Oggetti non lineari nel bilanciamento del rotore
Perché il bilanciamento “non funziona”, perché i coefficienti di influenza cambiano e come procedere in condizioni di campo reali
Panoramica
In pratica, l'equilibratura del rotore non si riduce quasi mai al semplice calcolo e installazione di un peso di correzione. Formalmente, l'algoritmo è ben noto e lo strumento esegue tutti i calcoli automaticamente, ma il risultato finale dipende molto più dal comportamento dell'oggetto stesso che dal dispositivo di equilibratura. Ecco perché, nel lavoro reale, si verificano costantemente situazioni in cui l'equilibratura "non funziona", i coefficienti di influenza cambiano, le vibrazioni diventano instabili e il risultato non è ripetibile da un'esecuzione all'altra.
Linear and nonlinear vibrations, their features, and balancing methods
Un bilanciamento di successo richiede la comprensione di come un oggetto reagisce all'aggiunta o alla rimozione di massa. In questo contesto, i concetti di oggetti lineari e non lineari svolgono un ruolo chiave. Comprendere se un oggetto è lineare o non lineare consente la selezione della strategia di bilanciamento corretta e aiuta a ottenere il risultato desiderato.
Gli oggetti lineari occupano un posto speciale in questo campo grazie alla loro prevedibilità e stabilità. Consentono l'uso di metodi diagnostici e di bilanciamento semplici e affidabili, rendendo il loro studio un passo importante nella diagnostica delle vibrazioni.
Oggetti lineari vs non lineari
Most of these problems are rooted in a fundamental but often underestimated distinction between linear and nonlinear objects. A linear object, from the balancing point of view, is a system in which, at a constant rotational speed, the vibration amplitude is proportional to the amount of squilibrio, e la fase della vibrazione segue la posizione angolare della massa squilibrata in modo strettamente prevedibile. In queste condizioni, il coefficiente di influenza è un valore costante. Tutti gli algoritmi standard di bilanciamento dinamico, compresi quelli implementati nel Balanset-1A, sono progettati proprio per questo tipo di oggetti.
For a linear object, the balancing process is predictable and stable. Installing a peso di prova produces a proportional change in vibration amplitude and phase. Repeated starts give the same vibration vector, and the calculated correction weight remains valid. Such objects are well suited both for one-time balancing and for serial balancing using stored influence coefficients.
Un oggetto non lineare si comporta in modo fondamentalmente diverso. La base stessa del calcolo dell'equilibrio viene violata. L'ampiezza della vibrazione non è più proporzionale allo squilibrio, la fase diventa instabile e il coefficiente di influenza cambia a seconda della massa del peso di prova, della modalità operativa o persino del tempo. In pratica, questo si manifesta come un comportamento caotico del vettore di vibrazione: dopo l'installazione di un peso di prova, la variazione della vibrazione potrebbe essere troppo piccola, eccessiva o semplicemente non ripetibile.
Cosa sono gli oggetti lineari?
Un oggetto lineare è un sistema in cui la vibrazione è direttamente proporzionale all'entità dello squilibrio.
Un oggetto lineare, nel contesto del bilanciamento, è un modello idealizzato caratterizzato da una relazione direttamente proporzionale tra l'entità dello squilibrio (massa sbilanciata) e l'ampiezza della vibrazione. Ciò significa che se lo squilibrio raddoppia, anche l'ampiezza della vibrazione raddoppierà, a condizione che la velocità di rotazione del rotore rimanga costante. Viceversa, riducendo lo squilibrio si ridurranno proporzionalmente le vibrazioni.
A differenza dei sistemi non lineari, in cui il comportamento di un oggetto può variare in base a molti fattori, gli oggetti lineari consentono un elevato livello di precisione con il minimo sforzo.
Inoltre, servono come base per la formazione e la pratica per i bilanciatori. La comprensione dei principi degli oggetti lineari aiuta a sviluppare competenze che possono essere applicate in seguito a sistemi più complessi.
Graphical representation of linearity
Immagina un grafico in cui l'asse orizzontale rappresenta l'entità della massa sbilanciata (squilibrio) e l'asse verticale rappresenta l'ampiezza della vibrazione. Per un oggetto lineare, questo grafico sarà una linea retta passante per l'origine (il punto in cui sia l'entità dello squilibrio che l'ampiezza della vibrazione sono nulle). La pendenza di questa linea caratterizza la sensibilità dell'oggetto allo squilibrio: maggiore è la pendenza, maggiori sono le vibrazioni per lo stesso squilibrio.
Graph 1: The Relationship Between Vibration Amplitude (µm) and Unbalanced Mass (g) at a constant correction radius and constant rotational speed
Il grafico 1 illustra la relazione tra l'ampiezza della vibrazione (µm) di un oggetto di bilanciamento lineare e la massa non bilanciata (g) del rotore. Il coefficiente di proporzionalità è 0,5 µm/g. Semplicemente dividendo 300 per 600 si ottiene 0,5 µm/g. Per una massa non bilanciata di 800 g (UM=800 g), la vibrazione sarà 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Si noti che ciò si applica a una velocità costante del rotore. A una diversa velocità di rotazione, il coefficiente sarà diverso.
