Comprensione delle vibrazioni radiali nelle macchine rotanti
Vibrazione radiale è il moto di un albero rotante perpendicolare al proprio asse di rotazione, che si irradia verso l'esterno dal centro come i raggi di una ruota. La parola “radiale” indica qualsiasi direzione che si allontana dalla linea centrale dell'albero, abbracciando quindi sia il movimento orizzontale (da un lato all'altro) sia quello verticale (su e giù). È la stessa grandezza che gli ingegneri chiamano vibrazione laterale o vibrazione trasversale, ed è di gran lunga la forma di vibrazione nei macchinari rotativi più comunemente misurata e monitorata nel tempo — il primo valore che un tecnico di affidabilità esamina, e quello attorno al quale sono scritte la maggior parte delle norme internazionali. In pratica viene misurata in due direzioni perpendicolari per ciascun cuscinetto, in modo da poter ricostruire il percorso completo dell'albero nello spazio.
1. Definizione e direzioni di misura
Poiché un albero può muoversi in qualsiasi direzione nel piano perpendicolare al proprio asse, un singolo sensore non fornisce mai un quadro completo. Due sonde montate a 90° l'una dall'altra su ciascun cuscinetto catturano l'immagine radiale completa; le loro letture vengono generalmente riportate sia separatamente che in forma combinata.
Vibrazione radiale orizzontale
La vibrazione orizzontale è il movimento laterale dell'albero:
- Perpendicolare all'asse dell'albero e parallela al pavimento.
- Spesso il punto di misura più accessibile su una macchina orizzontale.
- Riflette la gravità, l'asimmetria della rigidità della fondazione e le funzioni di forzamento orizzontale.
- L'orientamento di misura standard per la maggior parte dei programmi di monitoraggio di routine.
Vibrazione radiale verticale
La vibrazione verticale è il movimento su e giù dell'albero:
- Perpendicolare all'asse dell'albero e perpendicolare al pavimento.
- Direttamente influenzata dalla gravità e dal peso statico del rotore.
- Frequentemente maggiore in ampiezza rispetto a quella orizzontale, poiché il peso del rotore crea una rigidità di supporto asimmetrica.
- Critica per la diagnosi di macchine ad orientamento verticale, come pompe e motori verticali, nei quali “orizzontale” e “verticale” perdono il loro significato consueto e i due assi radiali sono semplicemente ortogonali.
Vibrazione radiale complessiva
Il moto radiale totale è la somma vettoriale delle due componenti misurate:
Totale radiale = √(Orizzontale² + Verticale²)
- Rappresenta la vera entità del moto indipendentemente dalla direzione.
- Utile per valutazioni di severità a valore singolo e per l'impostazione delle soglie di allarme.
- Poiché i due assi raramente raggiungono il picco nello stesso istante, l'orbita tracciata dall'albero è di solito un'ellisse anziché un cerchio — un fatto che diventa importante nell'analisi dell'orbita.
2. Cause principali della vibrazione radiale
La vibrazione radiale è prodotta da qualsiasi forza agente perpendicolarmente all'asse dell'albero. L'individuazione della frequenza dominante è il cuore della diagnosi, poiché ogni difetto lascia una firma caratteristica.
1. Squilibrio (la causa dominante)
Sbilanciare è la fonte singola più comune di vibrazione radiale nelle macchine rotanti:
- It creates a forza centrifuga che ruota con l'albero, manifestandosi a velocità di rotazione (1X).
- La forza aumenta con la massa dello squilibrio, il suo raggio e — in modo determinante — con il quadrato della velocità, quindi un piccolo punto pesante diventa un problema serio con l'aumentare dei giri.
- Produce un'orbita prevalentemente circolare o ellittica orbita dell'albero.
- È correggibile tramite bilanciamento, l'unico tra questi difetti che di solito può essere corretto senza sostituire componenti.
2. Disallineamento
Disallineamento dell'albero tra macchine accoppiate genera sia vibrazioni radiali che vibrazione assiale:
- Si manifesta prevalentemente come vibrazione radiale a 2X (due volte per giro).
- Genera inoltre componenti a 1X, 3X e ordini superiori armoniche.
- Una forte vibrazione assiale che accompagna il segnale radiale è un indizio significativo.
- Il fase la relazione tra i due cuscinetti indica se il disallineamento è angolare, parallelo (offset) o entrambi.
3. Difetti meccanici
Diversi problemi meccanici producono schemi radiali caratteristici:
- Difetti dei cuscinetti: impatti ad alta frequenza al frequenze di guasto dei cuscinetti.
- Albero curvo o inclinato: vibrazione a 1X che assomiglia allo squilibrio ma è presente anche a bassa velocità di rotazione — vedere arco dell'asta.
- Scioltezza: armoniche multiple (1X, 2X, 3X e oltre) con comportamento non lineare, spesso direzionale.
- Crepe: vibrazione a 1X e 2X che cambia durante l'avviamento e l'arresto — caratteristica di un rotore incrinato.
- Strofinamenti: una combinazione di componenti sub-sincrone e sincrone, caratteristica di sfregamento del rotore.
4. Forze aerodinamiche e idrauliche
Le forze di processo all'interno di pompe, ventilatori e compressori esercitano una propria forzatura radiale:
- Frequenza di passaggio delle pale (numero di pale × giri/min).
- Squilibrio idraulico dovuto a un flusso asimmetrico.
- Distacco di vortici e turbolenza del flusso.
- Ricircolazione e funzionamento fuori dalle condizioni di progetto, incluso cavitazione in pumps.
