Vibrazioni sub-sincrone e sincrone spiegate
Vibrazione sub-sincrona è qualsiasi componente di vibrazione la cui frequenza è less than la velocità di funzionamento normale della macchina (1×), e il suo aspetto è uno dei segnali più preoccupanti che una macchina rotante possa inviare. Per capirne il motivo, è utile confrontarla con il suo opposto: vibrazione sincrona, che segue l'albero a multipli esatti interi della velocità di funzionamento. La distinzione non è puramente teorica: permette di distinguere i guasti comuni, che si possono correggere meccanicamente, dalle instabilità autoeccitate, che richiedono una riprogettazione o un arresto immediato. Questo articolo definisce entrambi i termini, elenca le cause più comuni e spiega come distinguerle in un FFT spettro.
1. Che cos'è la vibrazione sincrona?
Le vibrazioni sincrone si verificano a una frequenza che è un multiplo intero della velocità di rotazione dell'albero: sono "sincronizzate" con la rotazione. Si tratta di gran lunga della categoria più comune di vibrazioni nei macchinari.
- Vibrazione esattamente alla velocità di marcia (1×) è sincrono.
- Anche le vibrazioni al doppio della velocità di marcia (2×), al triplo (3×) e così via sono sincrone e vengono solitamente chiamate armoniche della velocità di rotazione.
La stragrande maggioranza dei guasti più comuni si manifesta in questo modo. Squilibrio, disallineamento, e allentamento meccanico tutti generano vibrazioni sincrone. Lo squilibrio, ad esempio, si manifesta sempre a 1× RPM e segue perfettamente qualsiasi variazione di velocità: raddoppiando gli RPM, il picco di squilibrio si sposta semplicemente sulla nuova frequenza 1×. Poiché la forza motrice è legata all'angolo dell'albero, si tratta dei classici vibrazioni forzate.
2. Che cos'è la vibrazione subsincrona?
Le vibrazioni subsincrone si verificano a una frequenza sotto 1× — il prefisso «sub-» significa semplicemente «al di sotto». Un contenuto sub-sincrono significativo è spesso un grave segnale di allarme, poiché è tipicamente prodotto da fenomeni dinamici del rotore auto-eccitati e instabili piuttosto che da un semplice difetto meccanico. La differenza cruciale è la fonte dell’energia: nei guasti sincroni un errore geometrico esterno aziona il rotore una volta per giro, mentre nell’instabilità sub-sincrona la funzione di forzatura è generata dal movimento del rotore stesso interagendo con i cuscinetti o le guarnizioni. È proprio questo circolo vizioso a rendere tali condizioni una caratteristica distintiva di instabilità del rotore.
3. Cause comuni delle vibrazioni subsincrone
Le vibrazioni subsincrone rappresentano un problema rilevante nelle turbomacchine ad alta velocità che funzionano in regime di film fluido cuscinetti radenti.
3.1 Oil Whirl
Questa è la forma più comune di instabilità subsincrona. In un cuscinetto a film fluido, il film idrodinamico d'olio che sostiene l'albero può iniziare a circolare e spingere l'albero in avanti, un fenomeno noto come vortice d'olio. Poiché la velocità media del film d'olio è leggermente inferiore alla metà della velocità superficiale dell'albero, il risultato è precessione si aggira intorno a da 0,42 a 0,48 volte la velocità di corsa (0,42×–0,48×). Il vortice d'olio dipende spesso dal carico e dalla temperatura e può manifestarsi o scomparire al variare del carico sul cuscinetto, della temperatura dell'olio o della velocità.
3.2 Oil Whip
L'oil whip è una forma più grave e pericolosa dell'oil whirl. Si verifica quando la frequenza del vortice aumenta fino a raggiungere — e poi "agganciarsi" — alla prima frequenza naturale del rotore, ovvero velocità critica. Una volta che si verifica il blocco, l'ampiezza subsincrona può aumentare notevolmente e non scompare con l'aumentare della velocità; al contrario, la vibrazione rimane fissata alla frequenza della velocità critica anche se la macchina continua ad accelerare. Questa condizione di blocco e intensificazione — strettamente correlata a frusta ad albero — è estremamente distruttiva e richiede generalmente un intervento immediato spegnimento.
3.3 Attrito tra rotore e statore
Contatto tra il rotore e una parte fissa — un sfregamento del rotore — può anche provocare vibrazioni subsincrone, spesso a frazioni intere della velocità di marcia, come ad esempio 0.5×. Una componente netta di 0,5× è un classico segno di un attrito che fa rimbalzare il rotore una volta ogni due giri. Altre cause di sub-harmonic Tra le altre fonti rientrano un gioco meccanico eccessivo e alcune non linearità dovute allo sfregamento.
4. Distinguerli in uno spettro FFT
Separare le due famiglie su un spettro dipende in gran parte dalla posizione dei picchi rispetto al valore 1×:
- Picchi sincroni: individuare il picco a 1× RPM (velocità di marcia) e cercare i picchi corrispondenti a multipli esatti — 2×, 3× e così via.
- Picchi subsincroni: cerca eventuali picchi significativi che dovessero comparire prima il picco 1× sull'asse delle frequenze. Un picco intorno al 45% della velocità di marcia è un classico indicatore di vortici d'olio.
Poiché la diagnosi dipende dal rapporto esatto tra il picco e la velocità di rotazione, è fondamentale disporre di un riferimento preciso della velocità: anche piccoli errori nella stima dei giri al minuto possono trasformare un vortice di 0,48× in qualcosa di ambiguo. Analisi degli ordini Il riferimento a un impulso del tachimetro per ogni giro elimina tale ambiguità, esprimendo lo spettro direttamente in ordini di velocità di rotazione.
5. Perché questa distinzione è fondamentale
Sapere di quale famiglia si tratta determina l'intera risposta:
- Problemi sincroni (come lo squilibrio) sono vibrazioni indotte e di solito possono essere corrette meccanicamente — mediante bilanciamento, l'allineamento o il serraggio dei dispositivi di fissaggio.
- Problemi sub-sincroni (come il colpo d'olio) sono vibrazioni autoeccitate o instabilità. Esse evidenziano un problema fondamentale nel sistema rotore-cuscinetto e non possono essere risolti mediante l'equilibratura. Le soluzioni consistono in genere nel modificare il tipo di cuscinetto (ad esempio passando a cuscinetti basculanti), nel regolare la temperatura o la pressione dell'olio, nell'aumentare il carico sui cuscinetti o nel modificare il rotore.
Per questo motivo, un picco subsincrono di elevata ampiezza viene generalmente considerato un allarme più grave rispetto a un picco sincrono di uguale entità. In pratica, un tecnico verifica innanzitutto che la macchina sia ben bilanciata e allineata — utilizzando un analizzatore portatile come il Balanset-1A misura l'ampiezza 1× e fase è necessario escludere o correggere le cause sincrone, in modo che qualsiasi componente sub-sincrona residua nello spettro possa essere attribuita con certezza a un'instabilità piuttosto che a un guasto meccanico risolvibile.