Questo coefficiente di proporzionalità è chiamato coefficiente di influenza (coefficiente di sensibilità) e ha una dimensione di µm/g o, nei casi che coinvolgono lo squilibrio, µm/(g*mm), dove (g*mm) è l'unità di squilibrio. Conoscendo il coefficiente di influenza (IC), è anche possibile risolvere il problema inverso, vale a dire, determinare la massa sbilanciata (UM) in base all'entità della vibrazione. Per fare ciò, dividere l'ampiezza della vibrazione per l'IC.
Ad esempio, se la vibrazione misurata è 300 µm e il coefficiente noto è IC=0,5 µm/g, dividere 300 per 0,5 per ottenere 600 g (UM=600 g).
A note on units: the displacement values in µm used in these examples are illustrative and chosen for simple arithmetic. The Balanset-1A measures and displays vibration velocity, mm/s RMS; the linearity principle and the influence-coefficient method work identically in either unit.
Influence coefficient (IC): key parameter of linear objects
A critical characteristic of a linear object is the coefficiente di influenza (IC). È numericamente uguale alla tangente dell'angolo di inclinazione della retta nel grafico vibrazione-squilibrio, e indica quanto cambia l'ampiezza della vibrazione (in micron, µm) quando si aggiunge un'unità di massa (in grammi, g) in un piano di correzione specifico a una velocità del rotore specifica. In altre parole, l'IC è una misura della sensibilità dell'oggetto allo squilibrio. La sua unità di misura è µm/g, oppure, quando lo squilibrio è espresso come prodotto di massa e raggio, µm/(g*mm).
L'IC è essenzialmente la caratteristica "passaporto" di un oggetto lineare, consentendo di prevederne il comportamento quando si aggiunge o si rimuove massa. Conoscere l'IC permette di risolvere sia il problema diretto – determinare l'entità della vibrazione per un dato squilibrio – sia il problema inverso – calcolare l'entità dello squilibrio a partire dalla vibrazione misurata.
Direct problem:
Inverse problem:
How the IC is obtained in practice:
Here V0 is the vibration vector measured in the initial run (Run 0), V1 is the vector measured after a trial mass mprova is installed (Run 1), K is the influence coefficient, and mcorr. is the correction mass. All of these are complex (vector) quantities combining amplitude and phase — which is exactly why the article speaks below about the argument of the influence coefficient.
Throughout this article, the mass in grams is used as a proxy for unbalance: it is equivalent to unbalance in g·mm only as long as the correction radius stays the same. When the radius changes, use g·mm and an IC in µm/(g·mm).
Fase di vibrazione negli oggetti lineari
Oltre all'ampiezza, la vibrazione è caratterizzata anche dalla sua fase, che indica la posizione del rotore al momento della massima deviazione dalla sua posizione di equilibrio. Per un oggetto lineare, anche la fase di vibrazione è prevedibile. È la somma di due angoli:
- L'angolo che determina la posizione della massa complessiva sbilanciata del rotore. Questo angolo indica la direzione in cui si concentra lo squilibrio primario.
- L'argomento del coefficiente di influenza. Si tratta di un angolo costante che caratterizza le proprietà dinamiche dell'oggetto e non dipende dalla grandezza o dall'angolo dell'installazione di massa sbilanciata.
Pertanto, conoscendo l'argomento IC e misurando la fase di vibrazione, è possibile determinare l'angolo dell'installazione di massa sbilanciata. Ciò consente non solo il calcolo della grandezza di massa correttiva, ma anche il suo posizionamento preciso sul rotore per ottenere un equilibrio ottimale.
Balancing linear objects
It is important to note that for a linear object, the influence coefficient obtained from the trial run as K = (V1 − V0) / mprova non dipende dall'entità o dall'angolo di installazione della massa di prova, né dalla vibrazione iniziale. Questa è una caratteristica chiave della linearità. Se l'IC rimane invariato quando i parametri della massa di prova o la vibrazione iniziale vengono modificati, si può affermare con sicurezza che l'oggetto si comporta in modo lineare entro l'intervallo di squilibri considerato.
Passaggi per bilanciare un oggetto lineare
- Misurazione della vibrazione iniziale: Il primo passo è misurare la vibrazione nel suo stato iniziale. Vengono determinati l'ampiezza e l'angolo di vibrazione, che indicano la direzione dello squilibrio.
- Installazione di una massa di prova: Una massa di peso noto è installata sul rotore. Ciò aiuta a capire come l'oggetto reagisce a carichi aggiuntivi e consente di calcolare i parametri di vibrazione.
- Nuova misurazione delle vibrazioni: Dopo aver installato la massa di prova, vengono misurati nuovi parametri di vibrazione. Confrontandoli con i valori iniziali, è possibile determinare in che modo la massa influisce sul sistema.
