Comprensione della vibrazione asincrona
Vibrazione asincrona (chiamata anche vibrazione non sincrona) è vibrazione a frequenze che sono non multipli interi esatti — ordini — della velocità di rotazione dell'albero’. A differenza vibrazione sincrona da sbilanciare o disallineamento (che cade sempre a 1×, 2×, 3× della velocità di esercizio), la vibrazione asincrona si manifesta a frequenze determinate dalla geometria dei componenti, da effetti elettromagnetici o da sorgenti esterne, anziché dalla rotazione dell'albero stesso.
Distinguere il contenuto sincrono da quello asincrono è una delle competenze più fondamentali nella diagnostica delle macchine diagnostica, perché questa distinzione restringe immediatamente la ricerca della causa. Le componenti sincrone rimandano a problemi di massa rotante o di geometria legati al rotore; le componenti asincrone indicano invece difetti negli elementi volventi, guasti elettrici o influenze esterne al rotore. Classificare correttamente fin dall'inizio evita, ad esempio, di bilanciare una macchina il cui vero problema è un cuscinetto in via di cedimento.
1. Sincrono vs Asincrono: la distinzione fondamentale
Il confine è definito interamente dal ordine — il rapporto tra la frequenza di una vibrazione e la frequenza della velocità di esercizio. Un picco a un ordine intero esatto è sincrono e vincolato alla rotazione dell'albero; un picco a un ordine frazionario è asincrono e obbedisce a un altro ritmo.
- Sincroni (ordini interi): 1,00×, 2,00×, 3,00× — squilibrio, disallineamento, un albero piegato, certain scioltezza patterns.
- Asincroni (ordini non interi): 2,47×, 3,57×, 0,45× — difetti dei cuscinetti, linee elettriche, instabilità subsincrone e sorgenti esterne.
Una sottocategoria utile è il subharmonic — energy sotto 1× (ad esempio un picco a 0,5× da grave gioco o strisciamento). I sottoarmonici sono una forma di contenuto asincrono e si affiancano alle instabilità subsincroni discusse più avanti.
2. Fonti comuni di vibrazione asincrona
Difetti dei cuscinetti a rotolamento (i più comuni)
Di gran lunga la sorgente dominante di vibrazione asincrona:
- Frequenze di guasto dei cuscinetti: BPFO, BPFI, BSF e FTF sono governate dalla geometria del cuscinetto e non sono mai multipli esatti della velocità dell'albero.
- Esempio: un motore a 1800 RPM (30 Hz) potrebbe mostrare un BPFO a 107 Hz — ovvero 3,57× la velocità dell'albero, chiaramente non un numero intero.
- Valore diagnostico: una frequenza asincrona fa sorgere immediatamente il sospetto di un problema al cuscinetto.
- Rilevamento: analisi dell'inviluppo è la tecnica principale per individuare questi componenti, spesso molto prima che appaiano nello spettro ordinario.
Frequenze elettriche
Vibrazione elettromagnetica non correlata alla velocità dell'albero:
- 2× frequenza di rete: 120 Hz su reti a 60 Hz o 100 Hz su reti a 50 Hz, indipendente dalla velocità del motore.
- Esempio: un motore bifase a 60 Hz gira a circa 3550 RPM (59,2 Hz), eppure la sua vibrazione al doppio della frequenza di rete si colloca a 120 Hz — 2,03× la velocità dell'albero, asincrona.
- Frequenza di passaggio del polo: potrebbe non essere un multiplo intero esatto.
- VFD harmonics: le frequenze di commutazione del variatore non hanno alcuna relazione con la velocità dell'albero.
Sorgenti esterne
- Apparecchiature adiacenti: vibrazione trasmessa attraverso il pavimento da macchinari vicini.
- Edificio o fondazione: risonanze strutturali a frequenze fisse.
- Pulsazioni di processo: onde di pressione che si propagano nelle tubazioni.
- Risonanze acustiche: onde stazionarie in condotti o cavità.
Instabilità sub-sincrone
- Vortice d'olio: tipicamente 0,42–0,48× la velocità dell'albero (non esattamente la metà).
- Oil whip: si aggancia al rotore’s frequenza naturale, non alla velocità dell'albero.
- Instabilità delle tenute: spesso a frequenze determinate dalla dinamica dei fluidi. Questi sono esempi classici di instabilità del rotore.
Vibrazione casuale
- Cavitazione: collasso casuale delle bolle, a banda larga.
- Turbolenza: fluttuazioni casuali del flusso.
- Sfregamento: contatto caotico che genera vibrazioni non periodiche.
3. Identificazione negli Spettri
Caratteristiche dello spettro
- Frequenza fissa: Appare allo stesso valore Hz indipendentemente dalle variazioni di velocità
- Order shifts: se la velocità varia, una frequenza asincrona cambia il proprio ordine (poiché l'ordine è frequenza ÷ velocità dell'albero).
