Comprensione delle vibrazioni all'avvio nei macchinari rotanti
Vibrazione all'avvio describes the vibrazione comportamento dei macchinari rotanti durante l'accelerazione da fermo fino alla velocità normale di esercizio. Esso comprende sia il previsto vibrazione transitoria mentre la macchina attraversa il suo velocità critiche e qualsiasi fenomeno anomalo tipico della fase di avvio — flessione termica, instabilità dei cuscinetti, sfregamenti, ovvero l'assestamento meccanico. È importante monitorarlo perché molti problemi di vibrazione si manifestano con maggiore evidenza durante l'avvio, e la fase transitoria di avvio rappresenta spesso il momento di maggiore sollecitazione meccanica nell'intero ciclo di funzionamento di una macchina.
1. Definizione: perché il transitorio di avvio è speciale
Il monitoraggio in regime stazionario rileva il funzionamento di una macchina a una velocità fissa, mentre l'avvio fa percorrere al rotore l'intero intervallo di velocità, eccitando ogni frequenza naturale che si trova al di sotto della velocità operativa durante la fase di salita. Ogni passaggio attraverso un risonanza amplifica momentaneamente la risposta, mentre il rotore è freddo, si riscalda in modo non uniforme e si assesta sui cuscinetti. Questa combinazione rende l'avvio una finestra particolarmente rivelatrice — e particolarmente impegnativa — sullo stato di salute della macchina, motivo per cui è necessario un sistema dedicato analisi di accelerazione è uno strumento standard per le apparecchiature critiche.
2. Caratteristiche tipiche delle vibrazioni in fase di avvio
Normale andamento dell'avvio
In una macchina in buone condizioni, le vibrazioni durante l'avvio seguono uno schema prevedibile che l'analista può utilizzare come parametro di riferimento.
Fase iniziale (velocità 0–20%)
- Vibrazioni molto basse da squilibrio, poiché la forza centrifuga aumenta con il quadrato della velocità.
- Qualsiasi vibrazione significativa in questo punto indica un problema meccanico o una deformazione termica.
- La lettura a rotazione lenta fornisce un quadro di riferimento delle condizioni puramente meccaniche del rotore (ad esempio, deformazione residua o battito).
Accelerazione attraverso velocità critiche
- L'ampiezza aumenta man mano che ci si avvicina a ciascuna velocità critica.
- Raggiunge il picco alla velocità critica, quando il rotore è in risonanza.
- Cala rapidamente man mano che la velocità supera il valore critico.
- Circa 180° fase Lo sfasamento accompagna il superamento di ogni velocità critica: una caratteristica distintiva.
- Si verificano picchi multipli se diverse velocità critiche sono inferiori alla velocità di esercizio.
Approccio alla velocità operativa
- La vibrazione si stabilizza su un livello costante.
- È dominato dalla componente 1× proveniente da squilibrio residuo.
- La stabilizzazione termica può comportare variazioni graduali nei primi 30–60 minuti di funzionamento.
3. Problemi comuni relativi alle vibrazioni all'avvio
Curvatura termica
L'arco termico è il problema più comune specifico dell'avviamento:
- Sintomo: vibrazioni intense durante l'accelerazione iniziale, che diminuiscono gradualmente man mano che la macchina raggiunge la temperatura di esercizio.
- Causa: un riscaldamento asimmetrico che provoca una curvatura temporanea dell'albero.
- Frequenza: 1× sincrono.
- Comportamento: rimane elevata anche a basse velocità di rotazione lenta, per poi diminuire man mano che si raggiunge l'equilibrio termico.
- Soluzione: procedure di riscaldamento prolungate e azionamento del viratore prima dell'avvio.
Vibrazioni eccessive a velocità critica
- Sintomo: picchi molto elevati al superamento di una velocità critica.
- Cause: poor smorzamento, un elevato squilibrio o un funzionamento troppo vicino alla velocità critica.
- Rischio: possibili danni ai cuscinetti e alle guarnizioni ad ogni avvio.
- Soluzione: migliorare l'equilibratura, aumentare la velocità di accelerazione nelle zone critiche e aggiungere smorzamento.
Sfregamento durante l'accelerazione
- Sintomo: vibrazioni improvvise e irregolari e la comparsa di sub-sincrono componenti.
- Causa: giochi insufficienti o vibrazioni a velocità critica eccessive che causano il contatto del rotore.
- Rischio: danni termici localizzati e distruzione delle guarnizioni.
- Soluzione: verificare i giochi, migliorare l'equilibratura e rallentare l'accelerazione.
Instabilità dei cuscinetti durante l'avvio
- Sintomo: vibrazione subsincrona che si manifesta durante l'accelerazione, spesso in prossimità della metà della velocità di marcia.
- Causa: un cuscinetto radente non ha ancora raggiunto la temperatura di esercizio, quindi la rigidità del film d'olio e lo smorzamento non sono ancora ottimali — un precursore di vortice d'olio.
- Comportamento: potrebbe scomparire una volta che il cuscinetto si sarà riscaldato.
- Soluzione: Riscaldamento prolungato a velocità intermedia prima della piena accelerazione
4. Definizione della procedura di avvio
Ottimizzazione del tasso di accelerazione
Il profilo di accelerazione dovrebbe essere adattato alle caratteristiche dinamiche della macchina piuttosto che applicato in modo uniforme.