- Calcolo della massa correttiva: Sulla base dei dati di misurazione, vengono determinati la massa e l'angolo di installazione del peso correttivo. Questo peso viene posizionato sul rotore per eliminare lo squilibrio.
- Verifica finale: Dopo aver installato il peso correttivo, la vibrazione dovrebbe essere notevolmente ridotta. Se la vibrazione residua supera ancora il livello accettabile, la procedura può essere ripetuta.
Nota: Gli oggetti lineari fungono da modelli ideali per studiare e applicare in pratica i metodi di bilanciamento. Le loro proprietà consentono a ingegneri e diagnosti di concentrarsi sullo sviluppo delle competenze di base e sulla comprensione dei principi fondamentali del lavoro con i sistemi di rotori. Sebbene l'oggetto perfettamente lineare sia un'idealizzazione, la maggior parte delle macchine in buone condizioni meccaniche si comporta in modo sufficientemente lineare entro l'intervallo di squilibrio riscontrato nel bilanciamento sul campo — ed è proprio per questo che il metodo del coefficiente di influenza funziona. Il modello lineare non è quindi un esercizio accademico, ma l'ipotesi di lavoro normale; la non linearità è l'eccezione che occorre saper riconoscere.
Bilanciamento seriale e coefficienti memorizzati
Il bilanciamento seriale merita un'attenzione particolare. Può aumentare significativamente la produttività, ma solo se applicato a oggetti lineari e stabili dal punto di vista vibrazionale. In tali casi, i coefficienti di influenza ottenuti sul primo rotore possono essere riutilizzati per i rotori identici successivi. Il software del Balanset-1A supporta questo direttamente: i coefficienti di una sessione di bilanciamento precedente vengono memorizzati nell'archivio e possono essere riapplicati a un rotore identico con la funzione Apply coefficients (F6 Reports, archivio di bilanciamento). Tuttavia, non appena cambiano la rigidità dei supporti, la velocità di rotazione o le condizioni dei cuscinetti, la ripetibilità viene persa e l'approccio seriale smette di funzionare.
Nonlinear objects: when theory diverges from practice
Cos'è un oggetto non lineare?
Un oggetto non lineare è un sistema in cui l'ampiezza della vibrazione non è proporzionale alla grandezza dello squilibrio. A differenza degli oggetti lineari, in cui la relazione tra vibrazione e massa dello squilibrio è rappresentata da una linea retta, nei sistemi non lineari questa relazione può seguire traiettorie complesse.
In the real world, not all objects behave linearly. Nonlinear objects exhibit a relationship between imbalance and vibration that is not directly proportional. This means the influence coefficient is not constant and may vary depending on factors such as:
- Entità dello squilibrio: L'aumento dello squilibrio può modificare la rigidità dei supporti del rotore, provocando variazioni non lineari nelle vibrazioni.
- Presenza di spazi e fessure: In determinate condizioni, i giochi e gli spazi nei cuscinetti e in altri collegamenti possono causare bruschi cambiamenti nelle vibrazioni.
Temperature changes and varying external loads also alter the dynamic characteristics of the object, but in a different way: they make the system non-stationary rather than nonlinear (see the section on vibration instability below).
Why are nonlinear objects challenging?
La non linearità introduce molte variabili nel processo di bilanciamento. Un lavoro di successo con oggetti non lineari richiede più misurazioni e analisi più complesse. Ad esempio, i metodi standard applicabili agli oggetti lineari non sempre producono risultati accurati per i sistemi non lineari. Ciò richiede una comprensione più approfondita della fisica del processo e l'uso di metodi diagnostici specializzati.
Segni di non linearità
Un oggetto non lineare può essere identificato dai seguenti segni:
- Variazioni non proporzionali delle vibrazioni: All'aumentare dello squilibrio, la vibrazione può aumentare più velocemente o più lentamente del previsto per un oggetto lineare.
- Spostamento di fase nella vibrazione: La fase di vibrazione può cambiare in modo imprevedibile in caso di variazioni di squilibrio o di velocità di rotazione.
- Presenza di armoniche e subarmoniche: Lo spettro di vibrazione può presentare armoniche superiori (multipli della frequenza di rotazione) e subarmoniche (frazioni della frequenza di rotazione), il che indica effetti non lineari. Nel software del Balanset-1A, queste possono essere esaminate nella schermata F8 Charts, scheda F5-Spectrum (Hz); tenga presente che il sensore di vibrazione mantiene la sua precisione nominale fino a circa 550 Hz, e la sua risposta cala oltre tale valore, per cui le componenti spettrali a frequenza più alta devono essere interpretate solo come indicative.
- Isteresi: L'ampiezza della vibrazione può dipendere non solo dal valore attuale dello squilibrio, ma anche dalla sua storia. Ad esempio, quando lo squilibrio aumenta e poi diminuisce fino a tornare al suo valore iniziale, l'ampiezza della vibrazione potrebbe non tornare al suo livello originale.
How to test an object for linearity
- Repeatability check: Perform Run 0, stop the machine, restart it, and repeat Run 0 without touching anything. If the amplitude agrees within about 10% and the phase within about 10–15°, the object is stable enough to balance.
