Comprensione della frequenza nell'analisi delle vibrazioni
Frequenza è una misura della frequenza con cui un evento ricorrente si verifica in un determinato intervallo di tempo — in analisi delle vibrazioni, quantifica la velocità con cui un oggetto oscilla. È il parametro più importante per individuare la causa principale di un problema ai macchinari. Mentre ampiezza tells you the severità di una vibrazione, la frequenza indica la fonte. Se si rileva l'ampiezza, si capisce quanto sia grave il problema; se si rileva la frequenza, si capisce di cosa si tratta.
1. Definizione: che cos'è la frequenza di vibrazione?
La frequenza descrive la velocità di un movimento ciclico, ovvero il numero di cicli completi di oscillazione che una parte vibrante compie per unità di tempo. Un rotore che gira a 1.800 giri al minuto compie trenta giri al secondo, quindi la forza che genera una volta per giro si ripete trenta volte al secondo. Ogni componente periodico nascosto all'interno di una macchina forma d'onda temporale ha una propria frequenza, e la separazione di tali componenti costituisce il fondamento di ogni attività diagnostica.
Fondamentalmente, la frequenza è indipendente dall'ampiezza. Una vibrazione può essere violenta o appena percettibile pur avendo esattamente la stessa frequenza; ciò che cambia quando una faglia si espande è solitamente l'ampiezza, mentre la frequenza rimane legata al meccanismo fisico che la produce. È proprio questa stabilità a rendere la frequenza un'impronta così affidabile.
2. Il potere diagnostico della frequenza
Il principio fondamentale di diagnostica delle vibrazioni è che i vari componenti meccanici ed elettrici generano vibrazioni a frequenze specifiche e prevedibili quando iniziano a guastarsi. Individuando quali frequenze sono presenti nella firma vibrazionale di una macchina — e l’intensità di ciascuna di esse — un analista può individuare con precisione il componente esatto all’origine del problema. È un processo molto simile a quello con cui un medico usa lo stetoscopio per ascoltare i suoni particolari che rivelano diverse patologie.
Ogni potenziale guasto presenta una firma di frequenza caratteristica:
- Sbilanciare: un problema che riguarda l'intero gruppo motore, come ad esempio sbilanciare, appare alla frequenza di rotazione dell'albero — 1× velocità di marcia.
- Disallineamento: un problema nell'accoppiamento tra due alberi, come ad esempio disallineamento, di solito appare a una velocità doppia rispetto a quella di corsa (2×), spesso con un rilievo 3×.
- Difetti dei cuscinetti: un difetto in un cuscinetto a rotolamento genera un valore non intero frequenze di guasto dei cuscinetti determinata dalla geometria della pista di scorrimento e delle sfere e dalla velocità dell'albero.
- Gear problems: i denti che si ingranano generano energia al frequenza di ingranamento (GMF) — il numero di denti moltiplicato per la velocità dell'ingranaggio — spesso accompagnato da bande laterali.
Poiché queste caratteristiche si sovrappongono raramente, un unico spettro ben definito permette di distinguere lo squilibrio dal disallineamento e da un cuscinetto difettoso senza dover aprire la macchina.
3. Le unità di frequenza
La frequenza viene espressa in diverse unità di misura e un analista professionista deve padroneggiarle tutte.
Hertz (Hz)
L'unità internazionale (SI). Un hertz equivale a un ciclo al secondo. Si tratta dello standard utilizzato in ambito scientifico e nella maggior parte degli strumenti, ed è l'unità impiegata sull'asse delle frequenze in una FFT.
Cicli al minuto (CPM)
È ampiamente utilizzato nella manutenzione industriale poiché è direttamente correlato alla velocità di rotazione, espressa in giri al minuto (RPM). Poiché un minuto è composto da 60 secondi, la conversione è semplicemente CPM = Hz × 60. Una vibrazione a 30 Hz corrisponde quindi a 1.800 CPM — e su una macchina che gira a 1.800 giri al minuto, quel picco coincide esattamente con la velocità di funzionamento, che spesso è più facile da riconoscere in CPM che in Hz.
Ordini
Gli ordini sono multipli della velocità di rotazione della macchina: la velocità di rotazione corrisponde al primo ordine, il doppio della velocità di rotazione al secondo ordine e così via. Il vantaggio è che gli ordini rimangono costanti anche quando la macchina cambia velocità: lo squilibrio rimane al primo ordine sia che l'albero ruoti a 900 o a 3.600 giri/min, mentre la sua frequenza in Hz varia. Ciò rende gli ordini indispensabili per le apparecchiature a velocità variabile e costituisce la base di analisi degli ordini. A free Calcolatrice della frequenza armonica converte un RPM nelle sue frequenze da 1× a 10× in un unico passaggio, e un Convertitore di unità di misura delle vibrazioni si occupa della contabilità Hz–CPM.
4. Come viene determinata la frequenza
Le frequenze contenute in un segnale di vibrazione vengono estratte con il Trasformata di Fourier veloce (FFT). An accelerometro acquisisce la forma d'onda grezza del tempo e l'algoritmo FFT la scompone in una spettro di frequenza — un grafico che mostra ogni singola frequenza che compone la vibrazione complessa, dove l'altezza di ciascun picco indica la quantità di energia presente in quel punto. L'analista confronta quindi tali picchi con le caratteristiche dei guasti sopra indicate. Sul campo, uno strumento portatile a due canali come il Bilanciamento-1a esegue questa FFT in tempo reale, misurando spettri compresi approssimativamente tra 5 Hz e 1000 Hz, in modo che il picco della velocità di marcia e le sue armoniche possano essere letti direttamente sulla macchina; l'impulso del tachimetro, emesso una volta per giro, identifica con precisione quale picco corrisponda alla frequenza 1×.
5. Il rapporto tra frequenza, velocità e accelerazione
A parità di energia vibrazionale, le ampiezze di spostamento, velocità, E accelerazione dipendono fortemente dalla frequenza, motivo per cui ogni unità copre una banda diversa:
- Basse frequenze: lo spostamento è massimo, quindi è l'unità naturale per i movimenti lenti dell'albero.
- Frequenze medie: la velocità è massima e più uniforme, ed è per questo che intensità delle vibrazioni standard quali ISO 20816 (il moderno successore della norma ISO 10816) valuta lo stato generale della macchina in termini di velocità in mm/s.
- Alte frequenze: l'accelerazione è massima, rendendola l'unità di misura preferita per le frequenze dei cuscinetti e degli ingranaggi.
Scegliere l'unità di misura sbagliata per una banda di frequenza può far passare inosservato un vero e proprio guasto nel rumore di fondo; scegliere quella giusta, invece, fa risaltare lo stesso guasto con evidenza. In quest'ottica, la frequenza è la chiave che sblocca il potenziale diagnostico dell'analisi delle vibrazioni, trasformando un segnale grezzo e confuso in informazioni utili per la manutenzione.
