Comprensione dei diagrammi di interferenza

Dispositivi

Equilibratore portatile e analizzatore di vibrazioni Balanset-1A

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Parti di ricambio

Sensore di vibrazioni

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Parti di ricambio

Sensore ottico (tachimetro laser)

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Balanset-4

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Standard magnetico Insize-60-kgf

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Parti di ricambio

Nastro riflettente

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Dispositivi

Bilanciatore dinamico "Balanset-1A" OEM

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Definizione: Che cos'è un diagramma di interferenza?

UN diagramma di interferenza è uno strumento grafico utilizzato in dinamica del rotore per identificare intervalli di velocità di rotazione in cui le frequenze di eccitazione "interferiscono" (corrispondono) con il sistema frequenze naturali, creando le condizioni per risonanza. Il termine “interferenza” si riferisce all’interazione problematica tra una frequenza forzante (da sbilanciare, passaggio di pale o altre fonti) e una frequenza naturale che può causare eccessivi vibrazione.

Sebbene strettamente correlato al diagramma di Campbell, un diagramma di interferenza spesso si concentra specificamente sull'evidenziazione dei punti di intersezione (interferenze) e delle zone di velocità associate che dovrebbero essere evitate o attraversate rapidamente durante il funzionamento.

Relazione con i diagrammi di Campbell

Nella pratica, i termini "diagramma di interferenza" e "diagramma di Campbell" sono spesso usati in modo intercambiabile, poiché mostrano informazioni simili. Tuttavia, esistono sottili distinzioni:

Enfasi del diagramma di Campbell

• Mostra il quadro completo di come le frequenze naturali variano con la velocità
• Visualizza le curve di frequenza naturale come funzioni continue della velocità
• Utilizzato principalmente per l'analisi e la progettazione dinamica completa del rotore

Enfasi sul diagramma di interferenza

• Concentra l'attenzione sulle aree problematiche specifiche: i punti di intersezione
• Spesso include "zone proibite" ombreggiate attorno alle velocità critiche
• Maggiore operatività, enfatizzando le gamme di velocità da evitare
• Può includere più fonti di eccitazione oltre al semplice squilibrio

Costruzione di un diagramma di interferenza

Un diagramma di interferenza è costruito in modo simile a un diagramma di Campbell, ma con un contesto operativo aggiuntivo:

Elementi di base

• Asse orizzontale: Velocità di rotazione (RPM o Hz)
• Asse verticale: Frequenza di eccitazione o naturale (Hz o CPM)
• Linee di frequenza naturale: Mostra come le frequenze naturali del sistema cambiano con la velocità
• Linee di ordine di eccitazione: Linee diagonali per 1X, 2X, 3X e altre sorgenti di eccitazione

Caratteristiche aggiuntive

• Punti di intersezione evidenziati: Velocità critiche chiaramente contrassegnate con simboli o annotazioni
• Zone con velocità vietata: Bande ombreggiate attorno a ciascuna velocità critica che mostrano gli intervalli da evitare
• Gamma di velocità operativa: Chiaramente indicato, spesso come una banda verticale o una regione evidenziata
• Zone di attraversamento rapido: Intervalli di velocità da attraversare rapidamente durante l'avvio/arresto
• Fonti di eccitazione multiple: Linee per la frequenza di passaggio delle pale, la frequenza di accoppiamento degli ingranaggi, le frequenze dei difetti dei cuscinetti

Tipi di interferenze

Un diagramma di interferenza può identificare vari tipi di interazioni problematiche:

1. Interferenza sincrona (1X)

Il tipo più comune, in cui le forze di squilibrio una volta per rivoluzione coincidono con una frequenza naturale. Questo è il classico velocità critica condizione.

2. Interferenza armonica (2X, 3X, ecc.)

Anche le armoniche superiori della velocità di rotazione possono eccitare risonanze. Tra le fonti più comuni vi sono:

• 2X: Da disallineamento, allentamento meccanico o rigidità asimmetrica
• 3X, 4X: Dai contatti dei denti degli ingranaggi, dai cuscinetti multilobo o dalle asimmetrie strutturali

3. Interferenza di passaggio lama/paletta

Per le turbomacchine, la frequenza di passaggio delle pale (numero di pale x giri/min) può eccitare modi strutturali. Il diagramma di interferenza mostra dove le linee di frequenza di passaggio delle pale intersecano le frequenze naturali.

4. Interferenza sub-sincrona

Fenomeni come il vortice del petrolio (tipicamente a 0,43X-0,48X) possono creare interferenze sub-sincrone che devono essere identificate e gestite.

5. Interferenza della frequenza di battimento

Nei sistemi accoppiati o nei sistemi con più elementi rotanti, le frequenze di battimento derivanti da lievi differenze di velocità possono creare interferenze.

Utilizzo pratico nella progettazione delle macchine

Applicazioni in fase di progettazione

1. Evitare la velocità critica: Assicurarsi che l'intervallo di velocità operativa non si sovrapponga alle zone di interferenza
2. Verifica del margine di separazione: Confermare margini adeguati (in genere da ±15% a ±30%) attorno a tutte le velocità critiche
3. Gestione della sorgente di eccitazione: Se non è possibile evitare un'interferenza, ridurre l'ampiezza della sorgente di eccitazione (migliorare l'equilibrio, ridurre il disallineamento, ecc.)
4. Requisiti di smorzamento: Identificare dove è stato migliorato smorzamento è necessario per controllare la vibrazione risonante

Modifiche e risoluzione dei problemi

Quando i macchinari esistenti presentano problemi di vibrazioni, i diagrammi di interferenza possono essere d'aiuto:

• Identificare se il problema è dovuto al funzionamento troppo vicino a una velocità critica
• Valutare le modifiche proposte (cambiamenti dei cuscinetti, massa aggiunta, modifiche della rigidità)
• Prevedere gli effetti delle variazioni di velocità o del funzionamento a velocità variabile
• Determinare se il problema deriva da una fonte di eccitazione inaspettata

Istituzione di zone con velocità vietata

Una caratteristica fondamentale dei diagrammi di interferenza è la definizione delle zone a velocità limitata o vietata:

Determinazione della larghezza della zona

La larghezza di ciascuna zona vietata dipende da diversi fattori:

• Smorzamento del sistema: Un basso smorzamento richiede zone più ampie; un alto smorzamento consente zone più strette
• Ampiezza di eccitazione: Le forti fonti di eccitazione richiedono zone di evitamento più ampie
• Conseguenze operative: Le apparecchiature critiche potrebbero richiedere zone più conservative (più ampie)
• Valori tipici: ±15% per sistemi ben smorzati, ±20-30% per sistemi scarsamente smorzati

Procedure operative

Sulla base del diagramma di interferenza vengono stabilite le procedure operative:

• Funzionamento continuo consentito: Intervalli di velocità senza interferenze
• Traversata rapida richiesta: Zone vietate che devono essere attraversate rapidamente durante l'avvio/arresto
• Assolutamente vietato: Zone di risonanza grave in cui l'operazione non è mai consentita

Esempio: diagramma di interferenza della turbina

Consideriamo una turbina a vapore con le seguenti caratteristiche:

• Velocità operativa: 3000 giri/min (50 Hz)
• Prima velocità critica: 2400 giri/min (40 Hz)
• Seconda velocità critica: 4200 giri/min (70 Hz)
• Numero di lame: 60
• Frequenza di passaggio della lama a 3000 giri/min: 60 × 50 Hz = 3000 Hz

Il diagramma di interferenza mostra:

• 1X La linea attraversa la prima frequenza naturale: Velocità critica a 2400 giri/min - Zona proibita: 2040-2760 giri/min (±15%)
• La linea 1X attraversa la seconda frequenza naturale: Velocità critica a 4200 giri/min: non è un problema poiché la velocità operativa è ben al di sotto
• Velocità di funzionamento (3000 giri/min): In sicurezza tra due velocità critiche con buoni margini di separazione
• Frequenza di passaggio della lama: A 3000 Hz, nessuna interferenza con le modalità strutturali nell'intervallo operativo

Guida operativa:

• Durante l'avvio, accelera attraverso l'intervallo 2040-2760 giri/min in meno di 30 secondi
• È accettabile un funzionamento continuo tra 2800-3200 giri/min
• Non tentare di far funzionare il motore ininterrottamente tra 2040-2760 giri/min.

Considerazioni avanzate

Effetti della temperatura

Alcuni diagrammi di interferenza includono curve multiple che mostrano come le frequenze naturali variano al variare della temperatura (l'aumento termico influisce sulla rigidità e sulle caratteristiche dei cuscinetti). Le velocità critiche possono variare con il riscaldamento della macchina.

Effetti del carico

Per i macchinari in cui il carico di processo influisce in modo significativo sulla rigidità dei cuscinetti o sulla flessione del rotore, i diagrammi di interferenza possono mostrare famiglie di curve per diverse condizioni di carico.

Sistemi accoppiati

Quando vengono accoppiati più rotori (gruppi motore-pompa, gruppi turbina-generatore), il diagramma di interferenza deve tenere conto delle modalità torsionali e laterali accoppiate che possono creare velocità critiche aggiuntive.

Creazione di un diagramma di interferenza

Dai modelli analitici

1. Sviluppare un modello ad elementi finiti del sistema rotore-cuscinetto
2. Calcola le frequenze naturali a più velocità
3. Tracciare le curve di frequenza naturale in funzione della velocità
4. Sovrapposizione delle linee di ordine di eccitazione (1X, 2X, passaggio della pala, ecc.)
5. Segnare i punti di intersezione e stabilire le zone vietate
6. Annotare con intervallo di velocità operativa e procedure

Da dati sperimentali

1. Eseguire test di avviamento e di coastdown con monitoraggio delle vibrazioni
2. Generare grafici a cascata o diagrammi di Bode
3. Identificare le posizioni di velocità critiche dai picchi di ampiezza e dagli sfasamenti
4. Creare un diagramma di interferenza che contrassegni le velocità critiche osservate
5. Stabilire zone proibite empiriche in base ai livelli di vibrazione misurati

Vantaggi per le operazioni e la manutenzione

I diagrammi di interferenza forniscono indicazioni preziose per gli operatori delle macchine e il personale addetto alla manutenzione:

• Limiti operativi chiari: Indicazione visiva degli intervalli di velocità sicuri e non sicuri
• Procedure di avvio/arresto: Identifica le velocità per attraversare rapidamente
• Funzionamento a velocità variabile: Definisce intervalli di velocità accettabili per azionamenti a velocità variabile
• Strumento di risoluzione dei problemi: Aiuta a diagnosticare se i problemi di vibrazione sono correlati alla velocità
• Pianificazione delle modifiche: Mostra l'impatto delle modifiche proposte prima dell'implementazione
• Ausilio alla formazione: Strumento didattico per comprendere il comportamento dinamico delle macchine

Per i macchinari rotanti critici, il diagramma di interferenza è un documento essenziale che deve essere a disposizione degli operatori, dei tecnici della manutenzione e del personale tecnico, per garantire che tutti comprendano le caratteristiche dinamiche della macchina e la utilizzino entro intervalli di velocità sicuri.

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