- Removal check: After the trial run, remove the trial weight and repeat Run 0. If the vibration vector does not return to its original value, the object has hysteresis or looseness.
- Double-mass check: Repeat the trial run with a trial weight twice as heavy in the same location. For a linear object the vector change (V1 − V0) must double in magnitude and keep the same direction. Any other outcome means the influence coefficient depends on the trial mass — the object is nonlinear.
- 180° check: The same trial weight moved 180° must rotate the vector change by 180°.
Graphical representation of nonlinearity
In un grafico di vibrazione contro squilibrio, la non linearità è evidente nelle deviazioni da una linea retta. Il grafico può presentare curve, curvature, cicli di isteresi e altre caratteristiche che indicano una relazione complessa tra squilibrio e vibrazione.
Graph 2. Nonlinear Object (at a constant correction radius and constant rotational speed)
50 g; 40 µm (yellow), 100 g; 54.7 µm (blue).
Questo oggetto presenta due segmenti, due linee rette. Per squilibri inferiori a 50 grammi, il grafico riflette le proprietà di un oggetto lineare, mantenendo la proporzionalità tra lo squilibrio in grammi e l'ampiezza della vibrazione in micron. Per squilibri superiori a 50 grammi, la crescita dell'ampiezza della vibrazione rallenta.
Esempi di oggetti non lineari
Esempi di oggetti non lineari nel contesto del bilanciamento includono:
- Rotori con crepe: Le crepe nel rotore possono causare variazioni non lineari della rigidità e, di conseguenza, una relazione non lineare tra vibrazione e squilibrio.
- Rotori con giochi dei cuscinetti: In determinate condizioni, i giochi nei cuscinetti possono causare brusche variazioni delle vibrazioni.
- Rotori con elementi elastici non lineari: Alcuni elementi elastici, come gli smorzatori in gomma, possono presentare caratteristiche non lineari, influenzando la dinamica del rotore.
Tipi di non linearità
1. Soft-stiff nonlinearity
In tali sistemi, si osservano due segmenti: soft e stiff. Nel segmento soft, il comportamento assomiglia alla linearità, dove l'ampiezza della vibrazione aumenta proporzionalmente alla massa di squilibrio. Tuttavia, dopo una certa soglia (punto di interruzione), il sistema passa a una modalità stiff, dove la crescita dell'ampiezza rallenta.
2. Elastic nonlinearity
Le variazioni nella rigidità dei supporti o dei contatti all'interno del sistema rendono complessa la relazione vibrazione-squilibrio. Ad esempio, la vibrazione può aumentare o diminuire improvvisamente quando si superano specifiche soglie di carico.
3. Friction-induced nonlinearity
Nei sistemi con attrito significativo (ad esempio, nei cuscinetti), l'ampiezza della vibrazione può essere imprevedibile. L'attrito può ridurre la vibrazione in un intervallo di velocità e amplificarla in un altro.
Cause comuni di non linearità
The most common causes of nonlinearity are increased bearing clearances, bearing wear, dry friction, loosened supports, and cracks in the structure. Operation near a risonanza è un problema a parte: non rende l'oggetto non lineare, ma distrugge la ripetibilità delle misurazioni ed è quindi altrettanto fatale per il metodo del coefficiente di influenza. Spesso, l'oggetto presenta la cosiddetta non linearità morbida-dura (soft-hard). A bassi livelli di squilibrio il sistema si comporta in modo quasi lineare, ma con l'aumentare della vibrazione entrano in gioco elementi più rigidi dei supporti o della carcassa. In tali casi, il bilanciamento è possibile solo entro un intervallo operativo ristretto e non fornisce risultati stabili a lungo termine.
Instabilità delle vibrazioni
Un altro problema serio è l'instabilità della vibrazione. Anche un oggetto formalmente lineare può mostrare cambiamenti di ampiezza e fase nel tempo. Ciò è causato da effetti termici, variazioni nella viscosità del lubrificante, dilatazione termica, attrito instabile nei supporti e carichi esterni variabili che agiscono sulla macchina. Di conseguenza, misurazioni effettuate a distanza di pochi minuti possono produrre vettori di vibrazione diversi. In queste condizioni, il confronto significativo delle misurazioni diventa impossibile, e il calcolo del bilanciamento perde affidabilità.
Note the distinction: a nonlinear object gives a different influence coefficient for a different trial-weight mass; a non-stationary (unstable) object gives a different influence coefficient for the same trial weight measured at a different time. Both break the calculation, but the remedies differ — nonlinearity is fixed mechanically, instability is fixed by stabilizing the operating regime and measuring quickly.
