Comprensione del grafico dell'orbita dell'albero nell'analisi delle vibrazioni
A orbita dell'albero è un grafico che mostra il percorso tracciato dal centro geometrico dell'albero rotante durante una o più rivoluzioni. È una vista bidimensionale del moto dell'albero all'interno del suo gioco del cuscinetto, come se si guardasse direttamente lungo l'asse dell'albero. Questa potente tecnica diagnostica viene realizzata montando una coppia di sonde di prossimità a 90 gradi l'uno dall'altro — tipicamente in configurazione X-Y — e tracciando i rispettivi segnali di spostamento simultanei l'uno rispetto all'altro anziché rispetto al tempo.
1. Perché il diagramma orbitale è così utile
Uno standard forma d'onda temporale o Spettro FFT mostra vibrazione in un'unica direzione. Il diagramma orbitale combina due direzioni perpendicolari per fornire un quadro completo del moto dinamico dell'albero, consentendo agli analisti di visualizzare la forma e la direzione effettive del movimento anziché doverle dedurre. Questa dimensione aggiuntiva fornisce indizi preziosi per diagnosticare un'ampia gamma di guasti, motivo per cui l'orbita è un elemento fondamentale della rotore-dinamico analisi — in particolare per macchinari critici ad alta velocità dotati di cuscinetti radenti, come turbine, compressori e grandi generatori.
Poiché le sonde misurano lo spostamento direttamente rispetto al cuscinetto, il diagramma orbitale rivela anche dove si trova l'albero all'interno del suo gioco, non solo di quanto si sposta — un'informazione che un accelerometro semplicemente non può fornire. Aggiungendo un tachimetro o Keyphasor contrassegno imprime ogni rivoluzione sull'orbita, fissandone fase e rendendo inequivocabile la direzione di precessione.
2. Come interpretare le forme dell'orbita
La forma, le dimensioni e l'orientamento dell'orbita sono indicatori diretti delle forze che agiscono sul rotore. Un analista esperto può diagnosticare le condizioni di una macchina semplicemente osservando la forma dell'orbita.
Orbita circolare o ellittica
Un'orbita semplice circolare o ellittica, centrata nel cuscinetto, indica tipicamente un rotore dal comportamento regolare dominato da una singola frequenza — nella maggior parte dei casi squilibrio. L'orbita sarà circolare se la rigidità del supporto del cuscinetto è uguale in entrambe le direzioni (isotropa) ed ellittica se la rigidità differisce in direzione orizzontale e verticale (anisotropa), condizione molto comune in pratica poiché la maggior parte delle macchine è più rigida verticalmente che orizzontalmente.
Orbita distorta, a forma di 8 o a forma di banana
Quando l'orbita è deformata rispetto a una semplice ellisse, più frequenze stanno influenzando il moto dell'albero:
- A orbita a “banana” o a forma di mezzaluna è spesso associata a disallineamento, in cui sono presenti sia la frequenza 1× che la 2×.
- A forma a 8 è un segnale classico di una forte componente 2×, indicatore tipico di disallineamento dell'albero. Un otto con un cappio interno suggerisce spesso una condizione più grave o la presenza di uno sfregamento.
Orbite con pieghe o angoli acuti
Bruschi cambiamenti di direzione, punti piatti o “pieghe” nell'orbita sono una forte prova di un sfregamento rotore-statore. Mostrano che il moto dell'albero viene momentaneamente vincolato mentre entra in contatto con un componente fisso come un cuscinetto, un sigillo, o il carter della macchina.
Orbite altamente irregolari
Un'orbita erratica, instabile, o che appare riempita di “rumore” può segnalare gravi problemi meccanici allentamento, instabilità indotta da fluido come vortice d'olio o whip, o condizioni di flusso turbolento in una pompa o in un compressore.
3. Direzione di precessione: diretta e retrograda
La direzione in cui viene tracciata l'orbita, rispetto alla direzione di rotazione dell'albero, è di per sé un fattore diagnostico fondamentale:
- Precessione in avanti: l'orbita viene tracciata nella stessa direzione della rotazione dell'albero. Questo è il comportamento normale per forze come lo squilibrio.
