Comprensione dell'allentamento meccanico nei macchinari rotanti
Allentamento meccanico è una condizione in cui i componenti di una macchina presentano giochi eccessivi, fissaggi inadeguati, accoppiamenti usurati o deterioramento strutturale che consentono alle parti, che dovrebbero essere unite rigidamente, di muoversi l'una rispetto all'altra. Tale libertà involontaria trasforma una macchina altrimenti lineare in una non lineare, producendo vibrazione ricco di molteplici armoniche della velocità di funzionamento, delle oscillazioni irregolari dell'ampiezza e delle marcate differenze direzionali che non seguono gli schemi ben definiti di un semplice guasto. Il gioco è doppiamente problematico: da un lato genera di per sé vibrazioni eccessive e, dall'altro — poiché rende imprevedibile la risposta della macchina — ostacola i tentativi di diagnosticare o correggere altri guasti quali squilibrio o disallineamento. Per questo motivo bisogna individuarlo e risolverlo prima qualsiasi altro intervento di riduzione delle vibrazioni possa avere successo.
1. Definizione: che cos'è il gioco meccanico
In sostanza, l’allentamento consiste in una perdita di integrità strutturale nel percorso di carico. Una macchina in buone condizioni trasmette le forze attraverso giunti bullonati, accoppiamenti con interferenza e malta, come se l'intero gruppo fosse un unico corpo solido. Quando un giunto si allenta, le parti possono separarsi e riagganciarsi molte volte per ogni giro, con ogni impatto che inietta energia su un'ampia banda di frequenze. Il risultato è uno spettro caratteristicamente "irregolare" e una macchina che si comporta in modo diverso da una misurazione all'altra. Termini strettamente correlati descrivono la progressione dello stesso problema: allentamento meccanico sottolinea il progressivo deterioramento nel tempo, mentre la meccanica di fondo usura Sono proprio gli accoppiamenti e le superfici di contatto a determinare il gioco in primo luogo.
2. Tipi di gioco meccanico
Gli esperti classificano solitamente le forme di allentamento in tre categorie, ciascuna con una propria localizzazione e un proprio profilo spettrale.
2.1 Tipo A: gioco rotazionale (gioco dei cuscinetti)
Gioco eccessivo tra il cuscinetto e l'albero o l'alloggiamento:
- Accoppiamento cuscinetto-albero: Superficie dell'albero usurata, accoppiamento con interferenza inadeguato, foro del cuscinetto danneggiato
- Cuscinetto-alloggiamento: Foro dell'alloggiamento usurato, cappello del cuscinetto allentato, accoppiamento a pressione inadeguato
- Cuscinetto interno: eccessivo gioco del cuscinetto from wear.
- Sintomo: Armoniche di primo, secondo e terzo ordine; maggiore ampiezza nelle direzioni radiali.
2.2 Tipo B: Allentamento strutturale (basamento / fondazione)
Fissaggio inadeguato delle parti non rotanti:
- Basamenti allentati: bulloni di ancoraggio non serrati, malta deteriorata.
- Montaggio della base allentato: bulloni di fissaggio dell'attrezzatura allentati o mancanti.
- Crepe nel telaio o nelle fondamenta: danni strutturali che consentono il movimento.
- Sintomo: Armoniche multiple (spesso fino a 5× o più); risposta irregolare e non lineare
L'allentamento strutturale va spesso di pari passo con piede zoppo, ovvero quando una macchina non poggia saldamente sui propri supporti; i due problemi presentano sintomi simili e spesso si verificano contemporaneamente, quindi è opportuno controllarli entrambi.
2.3 Tipo C: Allentamento dei componenti
Componenti allentati sull'elemento rotante:
- Giranti allentate: girante allentata sull'albero, chiavetta usurata o mancante.
- Giunti allentati: mozzi di accoppiamento allentati sugli alberi.
- Pulegge / ingranaggi allentati: componenti azionati allentati sull'albero.
- Coperture/protezioni allentate: pannelli di lamiera che vibrano/sferragliano.
- Sintomo: armoniche e subarmoniche; possibili componenti di 1/2× e 1/3×.
I componenti subsincroni del Tipo C sono caratteristici: un elemento che si riposiziona una volta ogni due o tre giri può generare un vero e proprio subharmonic a metà o a un terzo di velocità di marcia, un indizio che raramente è causato da uno squilibrio o da un disallineamento.
3. Firma vibrazionale
3.1 Caratteristiche di frequenza
Il gioco meccanico produce un andamento di frequenza caratteristico:
- Armoniche multiple: 1×, 2×, 3×, 4× e oltre — a differenza dello squilibrio, che è principalmente di tipo 1×.
- Sub-harmonics: Possono comparire componenti da 1/2× e 1/3× (allentamento di tipo C).