Bilanciamento vicino alla risonanza
Balancing near resonance is especially problematic. When the rotational frequency is close to a frequenza naturale del sistema, anche un piccolo squilibrio produce un brusco aumento della vibrazione, e sia l'ampiezza che la fase diventano estremamente sensibili a piccole variazioni di velocità. Si noti che la risonanza in sé non è non linearità: un sistema lineare presenta risonanze, e in risonanza la vibrazione rimane comunque proporzionale allo squilibrio. Ciò che si perde è la ripetibilità — una dispersione di ±1% nella velocità di rotazione vicino alla velocità critica cambia il vettore misurato molto più di quanto faccia il peso di prova, per cui il coefficiente di influenza misurato in questa zona risulta inutilizzabile nella pratica. (Una risposta di risonanza ampia può, inoltre, spingere i supporti in un intervallo genuinamente non lineare — ma questa è una conseguenza, non la definizione.) In tali casi la velocità di bilanciamento deve essere spostata lontano dalla frequenza naturale, oppure la struttura meccanica deve essere modificata, prima di tentare il bilanciamento.
Elevata vibrazione dopo un bilanciamento “riuscito”
Nella pratica, è comune riscontrare situazioni in cui, dopo una procedura di bilanciamento formalmente riuscita, il livello complessivo di vibrazione rimane elevato. Ciò non indica un errore dello strumento o dell'operatore. Il bilanciamento elimina solo lo sbilanciamento delle masse. Se la vibrazione è causata da difetti delle fondamenta, elementi di fissaggio allentati, disallineamenti o risonanza, i pesi di correzione non risolveranno il problema. In questi casi, l'analisi della distribuzione spaziale delle vibrazioni sulla macchina e sulle sue fondamenta aiuta a identificare la vera causa.
Balancing nonlinear objects: a complex task with unconventional solutions
Il bilanciamento di oggetti non lineari è un compito impegnativo che richiede metodi e approcci specializzati. Il metodo standard della massa di prova, sviluppato per oggetti lineari, può produrre risultati errati o essere del tutto inapplicabile.
Metodi di bilanciamento per oggetti non lineari
- Bilanciamento passo dopo passo: Questo metodo prevede la riduzione graduale dello squilibrio mediante l'installazione di pesi correttivi in ogni fase. Dopo ogni fase, vengono effettuate misurazioni delle vibrazioni e viene determinato un nuovo peso correttivo in base allo stato attuale dell'oggetto. Questo approccio tiene conto delle variazioni del coefficiente di influenza durante il processo di bilanciamento.
- Balancing at several speeds: I coefficienti di influenza dipendono dalla velocità, quindi un rotore che deve funzionare in un ampio intervallo di velocità può richiedere coefficienti misurati a più di una velocità. Questo è il campo del bilanciamento modale (multi-velocità) dei rotori flessibili e richiede un oggetto lineare e ripetibile, diversi piani di correzione e, di norma, una macchina bilanciatrice. Non è una soluzione alternativa per un oggetto non lineare, né implica bilanciare vicino a una risonanza — le velocità di misurazione devono comunque essere scelte lontano dalle velocità critiche. Il Balanset-1A implementa il metodo del coefficiente di influenza a velocità singola: tutte le corse (Run 0 / Run 1 / Run 2 / Run T) devono essere eseguite alla stessa velocità di rotazione.
- Utilizzando modelli matematici: Per oggetti non lineari complessi, possono essere impiegati modelli matematici che descrivono la dinamica del rotore tenendo conto degli effetti non lineari. Questi modelli aiutano a prevedere il comportamento dell'oggetto in varie condizioni e a determinare parametri di bilanciamento ottimali.
L'esperienza e l'intuizione di uno specialista svolgono un ruolo cruciale nel bilanciamento di oggetti non lineari. Un bilanciatore esperto è in grado di riconoscere i segnali di non linearità, selezionare un metodo appropriato e adattarlo alla situazione specifica. L'analisi degli spettri di vibrazione, l'osservazione delle variazioni di vibrazione al variare dei parametri operativi dell'oggetto e la considerazione delle caratteristiche progettuali del rotore contribuiscono a prendere le decisioni giuste e a ottenere i risultati desiderati.
How to balance nonlinear objects using a tool designed for linear objects
Questa è una buona domanda. Il mio metodo personale per bilanciare tali oggetti inizia con la riparazione del meccanismo: sostituzione dei cuscinetti, saldatura delle crepe, serraggio dei bulloni, controllo degli ancoraggi o degli isolatori di vibrazioni e verifica che il rotore non sfreghi contro elementi strutturali fissi.
Next, I identify resonance frequencies, as it is impossible to balance a rotor at speeds close to resonance. To do this, I use the impact method for resonance determination (the Bump Test function in the Balanset-1A software) or a rotor coast-down graph (the RunDown function).
Poi determino la posizione del sensore sul meccanismo: verticale, orizzontale o inclinato.
Dopo le prove, il dispositivo indica l'angolo e il peso dei carichi correttivi. Dimezzo il peso del carico correttivo ma utilizzo gli angoli suggeriti dal dispositivo per il posizionamento del rotore. Se la vibrazione residua dopo la correzione supera ancora il livello accettabile, eseguo un'altra prova del rotore. Naturalmente, questo richiede più tempo, ma i risultati a volte sono stimolanti.