- Precessione inversa: l'orbita viene tracciata in senso opposto alla rotazione dell'albero. Si tratta di una condizione anomala e può indicare un cricca dell'albero, uno sfregamento grave o alcuni tipi di instabilità indotta da fluido.
Per distinguere le due condizioni è necessario il contrassegno di fase a ogni rivoluzione; senza di esso l'orbita mostra la forma ma non il senso in cui viene percorsa, e la distinzione diagnostica va perduta.
4. L'orbita nella diagnostica in campo
Le sonde di prossimità installate in modo permanente collegate a un sistema di monitoraggio rappresentano il metodo classico per acquisire un'orbita sulle macchine critiche di grandi dimensioni, ma il principio sottostante — due segnali di spostamento perpendicolari tracciati l'uno rispetto all'altro con un riferimento di fase — è ugualmente disponibile per il tecnico in campo. Uno strumento portatile a due canali come il Balanset-1A misura ampiezza sincrona e fase su due piani contemporaneamente, così una volta che un orbita o uno spettro ha confermato che squilibrio è la forza dominante, la stessa configurazione porta direttamente al bilanciamento in situ e alla verifica dello stato corretto. Quando l'orbita rivela invece un disallineamento, un'attrito o un'instabilità, tale riscontro reindirizza il lavoro verso il riallineamento o una correzione meccanica piuttosto che verso la bilanciatura.
Orbita di spostamento e orbita di velocità
Le due non sono la stessa misura, e la differenza decide cosa si può legittimamente concludere dall'immagine. Una coppia di sonde di prossimità legge l'albero spostamento rispetto al cuscinetto, così il grafico è una mappa fedele di dove si trova il perno all’interno del proprio gioco, e la parte DC dello stesso segnale fornisce la linea di centro dell'albero. Un analizzatore portatile a due canali con accelerometri fissati agli alloggiamenti dei cuscinetti traccia due velocità canali l'uno rispetto all'altro, in mm/s: ciò che si vede è il moto dell'alloggiamento, non la posizione dell'albero.
Ciò che sopravvive al cambio del trasduttore è la geometria. Forma, orientamento e direzione di precessione sono determinati dal profilo delle forze che agiscono sul rotore, non dal sensore, così le famiglie note continuano ad apparire — un’ellisse regolare quando domina 1×, una mezzaluna o un 8 quando è presente una forte componente 2×, lati appiattiti e kink quando qualcosa striscia. Ciò che non sopravvive è la posizione assoluta: un’orbita di velocità non può dire quanto gioco resta, né può essere riscalata in micrometri di movimento dell’albero. Usatela sul campo per identificare la famiglia del guasto; ricorrete a sonde di prossimità quando la domanda è dove si trova realmente l’albero.
Dove si trova l'orbita nel software Balanset
Sul Balanset-1A l’orbita è una scheda della finestra del vibrometro, che si apre con il tasto F5 dalla finestra principale; la finestra richiede firmware del dispositivo 5.5.0 o successivo. La scheda «X-Y Orbit» traccia il canale 1 su un asse rispetto al canale 2 sull’altro con una scala assi 1:1, così un cerchio sullo schermo è realmente un cerchio e non un artefatto dovuto ad assi disuguali. Sul Balanset-4A a quattro canali, una seconda orbita, per i canali 3 e 4, viene disegnata sotto la prima.
Un selettore sopra il grafico decide cosa viene disegnato:
| Modalità | Cosa viene tracciato | Quando è la vista giusta |
|---|---|---|
| Non sincronizzata | La traiettoria grezza, senza riferimento al giro | Non è disponibile un tachimetro, oppure si vuole vedere tutto ciò che il segnale contiene |
| Sincronizzata (grezza) | I giri più recenti sovrapposti, allineati al marcatore del tachimetro | Valutare la ripetibilità — una figura stabile e chiusa significa che il moto si ripete giro dopo giro |
| 1× | La sola componente rotazionale: un'ellisse pulita che corrisponde alle letture V·o e F | Confermare il vettore di squilibrio prima dell'equilibratura |
Senza un riferimento del tachimetro le due modalità sincronizzate non hanno nulla con cui sincronizzarsi, il programma lo indica nel titolo del grafico, e «Unsynced» diventa l’unica vista onesta. Questa è la forma pratica del punto illustrato nella sezione 3: senza riferimento una volta per giro non c’è direzione di precessione.