- Contenuto non armonico: raggiunge i valori massimi a multipli non interi della velocità di rotazione.
- Rumore di fondo elevato: un aumento a banda larga determinato da impatti casuali.
Un modello mentale utile consiste nel considerare che l'articolazione sottoposta a impatto tagli e deformi ogni ciclo di movimento; nel dominio della frequenza, tale deformazione di un evento che si verifica una volta per giro è esattamente ciò che produce una lunga serie ordinata di armoniche alla velocità di rotazione nel spettro.
3.2 Comportamento dell'ampiezza
- Livello generale elevato: vibrazioni complessive sproporzionate rispetto alle forze motrici presenti.
- Non-linear: La vibrazione non varia in modo prevedibile al variare della velocità o del carico.
- Erratico: l'ampiezza varia in modo evidente da una misurazione all'altra.
- Differenze direzionali: spesso da 2 a 5 volte superiore in una direzione rispetto a quella perpendicolare.
3.3 Caratteristiche di fase
- Instabile fase: il angolo di fase passa in modo incostante da una lettura all'altra.
- Elevata dispersione di fase: Variazione di ±30–90° alla stessa velocità.
- Compromette il bilanciamento: La fase imprevedibile rende inaffidabili i calcoli di bilanciamento
3.4 Caratteristiche della forma d'onda temporale
Il forma d'onda temporale è spesso più indicativo rispetto allo spettro di allentamento:
- Forma irregolare, non sinusoidale.
- Picchi troncati o tagliati nei punti in cui il componente urta contro il vincolo.
- Eventi casuali e impulsivi.
- Perdita della struttura periodica regolare da un ciclo all'altro.
4. Luoghi e cause più comuni
4.1 Correlati ai cuscinetti
- Superfici dei perni dell'albero usurate che causano l'oscillazione del cuscinetto.
- Sedi dell'alloggiamento dei cuscinetti usurate o danneggiate.
- Accoppiamento a interferenza inadeguato (scelta errata della tolleranza).
- I bulloni del coperchio del cuscinetto sono allentati o serrati con una coppia insufficiente.
- Alloggiamenti dei cuscinetti divisi con superfici di accoppiamento usurate.
4.2 Basamento e montaggio
- Bulloni di ancoraggio allentati (il tipo più comune di allentamento strutturale).
- Malta di fondazione deteriorata o mancante sotto i piedistalli.
- Fondamenta in calcestruzzo crepate.
- Bulloni di fissaggio dell'attrezzatura alla piastra di base allentati.
- Fori dei bulloni danneggiati o allargati.
4.3 Componenti rotanti
- Ventola o girante allentata sull'albero (chiavetta usurata, viti di fissaggio allentate).
- Mozzi di accoppiamento con accoppiamento a interferenza insufficiente.
- Viti di registro della puleggia allentate o mancanti.
- Componenti del rotore allentati sull'albero.
4.4 Structural
- Telai o carter della macchina incrinati.
- Fatica crepe nelle saldature.
- Allentamento dei bulloni strutturali.
- Deterioramento dei legami o degli adesivi.
5. Metodi di rilevamento
5.1 Analisi delle vibrazioni
- Analisi FFT: cerca una lunga serie di armoniche (1×, 2×, 3×, 4×, 5×+).
- Coerenza testing: Una scarsa coerenza tra i segnali di ingresso e quelli di risposta indica un comportamento non lineare.
- Confronto direzionale: notevoli differenze tra l'asse orizzontale e quello verticale.
- Risposta a un'eccitazione esterna: un test di urto sulla macchina che restituisce una risposta anomala e rumorosa (sferragliante).
5.2 Ispezione fisica
5.2.1 Ispezione visiva
- Controllare la presenza di interstizi, crepe, corrosione e danni.
- Controllare la presenza di impronte di scorrimento che rivelino un movimento.
- Osservare i segni di usura della vernice in corrispondenza delle giunzioni.
- Controllare la presenza di trucioli metallici o polvere rossastra che indicano fretting.
5.2.2 Prova a percussione
- Colpire i componenti sospetti con un martello.
- Prestare attenzione a eventuali crepitii o a un tonfo sordo, anziché a un suono pieno e risonante.
- Verificare se si avvertono movimenti eccessivi o un ronzio.
- Confrontare con componenti di cui è nota l'integrità.
5.2.3 Verifica della coppia
- Controllare ogni bullone con una chiave dinamometrica.
- Verificare che i valori rilevati siano conformi alle specifiche.
- Verificare la presenza di elementi di fissaggio rotti, danneggiati o corrosi.
- Verificare che non vi siano filettature danneggiate.
5.2.4 Prove di spinta/trazione
- Esercitare una forza sui componenti sospetti con le mani o con una leva.
- Prestare attenzione a movimenti che non dovrebbero verificarsi.
- Utilizzare dei comparatori a quadrante per misurare il gioco.