The art and science of balancing rotating equipment
Il bilanciamento di apparecchiature rotanti è un processo complesso che combina elementi di scienza e arte. Per oggetti lineari, il bilanciamento comporta calcoli relativamente semplici e metodi standard. Tuttavia, lavorare con oggetti non lineari richiede una profonda comprensione della dinamica del rotore, la capacità di analizzare i segnali di vibrazione e l'abilità di scegliere le strategie di bilanciamento più efficaci.
Esperienza, intuizione e continuo miglioramento delle competenze sono ciò che rende un bilanciatore un vero maestro del suo mestiere. Dopo tutto, la qualità del bilanciamento non solo determina l'efficienza e l'affidabilità del funzionamento dell'attrezzatura, ma garantisce anche la sicurezza delle persone.
Ripetibilità della misura
Anche le problematiche di misurazione giocano un ruolo importante. L'installazione errata dei sensori di vibrazione, le variazioni nei punti di misura o l'errato orientamento dei sensori influiscono direttamente sia sull'ampiezza che sulla fase. Per il bilanciamento, non è sufficiente misurare le vibrazioni; la ripetibilità e la stabilità delle misurazioni sono fondamentali. Per questo motivo, nella pratica, le posizioni e gli orientamenti di montaggio dei sensori devono essere rigorosamente controllati.
Approccio pratico per oggetti non lineari
Il bilanciamento di un oggetto non lineare inizia sempre non con l'installazione di un peso di prova, ma con la valutazione del comportamento delle vibrazioni. Se ampiezza e fase variano nettamente nel tempo, cambiano da un avvio all'altro o reagiscono bruscamente a piccole variazioni di velocità, il primo compito è raggiungere la modalità operativa più stabile possibile. Senza questo, qualsiasi calcolo sarà casuale.
Il primo passo pratico è scegliere la velocità corretta. Gli oggetti non lineari sono estremamente sensibili alla risonanza, quindi il bilanciamento deve essere eseguito a una velocità il più possibile lontana dalle frequenze naturali. Questo spesso significa muoversi al di sotto o al di sopra del normale intervallo operativo. Anche se la vibrazione a questa velocità è più elevata, ma stabile, è preferibile al bilanciamento in una zona di risonanza.
Successivamente, è importante ridurre al minimo tutte le fonti di non linearità aggiuntiva. Prima del bilanciamento, tutti i dispositivi di fissaggio devono essere controllati e serrati, i giochi eliminati il più possibile e i supporti e le unità cuscinetto ispezionati per verificare eventuali allentamenti. Il bilanciamento non compensa i giochi o l'attrito, ma può essere possibile se questi fattori vengono stabilizzati.
Quando si lavora con un oggetto non lineare, non si dovrebbero usare pesi di prova piccoli per abitudine. Un peso di prova troppo piccolo spesso non riesce a spostare il sistema in una regione ripetibile e la variazione di vibrazione diventa paragonabile al rumore di instabilità. Il peso di prova deve essere sufficientemente grande da causare una variazione chiara e riproducibile nel vettore di vibrazione, ma non così grande da portare l'oggetto in un regime operativo diverso.
Le misurazioni devono essere eseguite rapidamente e in condizioni identiche. Minore è il tempo trascorso tra le misurazioni, maggiore è la probabilità che i parametri dinamici del sistema rimangano invariati. Si consiglia di eseguire diverse prove di controllo senza modificare la configurazione per confermare che l'oggetto si comporti in modo coerente.
È molto importante fissare i punti di montaggio del sensore di vibrazione e il loro orientamento. Per oggetti non lineari, anche un piccolo spostamento del sensore può causare notevoli variazioni di fase e ampiezza, che potrebbero essere erroneamente interpretate come effetto del peso di prova.
Nei calcoli, l'attenzione non dovrebbe essere rivolta all'esatto accordo numerico, ma alle tendenze. Se la vibrazione diminuisce costantemente con correzioni successive, ciò indica che il bilanciamento si sta muovendo nella giusta direzione, anche se i coefficienti di influenza non convergono formalmente.
Si sconsiglia di memorizzare e riutilizzare i coefficienti di influenza per oggetti non lineari. Anche se un ciclo di bilanciamento ha esito positivo, al successivo avvio l'oggetto potrebbe entrare in un regime diverso e i coefficienti precedenti non saranno più validi.
È importante ricordare che il bilanciamento di un oggetto non lineare è spesso un compromesso. L'obiettivo non è ottenere la minima vibrazione possibile, ma portare la macchina in condizioni stabili e ripetibili con un livello di vibrazione accettabile. In molti casi, questa è una soluzione temporanea, in attesa della riparazione dei cuscinetti, del ripristino dei supporti o della modifica della struttura.
Il principio pratico fondamentale è stabilizzare prima l'oggetto, poi bilanciarlo e solo dopo valutare il risultato. Se la stabilizzazione non può essere raggiunta, il bilanciamento dovrebbe essere considerato una misura ausiliaria piuttosto che una soluzione definitiva.