Leggere i numeri accanto all'orbita
I riquadri accanto al grafico riportano tre valori per piano di misura, e insieme sono il controllo di coerenza più rapido disponibile prima di iniziare a interpretare le forme:
- V·s — velocità RMS a banda larga sull’intera banda di lavoro, in mm/s.
- V·o — la sola componente 1×, alla frequenza di rotazione, in mm/s.
- F - il fase di quella componente 1×, in gradi.
La componente rotazionale fa parte del totale per costruzione, quindi V·o non può mai superare V·s, e il rapporto tra i due predice l’orbita ancora prima di osservarla. Quando V·o è vicino a V·s, quasi tutta l’energia è a 1×, l’orbita collassa in un’ellisse pulita, e squilibrio è la forza dominante. Quando V·o è nettamente più piccolo, la differenza è costituita da armoniche e rumore a banda larga — ed è esattamente quel residuo a piegare l’ellisse nelle mezzelune, negli 8 e nei kink descritti nella sezione 2. Un’orbita molto distorta riportata insieme a V·o ≈ V·s è una contraddizione, e la strumentazione è la prima cosa da controllare.
Sotto ogni piano si trova una barra di stabilità: grigia finché la lettura è ancora in deriva, verde non appena il coefficiente di variazione degli ultimi dodici valori del flusso scende sotto il 10 %, arancione quando la dispersione supera il 20 %. Un’orbita catturata mentre quella barra è arancione non è una diagnosi: è la fotografia di una macchina che non si è ancora stabilizzata.
Confermare la forma con lo spettro
L’orbita dice che qualcosa sta distorcendo l’ellisse; lo spettro dice quale ordine ne è responsabile. La scheda «Wave Spectrum» della stessa finestra mostra la forma d’onda sopra e lo spettro di velocità sotto, con guide tratteggiate poste esattamente ai multipli della velocità di rotazione misurata anziché sulla barra più alta più vicina — così un picco che non coincide con il proprio marcatore non è affatto un’armonica della velocità dell’albero e appartiene piuttosto a cuscinetti, ingranaggi o passaggio pale. Un 2× dominante accanto a un’orbita a mezzaluna o a 8 indica una disallineamento; un picco tra 0,43× e 0,48× sotto un’orbita instabile e alla deriva è la firma di vortice d'olio; un contenuto a banda larga con i lati dell’orbita appiattiti indica una usura per contatto (rub).
Il selettore sotto il grafico commuta lo spettro tra velocità e accelerazione. La velocità è l’asse da usare quando si ragiona sull’orbita, perché l’orbita stessa è disegnata a partire dai canali di velocità.
Osservare l'orbita attraverso una risonanza
Un’orbita è un’istantanea a una sola velocità, e la forma può cambiare completamente a poche centinaia di RPM di distanza. La scheda «Run-down» registra invece l’intera fase di rallentamento: ampiezza e fase 1× vengono registrate rispetto alla velocità decrescente, un valore grezzo per giro senza alcun livellamento, fino a una soglia di arresto impostabile tra 100 e 2000 RPM, con 300 come valore predefinito. Una risonanza si annuncia come un picco di ampiezza accompagnato da una rotazione di fase di circa 180° — la stessa velocità critica che un diagramma di Campbell predice dove una riga di eccitazione incrocia una curva di frequenza naturale. Il report completo di rallentamento conserva l’orbita X-Y catturata alla velocità di lavoro accanto a quelle curve, così la forma e la mappa delle risonanze finiscono in un unico documento.
5. Cosa mostra un diagramma dell'orbita
In sintesi, un singolo diagramma dell'orbita fornisce a colpo d'occhio una ricchezza di informazioni:
- L'ampiezza complessiva della vibrazione dell'albero.
- La forma del movimento dell'albero, che aiuta a identificare il tipo di guasto.
- La direzione della precessione, diretta o inversa.
- La posizione media dell'albero nel gioco del cuscinetto — il suo linea di centro dell'albero.
Analizzata congiuntamente allo spettro FFT e alla forma d'onda temporale, l'orbita consente a un analista di raggiungere una altamente affidabile e dettagliata diagnosi del comportamento dinamico di una macchina — combinando il “quanto,” la “forma,” e la “direzione” in un quadro decisivo.