- Confrontare con componenti nuovi o adeguatamente fissati.
6. Procedure di correzione
6.1 In caso di gioco dei cuscinetti
- Sostituire il cuscinetto: se il cuscinetto stesso è usurato.
- Shaft repair: ripristinare l'albero usurato mediante cromatura o saldatura, quindi rilavorarlo a misura.
- Riparazione dell'involucro: lavorare l'alloggiamento a misura maggiore e montare un cuscinetto più grande, oppure ripristinarlo con spruzzatura di metallo o saldatura e poi alesarlo nuovamente.
- Migliorare l'accoppiamento: utilizzare gli accoppiamenti con interferenza indicati nelle specifiche del produttore.
- Bearing caps: stringere o sostituire se usurato.
6.2 In caso di allentamento strutturale
- Serrare tutti i dispositivi di fissaggio: coppia secondo le specifiche, utilizzando la sequenza di serraggio corretta. I valori corretti possono essere verificati con un Calcolatore della coppia di serraggio dei bulloni, e la capacità dei bulloni di ancoraggio con il Calcolatore di estrazione dei bulloni di ancoraggio.
- Sostituire i bulloni danneggiati: installare bulloni nuovi della qualità e delle dimensioni corrette.
- Riparare le fondamenta: rimuovere la malta vecchia, pulire le superfici e applicare malta nuova.
- Weld cracks: riparare le crepe nei telai o nei basamenti, ove opportuno.
- Aggiungere un rinforzo: rinforzi o controventature per strutture deboli.
6.3 In caso di allentamento dei componenti
- Serrare nuovamente le viti di fissaggio alla coppia corretta utilizzando un prodotto frenafiletti.
- Sostituire le chiavi e le sedi delle chiavi usurate.
- Utilizzare accoppiamenti con interferenza adeguati per i componenti a pressione.
- Componenti di perni o chiavi che si sono allentati ripetutamente
- Sostituire i componenti danneggiati invece di riutilizzarli.
7. Strategie di prevenzione
7.1 Fase di progettazione
- Indicare le dimensioni e le quantità adeguate dei dispositivi di fissaggio.
- Progettare accoppiamenti con interferenza adeguati.
- Garantire un'adeguata rigidità strutturale.
- Evitare le concentrazioni di sollecitazioni che causano la formazione di crepe.
- Indicare i tipi e i materiali adeguati per gli elementi di fissaggio.
7.2 Fase di installazione
- Utilizzare chiavi dinamometriche calibrate.
- Attenersi alle sequenze di serraggio corrette.
- Utilizzare prodotti frenafiletti ove necessario.
- Assicurarsi che le superfici siano pulite e piane prima del montaggio.
- Verificare che i componenti siano conformi alle specifiche.
- Effettuare controlli di qualità.
7.3 Fase di manutenzione
- Controllare periodicamente la coppia di serraggio dei bulloni (una volta all'anno o secondo il programma di monitoraggio delle vibrazioni).
- Use vibration di tendenza per individuare tempestivamente eventuali segni di allentamento.
- Effettuare ispezioni visive durante le fermate.
- Riserrare se necessario.
- Intervenite tempestivamente sulle vibrazioni prima che causino allentamenti.
8. Sfide diagnostiche
8.1 Mascheramento di altri problemi
- Un gioco eccessivo può nascondere o simulare altri difetti.
- Impedisce una misurazione accurata bilanciamento a causa della risposta non lineare.
- It makes allineamento difficile o impossibile da mantenere.
- Può generare modelli di vibrazione che ricordano delle crepe o difetti dei cuscinetti.
8.2 Carattere progressivo
- L'allentamento di solito inizia in modo lieve e peggiora progressivamente.
- Le vibrazioni causate dall'allentamento provocano un ulteriore allentamento: si crea così un circolo vizioso.
- Se non viene curata, può passare da una forma lieve a una grave nel giro di poche settimane.
- Alla fine provoca danni secondari a cuscinetti, alberi e fondamenta.
9. Relazione con altri difetti
9.1 Allentamento vs. squilibrio
| Caratteristica | Squilibrio | Allentamento |
|---|---|---|
| Frequenza primaria | Solo 1× | 1×, 2×, 3×, 4×+ armoniche |
| Stabilità di fase | Costante, ripetibile | Erratico, varia tra le misurazioni |
| Linearità | Vibrazione ∝ velocitಠ| Non lineare, imprevedibile |
| Risposta al bilanciamento | Vibrazione ridotta | Miglioramento minimo o nullo |
| Schema direzionale | Simile orizzontale/verticale | Spesso molto più alto in una direzione |
9.2 Allentamento vs disallineamento
- Disallineamento: principalmente 2× con qualche 1× e una fase stabile.
- Allentamento: armoniche multiple (da 1× a 5×+), con fase instabile.