Tecnica del peso di correzione ridotto
Nella pratica, quando si bilanciano oggetti non lineari, un'altra importante tecnica si rivela spesso efficace. Se lo strumento calcola un peso di correzione utilizzando un algoritmo standard, l'installazione del peso completo spesso peggiora la situazione: le vibrazioni possono aumentare, la fase può saltare e l'oggetto può passare a una modalità operativa diversa.
In questi casi, l'installazione di un peso di correzione ridotto funziona bene: due o talvolta anche tre volte inferiore al valore calcolato dallo strumento. Questo aiuta a evitare di "sbalzare" il sistema dalla regione condizionatamente lineare a un altro regime non lineare. In effetti, la correzione viene applicata delicatamente, con un piccolo passo, senza causare una brusca variazione nei parametri dinamici dell'oggetto.
Dopo aver installato il peso ridotto, è necessario eseguire una corsa di controllo e valutare l'andamento delle vibrazioni. Se l'ampiezza diminuisce costantemente e la fase rimane relativamente stabile, la correzione può essere ripetuta utilizzando lo stesso approccio, avvicinandosi gradualmente al livello di vibrazione minimo raggiungibile. Questo metodo graduale è spesso più affidabile rispetto all'installazione immediata del peso di correzione completo calcolato.
Questa tecnica è particolarmente efficace per oggetti con giochi, attrito a secco e supporti morbidi-duri, dove la correzione calcolata completa porta immediatamente il sistema fuori dalla zona condizionatamente lineare. L'utilizzo di masse di correzione ridotte consente all'oggetto di rimanere nel regime operativo più stabile e consente di ottenere un risultato pratico anche quando il bilanciamento è formalmente considerato impossibile.
È importante comprendere che questo non è un "errore strumentale", ma una conseguenza della fisica dei sistemi non lineari. Lo strumento calcola correttamente un modello lineare, mentre l'ingegnere adatta il risultato in pratica al comportamento reale del sistema meccanico.
Principio finale
In definitiva, un bilanciamento di successo non si limita a calcolare un peso e un angolo. Richiede la comprensione del comportamento dinamico dell'oggetto, della sua linearità, della stabilità alle vibrazioni e della distanza dalle condizioni di risonanza. Il Balanset-1A fornisce tutti gli strumenti necessari per la misurazione, l'analisi e il calcolo, ma il risultato finale è sempre determinato dalle condizioni meccaniche del sistema stesso. Questo è ciò che distingue un approccio formale dalla pratica ingegneristica reale nella diagnostica delle vibrazioni e nel bilanciamento dei rotori.
Domande e risposte
Questo è un segno di un oggetto non lineare. In un oggetto lineare, l'ampiezza della vibrazione è proporzionale all'entità dello squilibrio, e la fase cambia dello stesso angolo della posizione angolare del peso. Quando queste condizioni vengono violate, il coefficiente di influenza non è più costante e l'algoritmo di bilanciamento standard inizia a produrre errori. Le cause tipiche sono i giochi nei cuscinetti, i supporti allentati, l'attrito e il funzionamento vicino a una risonanza — che non è non linearità in sé, ma amplifica la vibrazione e distrugge la ripetibilità delle letture (lo verifichi con il Bump Test).
Un oggetto lineare è un sistema rotorico in cui, a parità di velocità di rotazione, l'ampiezza della vibrazione è direttamente proporzionale all'entità dello squilibrio e la fase di vibrazione segue rigorosamente la posizione angolare della massa sbilanciata. Per tali oggetti, il coefficiente di influenza è costante e non dipende dalla massa del peso di prova.
Un oggetto non lineare è un sistema in cui la proporzionalità tra vibrazione e squilibrio e/o la costanza della relazione di fase vengono violate. L'ampiezza e la fase della vibrazione iniziano a dipendere dalla massa del peso di prova. Il più delle volte, ciò è associato a giochi dei cuscinetti, usura, attrito a secco, supporti morbidi-duri o all'inserimento di elementi strutturali più rigidi.
Sì, ma il risultato è instabile e dipende dalla modalità operativa. Il bilanciamento è possibile solo entro un intervallo limitato in cui l'oggetto si comporta in modo condizionatamente lineare. Al di fuori di questo intervallo, i coefficienti di influenza cambiano e la ripetibilità del risultato viene persa.
Il coefficiente di influenza è una misura della sensibilità alle vibrazioni in risposta alle variazioni di squilibrio. Indica di quanto varia il vettore di vibrazione quando un peso di prova noto viene installato su un dato piano a una data velocità.
Il coefficiente di influenza è instabile se l'oggetto non è lineare, se la vibrazione è instabile nel tempo o se sono presenti risonanza, riscaldamento termico, elementi di fissaggio allentati o condizioni di attrito variabili. In questi casi, avvii ripetuti producono valori di ampiezza e fase diversi.
I coefficienti di influenza memorizzati possono essere utilizzati solo per rotori identici che operano alla stessa velocità, nelle stesse condizioni di installazione e con la stessa rigidezza del supporto. L'oggetto deve essere lineare e stabile alle vibrazioni. Anche una leggera variazione delle condizioni rende i vecchi coefficienti inaffidabili.