- Diagramma a cascata: le componenti asincrone compaiono come vertical righe, le componenti sincrone come diagonal linee — il modo più intuitivo in assoluto per distinguerle.
- Spettro dell'ordine: i picchi asincroni cadono a ordini non interi (2,47×, 3,57×, e così via).
Procedura diagnostica
- Identificare la velocità di rotazione dal picco 1× o, più affidabilmente, da un tachimetro.
- Calcolare gli ordini dividendo la frequenza di ciascun picco per la frequenza di rotazione.
- Integer orders (1,00×, 2,00×, 3,00×) sono sincroni.
- Ordini non interi (2,47×, 3,57×) sono asincroni.
- Correlare ai tipi di guasto confrontando le frequenze calcolate con le frequenze dei cuscinetti, le frequenze di rete elettrica e simili.
Nelle macchine a velocità variabile questa separazione è più netta sotto analisi degli ordini, che ri-riferisce l'asse delle frequenze ai multipli della velocità di rotazione, in modo che i picchi sincroni rimangano fissi mentre quelli asincroni si spostano.
4. Rilevanza diagnostica
Difetti dei cuscinetti
- Picchi asincroni a BPFO, BPFI o BSF suggeriscono immediatamente un problema al cuscinetto.
- Calcolare le frequenze teoriche dei cuscinetti e confrontarle con i picchi osservati.
- Una corrispondenza entro circa ±5% conferma un difetto del cuscinetto.
- Armoniche e bande laterali degli armonici della frequenza di difetto forniscono un'ulteriore conferma.
È possibile evitare i calcoli manuali utilizzando un calcolatore della frequenza dei difetti dei cuscinetti, che restituisce BPFO, BPFI, BSF e FTF direttamente dalla geometria del cuscinetto e dalla velocità dell'albero.
Problemi elettromagnetici
- Una riga a 100/120 Hz al doppio della frequenza di rete indica statore o air-gap problemi.
- La frequenza rimane costante indipendentemente dalle variazioni di velocità.
- L'analisi della corrente motore conferma l'origine elettrica.
Vibrazione esterna
- Picchi che non corrispondono né alla velocità della macchina né alle frequenze dei cuscinetti.
- Possono coincidere con la velocità di rotazione di apparecchiature vicine.
- È necessaria un'indagine sulla sorgente, seguita da isolamento o correzione.
5. Tecniche di analisi per la vibrazione asincrona
Analisi dell'inviluppo
- La tecnica principale per il rilevamento dei difetti dei cuscinetti.
- Esalta gli impatti ripetitivi che producono contenuto asincrono.
- Sopprime le forti componenti sincrone a bassa frequenza.
- Rivela chiaramente le frequenze dei cuscinetti nel risultante spettro dell'inviluppo.
Accelerazione ad alta frequenza
- I difetti asincroni dei cuscinetti si trovano spesso nella banda delle alte frequenze (sopra 1 kHz).
- Utilizzo accelerometri con un valore di Fmax elevato.
- Questo cattura gli impatti e le risonanze ad alta frequenza che le misurazioni di velocità a bassa frequenza non riescono a rilevare.
Analisi del cepstro
- Analisi del cepstrum è efficace nell'individuare schemi periodici sepolti in segnali asincroni.
- Rileva intere famiglie di armoniche o bande laterali in una sola volta.
- Particolarmente utile per cuscinetti complessi e ingranaggio signatures.
6. Esempi pratici
Motore con difetto al cuscinetto
- Running speed: 1750 RPM (29,17 Hz).
- Componenti sincrone: 1× a 29,17 Hz, 2× a 58,34 Hz.
- Componente asincrona: un picco a 107 Hz (3,67× velocità dell'albero).
- Diagnosi: 107 Hz corrisponde al BPFO calcolato → difetto alla pista esterna.
- Conferma: la natura asincrona conferma un problema al cuscinetto, non al rotore.
Motore VFD a velocità variabile
- La velocità del motore varia da 1200 a 1800 RPM.
- Il picco 1× si sposta con la velocità (sincrono).
- Il picco a 120 Hz rimane fisso (asincrono, 2× frequenza di rete).
- Diagnosi: una componente elettromagnetica proveniente dall'alimentazione a 60 Hz.
Sul campo, questa distinzione costituisce il lavoro quotidiano di un analizzatore portatile. Poiché uno strumento come il Bilanciamento-1a legge la velocità di rotazione dal proprio tachimetro ottico contemporaneamente allo spettro di vibrazione, è in grado di segnalare immediatamente se un determinato picco è sincrono o asincrono — indicando al tecnico all'istante se la soluzione è equilibrare il rotore o sostituire un cuscinetto. Riconoscere il contenuto asincrono attraverso i suoi ordini non interi, la sua frequenza fissa nonostante le variazioni di velocità, o la sua firma verticale su un grafico waterfall è ciò che consente l'identificazione accurata dei difetti dei cuscinetti, dei problemi elettrici e delle influenze esterne — e indica la strada verso l'azione correttiva appropriata.