- Combinazione: Un disallineamento può causare gioco, e il gioco a sua volta aggrava gli effetti del disallineamento: i due fenomeni si alimentano a vicenda.
10. Impatto sulle prestazioni della macchina
10.1 Effetti diretti
- Vibrazione elevata: livelli eccessivi che causano disagio e problemi di sicurezza, spingendo spesso la macchina oltre i suoi intensità delle vibrazioni limits.
- Rumore: rumori di sferragliamento, tonfi o colpi.
- Precisione ridotta: errori di posizionamento dell'albero.
- Usura accelerata: I carichi d'urto danneggiano i componenti.
10.2 Danni secondari
- Danno al cuscinetto: I carichi d'urto e il disallineamento causato dal gioco danneggiano i cuscinetti.
- Fretting dell'albero: Il micromovimento negli accoppiamenti allentati provoca corrosione da sfregamento
- Guasto del dispositivo di fissaggio: I bulloni possono subire affaticamento e rompersi a causa dei carichi alternati.
- Propagazione della cricca: le vibrazioni propagano le cricche già presenti.
- Deterioramento delle fondamenta: Le vibrazioni prolungate causano il deterioramento del calcestruzzo e della malta.
10.3 Problemi operativi
- Impedisce un bilanciamento efficace.
- Rende impossibile mantenere l'allineamento.
- Provoca confusione diagnostica che nasconde altri problemi.
- Riduce l'affidabilità complessiva delle apparecchiature.
11. Esempio pratico
Situazione: un grande ventilatore a tiraggio indotto che funziona a 1200 giri/min e presenta vibrazioni eccessive.
- Sintomi iniziali: Vibrazione complessiva di 8 mm/s rispetto a un limite di allarme di 4,5 mm/s.
- Spettro: componenti 1×, 2×, 3×, 4×.
- Tentativi di bilanciamento: Tre tentativi, nessun miglioramento, fase erratica per tutta la durata.
- Indagine: L'ispezione fisica ha rilevato quattro bulloni di ancoraggio allentati su otto.
- Correzione: tutti i bulloni di ancoraggio sono stati serrati nuovamente secondo la specifica di 400 N·m.
- Risultato: La vibrazione è scesa immediatamente a 1,8 mm/s.
- Follow-up: Una singola operazione di bilanciamento ha quindi ridotto le vibrazioni a 0,8 mm/s, ora che il sistema era lineare.
- Lezione: Controllare sempre che non vi siano parti allentate prima di procedere all'equilibratura.
Questo caso è da manuale: proprio quei tre tentativi falliti di bilanciamento che avevano frustrato il personale costituivano di per sé la diagnosi. Nel momento in cui la base è tornata rigida, il rotore ha ripreso a comportarsi in modo lineare e la correzione dello squilibrio è andata a segno al primo tentativo. Un analizzatore portatile a due canali come il Balanset-1A accorcia ulteriormente questo ciclo: il suo spettro in tempo reale e la lettura di fase — stabile oppure dispersa — segnalano in pochi minuti una macchina non lineare e con giochi meccanici, così un tecnico sa che deve ricorrere a una chiave dinamometrica prima di tentare un bilanciamento che non avrebbe mai funzionato. Il livello complessivo stesso può essere ricostruito dallo spettro con il Calcolatore del livello di vibrazione complessivo per verificare lo stato di una macchina rispetto al proprio allarme.
12. Buone pratiche
12.1 Lista di controllo diagnostica
Quando si analizza un problema di vibrazioni, è necessario innanzitutto verificare se vi siano parti allentate:
- Analizzare lo spettro alla ricerca di armoniche multiple.
- Verificare la ripetibilità della fase tra una serie e l'altra.
- Eseguire prove di percussione sui componenti sospetti.
- Controllare la coppia di serraggio di ogni bullone.
- Verificare la presenza di crepe, segni di usura e segni di deterioramento.
- Eliminare prima eventuali giochi, prima di procedere con ulteriori analisi o correzioni.
12.2 Protocollo di manutenzione
- Includere i controlli della coppia di serraggio dei bulloni nei programmi di manutenzione preventiva.
- Registrare i valori di coppia di riferimento.
- Monitorare l'andamento del rilassamento della coppia nel tempo.
- Utilizzare composti frenafiletti su elementi di fissaggio critici
- Se l'allentamento si ripete, è meglio sostituire il componente piuttosto che stringere ripetutamente.
Il gioco meccanico è una causa comune, ma spesso trascurata, delle vibrazioni dei macchinari. La sua caratteristica firma armonica multipla, il comportamento non lineare e la tendenza a interferire con ogni altra misura diagnostica e correttiva rendono indispensabile verificarne la presenza — e correggerlo — come primo passo in qualsiasi intervento di risoluzione dei problemi legati alle vibrazioni.