Durante il riscaldamento, i giochi dei cuscinetti, la rigidità dei supporti, la viscosità del lubrificante e il livello di attrito cambiano. Ciò altera i parametri dinamici del sistema e, di conseguenza, modifica l'ampiezza e la fase delle vibrazioni.
L'instabilità delle vibrazioni è una variazione di ampiezza e/o fase nel tempo a velocità di rotazione costante. Il bilanciamento si basa sul confronto dei vettori di vibrazione, quindi quando la vibrazione è instabile, il confronto perde significato e il calcolo diventa inaffidabile.
Si verificano instabilità strutturale intrinseca, instabilità lenta "strisciante", variazioni da un avviamento all'altro, instabilità correlata al riscaldamento e instabilità correlata alla risonanza quando si opera in prossimità delle frequenze naturali.
Nella zona di risonanza, anche un piccolo squilibrio provoca un brusco aumento della vibrazione, e sia l'ampiezza che la fase diventano estremamente sensibili a piccole variazioni di velocità. La risonanza in sé non è non linearità — un sistema lineare presenta risonanze, e in risonanza la vibrazione rimane comunque proporzionale allo squilibrio. Ciò che si perde è la ripetibilità: la normale dispersione della velocità di rotazione vicino alla velocità critica cambia il vettore misurato molto più di quanto faccia il peso di prova, per cui il coefficiente di influenza misurato in questa zona risulta inutilizzabile nella pratica. La velocità di bilanciamento deve essere allontanata dalla frequenza naturale prima di tentare il bilanciamento.
I segni tipici sono un brusco aumento della vibrazione con piccole variazioni di velocità, fase instabile, ampi picchi nello spettro e un'elevata sensibilità della vibrazione a variazioni minori di RPM. Un massimo di vibrazione si osserva spesso durante il run-up o il coast-down. L'indicatore più affidabile è la fase: quando la velocità attraversa una risonanza, il ritardo di fase passa per circa 90° al picco e si inverte di circa 180° al di sopra di esso. Osservi la lettura di fase durante un run-up o coast-down lento — un'oscillazione di 180° insieme a un massimo di ampiezza individua la velocità critica.
Le vibrazioni elevate possono essere causate da risonanza, strutture allentate, difetti delle fondamenta o problemi ai cuscinetti. In questi casi, il bilanciamento non elimina la causa delle vibrazioni.
Lo spostamento della vibrazione caratterizza l'ampiezza del movimento, la velocità della vibrazione caratterizza la velocità di questo movimento e l'accelerazione della vibrazione caratterizza l'accelerazione. Queste grandezze sono correlate, ma ciascuna è più adatta a rilevare determinati tipi di difetti e intervalli di frequenza.
Vibration velocity reflects the energy level of vibration over a wide frequency range and is convenient for assessing the overall condition of machines according to ISO standards such as Norma ISO 10816-1.
Una conversione corretta è possibile solo per le vibrazioni armoniche a frequenza singola. Per gli spettri di vibrazione complessi, tali conversioni forniscono solo risultati approssimativi.
Le possibili cause includono risonanza, difetti delle fondamenta, elementi di fissaggio allentati, usura dei cuscinetti, disallineamento o non linearità dell'oggetto. L'equilibratura rimuove solo lo sbilanciamento, non altri difetti.
Se non vengono rilevati difetti meccanici e le vibrazioni non diminuiscono dopo l'equilibratura, è necessario analizzare la distribuzione delle vibrazioni sulla macchina e sulle fondamenta. Segnali tipici sono forti vibrazioni della carcassa e della base e sfasamenti tra i punti di misurazione.
Un'installazione errata del sensore distorce l'ampiezza e la fase, riduce la ripetibilità della misurazione e può portare a conclusioni diagnostiche errate e a risultati di bilanciamento errati.
La vibrazione è distribuita in modo non uniforme in tutta la struttura. Rigidezza, masse e forme modali differiscono, quindi ampiezza e fase possono variare significativamente da un punto all'altro.
Di norma, no. L'usura e l'aumento dei giochi rendono l'oggetto non lineare. L'equilibratura diventa instabile e non fornisce risultati duraturi. Eccezioni sono possibili solo con giochi di progetto e condizioni stabili.
L'avviamento genera elevati carichi dinamici. Se la struttura viene allentata, le posizioni relative degli elementi cambiano dopo ogni avviamento, determinando variazioni nei parametri di vibrazione.
L'equilibratura seriale è possibile per rotori identici installati in condizioni identiche, con stabilità alle vibrazioni e assenza di risonanza. In questo caso, i coefficienti di influenza del primo rotore possono essere applicati a quelli successivi.
Ciò è solitamente dovuto a variazioni nella rigidità del supporto, differenze di assemblaggio, variazioni nella velocità di rotazione o transizione dell'oggetto in un regime operativo non lineare.
Riduzione delle vibrazioni a un livello stabile mantenendo la ripetibilità di ampiezza e fase da un avviamento all'altro e l'assenza di segni di risonanza o non linearità.
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