificare il corretto precarico e i giochi del cuscinetto assiale.
- Garantire un'adeguata lubrificazione delle superfici di spinta.
- Verificare la corretta installazione e la regolazione degli spessori.
Per le forze assiali legate al processo
- Eliminare la cavitazione: aumentare la pressione di aspirazione, ridurre la temperatura del fluido, eliminare le ostruzioni all'aspirazione.
- Ottimizzare il punto di funzionamento: mantenere pompe e compressori all'interno del loro campo di funzionamento nominale.
- Bilanciare le forze idrauliche: utilizzare fori di equilibratura o palette posteriori sulle giranti.
- Controllo anti-surge: implementare un'efficace prevenzione del pompaggio sui compressori.
Per problemi meccanici
- Sostituire i giunti e i componenti di accoppiamento usurati.
- Serrare i collegamenti meccanici allentati.
- Verificare le dimensioni corrette di distanziali e spessori.
- Installare i giunti secondo le specifiche del produttore.
6. Migliori pratiche di misurazione
Installazione del sensore
- Fissaggio saldo: preferire perni o adesivo rispetto ai magneti per le misurazioni assiali, ove possibile — vedere montaggio del sensore.
- Verificare l'orientamento: assicurarsi che il sensore sia perfettamente parallelo all'asse dell'albero, senza inclinazioni.
- Both ends: misurare la vibrazione assiale sia sul lato trasmissione sia sul lato libero, in modo da poter confrontare le fasi.
- Sonde di prossimità: per le macchine critiche, installare sensori di posizione assiale permanenti.
Raccolta dati
- Raccogliere sempre i dati assiali insieme alle misurazioni radiali orizzontali e verticali.
- Registrare la relazione di fase tra le letture assiali in posizioni diverse.
- Confrontare i rapporti di ampiezza assiale/radiale.
- Trend vibrazione assiale nel tempo per rilevare precocemente i guasti in fase di sviluppo.
7. Vibrazione assiale vs radiale
Mantenere distinte le due direzioni è fondamentale per l'identificazione dei difetti:
| Aspetto | Vibrazione radiale (laterale) | Vibrazione assiale |
|---|---|---|
| Direzione | Perpendicolare all'asse dell'albero | Parallelo all'asse dell'albero |
| Ampiezza tipica | Più alto | Inferiore (di solito < 50% del radiale) |
| Primary causes | Sbilanciare, albero piegato, difetti dei cuscinetti | Disallineamento, problemi al cuscinetto assiale, forze di processo |
| Valore diagnostico | Condizioni generali dei macchinari | Specifico per problemi di disallineamento e spinta |
| Priorità di monitoraggio | Focus primario | Secondario ma fondamentale per la diagnosi |
8. Diagnosi pratica in campo
Sul campo, il test decisivo della vibrazione assiale è comparativo: leggere ampiezza e fase in direzione assiale su entrambi i supporti e confrontarle con le letture radiali. Un analizzatore di vibrazioni such as the Bilanciamento-1a è particolarmente adatto a questo scopo, poiché i suoi due canali possono acquisire entrambi gli estremi contemporaneamente con un riferimento di tachimetro fase condiviso — rendendo immediatamente visibile il caratteristico sfasamento assiale di 180° del disallineamento e il profilo 1×/2× armonico pattern in the FFT dello spettro. Lo stesso confronto protegge da un errore costoso: un'elevata vibrazione radiale 1× viene facilmente attribuita a sbilanciare, ma una forte componente assiale dominante indica invece un disallineamento, che nessun intervento di bilanciamento sarà in grado di correggere. Verificare la direzione del movimento predominante prima di applicare masse di prova è ciò che distingue una riparazione duratura da un pomeriggio sprecato.
9. Applicazioni industriali
Il monitoraggio della vibrazione assiale è particolarmente utile per:
- Pompe centrifughe: rilevamento delle forze idrauliche e della cavitazione.
- Compressori: monitoraggio del cuscinetto assiale e rilevamento del surge.
- Turbine: forze assiali sulle palette e condizione del cuscinetto assiale.
- Apparecchiature accoppiate: verifica dell'allineamento e condizione del giunto.
- Apparecchiature di processo: monitoraggio delle condizioni di flusso.
Sebbene la vibrazione assiale sia spesso oscurata dal segnale radiale più prominente, gli analisti esperti ne apprezzano il valore diagnostico. Un gran numero di guasti che le sole misurazioni radiali non rileverebbero emergono chiaramente dal pattern assiale — il che è esattamente il motivo per cui un'analisi accurata con monitoraggio delle condizioni il programma misura sempre tutte e tre le direzioni.