Zone di accelerazione lenta
- Fase iniziale (0–10% della velocità): molto lentamente, per individuare eventuali deformazioni termiche o problemi meccanici.
- Al di sotto della prima velocità critica: una velocità moderata per consentire il riscaldamento termico.
- Al di sopra di tutte le velocità critiche: l'accelerazione fino alla velocità di esercizio può essere più rapida.
Zone di passaggio rapido
- Intervalli di velocità critica: accelerare rapidamente attraverso circa il ±15–20% intorno a ciascuna velocità critica.
- Frequenza tipica: Da 2 a 5 volte il valore normale dell'accelerazione.
- Scopo: ridurre al minimo il tempo di permanenza alla risonanza e limitare l'aumento dell'ampiezza delle vibrazioni.
Punti di attesa
- Velocità di stabilizzazione termica: mantenere al 30%, 50% e 70% per le turbine di grandi dimensioni.
- Durata: 10–30 minuti per ogni posizione.
- Scopo: consentono la stabilizzazione termica e riducono i gradienti termici.
- Controllo delle vibrazioni: Verificare che le vibrazioni siano accettabili prima di procedere.
5. Monitoraggio e criteri di accettazione
Monitoraggio in tempo reale
Durante l'avvio, prestare attenzione a:
- Livello complessivo di vibrazioni: non dovrebbe superare il limite di allarme at any speed.
- Temperature dei cuscinetti: un aumento graduale è accettabile; un aumento rapido è segno di problemi.
- Inseguimento della velocità: Verificare che la macchina acceleri in modo fluido.
- Angolo di fase: controllarlo per individuare eventuali cambiamenti imprevisti che potrebbero indicare problemi meccanici.
Criteri di accettazione
- Picchi di velocità critica: dovrebbe corrispondere alle previsioni con uno scarto massimo del ±10–15%.
- Ampiezze di picco: dovrebbe rientrare nei limiti di progetto, solitamente definiti nelle specifiche dell'apparecchiatura e confrontati con ISO 20816 Linee guida sull'intensità di vibrazione.
- Vibrazioni in regime stazionario: dovrebbe stabilizzarsi a livelli accettabili dopo la stabilizzazione termica.
- Ripetibilità: Le avviature successive dovrebbero comportarsi in modo coerente.
6. Risoluzione dei problemi relativi alle vibrazioni anomale all'avvio
Alta vibrazione iniziale
Possibili cause:
- Arco termico residuo da una precedente sessione o spegnimento.
- Un arco meccanico o albero piegato.
- Problemi ai cuscinetti — usura o disallineamento.
- Allentamento o altri difetti meccanici.
Aumento delle vibrazioni durante il riscaldamento
Possibili cause:
- Un arco termico in formazione dovuto a un riscaldamento asimmetrico.
- La dilatazione termica compromette l'allineamento.
- I giochi dei cuscinetti variano al variare della temperatura.
- Dilatazione termica che chiude i giochi che portano a sfregamenti
Vibrazione irregolare durante l'accelerazione
Possibili cause:
- Sfregamento o contatto intermittente.
- Componenti sciolti che si depositano o si spostano.
- Accoppiamento problemi.
- Comportamento variabile dei cuscinetti.
7. Documentazione e dati di riferimento
Messa in servizio iniziale
Definire una firma di avvio di riferimento:
- Registrare tutti i dati relativi all'avviamento.
- Generare diagrammi di Bode e grafici a cascata.
- Documentare ogni velocità critica e la sua ampiezza massima.
- Conservalo come riferimento per tutti i confronti futuri.
Confronto periodico
- Confronta ogni avvio attuale con il valore di riferimento.
- Prestare attenzione ai cambiamenti nella posizione delle velocità critiche, che indicano alterazioni meccaniche quali la formazione di una crepa o una variazione della rigidità dei supporti.
- Monitorare le variazioni dell'ampiezza di picco, che indicano uno squilibrio o variazioni dello smorzamento.
- Cercare nuovi componenti di vibrazione non presenti nella linea di base.
Per registrare correttamente una fase di accelerazione è necessario rilevare in modo continuo l'ampiezza, la fase e la velocità mentre il rotore accelera: proprio il tipo di misurazione sincronizzata per cui è stato progettato un analizzatore portatile a due canali. Il Balanset-1A registra l'ampiezza e la fase 1× in funzione della velocità dell'albero durante l'avvio, in modo che un tecnico possa individuare le velocità critiche, confermare l'inversione di fase di 180° in ciascuna di esse e — qualora il problema sia uno squilibrio 1× o una deformazione termica piuttosto che un difetto strutturale — bilanciare il rotore nei propri cuscinetti e riavviare il sistema per verificare che i picchi di avvio siano diminuiti. Per prevedere dove dovrebbero verificarsi tali picchi, un Calcolatore della velocità critica del rotore stima la frequenza naturale dell'albero, mentre un Calcolatore del tempo di accelerazione del rotore aiuta a stabilire la velocità con cui l'unità può attraversare una zona di risonanza.
L'analisi delle vibrazioni all'avvio offre una panoramica dello stato di salute delle macchine che il monitoraggio in condizioni di regime non è in grado di fornire da solo. Poiché molti guasti in fase di sviluppo si manifestano per la prima volta durante l'accelerazione, l'analisi dell'andamento nel tempo della firma vibrazionale all'avvio rappresenta uno degli strumenti di manutenzione predittiva più preziosi a disposizione per le apparecchiature rotanti critiche.