5. Condizioni di risonanza
Quando la macchina opera in prossimità di una velocità critica, la vibrazione radiale si amplifica notevolmente:
- Una frequenza naturale coincide con una frequenza di forzatura: la condizione classica per la risonanza.
- L'ampiezza è quindi limitata soltanto dallo smorzamento del sistema’s smorzamento.
- I livelli possono raggiungere valori catastrofici in una banda di velocità molto ristretta.
- Il progetto richiede pertanto adeguati margini di separazione tra la velocità operativa e le velocità critiche.
3. Standard di misura e parametri
Unità di misura
La vibrazione radiale può essere espressa in tre parametri correlati, ciascuno adatto a un diverso intervallo di frequenze:
- Spostamento: la distanza effettivamente percorsa (micrometri µm, o mils). Utilizzata per macchinari a bassa velocità e sonda di prossimità misurazioni sull'albero.
- Velocità: il tasso di variazione dello spostamento (mm/s, in/s). Il parametro più comune per i macchinari industriali generali e la base degli standard ISO di severità vibrazionale.
- Accelerazione: il tasso di variazione della velocità (m/s², g). Utilizzato per applicazioni ad alta frequenza, come il rilevamento di difetti ai cuscinetti.
La scelta è rilevante perché lo stesso moto fisico può apparire trascurabile in un'unità e allarmante in un'altra — la velocità tende ad appiattire lo spettro nella banda di frequenza media dove risiedono la maggior parte dei guasti delle macchine rotanti, ed è esattamente per questo che è alla base dei limiti ISO.
Standard internazionali
Il ISO 20816 la serie fornisce i limiti di severità per la vibrazione radiale. (Sostituisce la precedente famiglia ISO 10816 e la precedente ISO 2372; citare ISO 20816 come riferimento autorevole.)
- Norma ISO 20816-1: linee guida generali per la valutazione delle vibrazioni dei macchinari.
- ISO 20816-3: criteri specifici per macchine industriali con potenza superiore a 15 kW.
- Zone di severità: A (buono), B (accettabile), C (insoddisfacente), D (inaccettabile)
- Punto di misura: tipicamente sulle sedi dei cuscinetti nelle direzioni radiali.
Standard specifici del settore
- API 610: limiti di vibrazione radiale per pompe centrifughe.
- API 617: criteri di vibrazione per compressori centrifughi.
- API 684: procedure di analisi della dinamica del rotore per la previsione della vibrazione radiale.
- NEMA MG-1: limiti di vibrazione per motori elettrici.
4. Tecniche di monitoraggio e diagnostica
Monitoraggio di routine
I programmi standard monitorano la vibrazione radiale secondo una pianificazione:
- Raccolta a percorso predefinito: letture periodiche a intervalli fissi (mensili, trimestrali).
- Monitoraggio del livello complessivo: osservazione dell'aumento progressivo dell'ampiezza totale nel tempo.
- Alarm limits: definite in base agli standard ISO o a specifiche del costruttore.
- Confronto: current versus linea di base, e orizzontale rispetto a verticale.
Analisi avanzata
Quando si sospetta un problema, strumenti più approfonditi ne rivelano la natura:
- Analisi FFT: a frequency spettro separazione della vibrazione nelle sue componenti.
- Forma d'onda temporale: il segnale grezzo nel tempo, che evidenzia transienti e modulazioni.
- Analisi di fase: le relazioni di fase tra i punti di misura.
- Analisi dell'orbita: il percorso della linea d'asse dell'albero che si correla direttamente alle misurazioni radiali.
- Analisi dell'inviluppo: demodulazione ad alta frequenza per il rilevamento precoce di difetti dei cuscinetti.
Monitoraggio continuo
Le apparecchiature critiche sono generalmente monitorate in modo permanente:
- Sonde di prossimità per la misurazione diretta del moto dell'albero.
- Montato in modo permanente accelerometri sui supporti dei cuscinetti.
- Monitoraggio in tempo reale e sistema di allarme.
- Integrazione con sistemi automatici protezione dei macchinari sistemi.
5. Differenze tra direzione orizzontale e verticale
Relazioni di ampiezza tipiche
Su molte macchine la lettura verticale supera quella orizzontale:
- Effetto della gravità: il peso del rotore genera una deflessione statica che irrigidisce la direzione verticale.
- Rigidità asimmetrica: le fondazioni e le strutture di supporto sono spesso più rigide in direzione orizzontale.
- Rapporto tipico: una vibrazione verticale pari a 1,5–2 volte il valore orizzontale è comune.
- Effetto delle masse di correzione: le masse di correzione applicate nella parte inferiore di un rotore (il punto di accesso più agevole) tendono a ridurre preferenzialmente la vibrazione verticale.
Differenze diagnostiche
- Sbilanciare: può manifestarsi con maggiore intensità in una direzione, a seconda della posizione dello squilibrio.
- Scioltezza: spesso evidenzia la propria non-linearità in modo più evidente nella direzione verticale.
- Problemi relativi alla fondazione: La vibrazione verticale è più sensibile al deterioramento delle fondazioni.
- Disallineamento: può manifestarsi in modo diverso nelle misurazioni orizzontali rispetto a quelle verticali a seconda del tipo di disallineamento.
6. Relazione con la dinamica del rotore
La vibrazione radiale si colloca al centro dell' dinamica del rotore analisi, perché il comportamento di flessione radiale dell'albero determina come — e dove — esso manifesterà anomalie.
Velocità critiche
- Le frequenze naturali radiali definiscono le velocità critiche.
- La prima velocità critica corrisponde tipicamente al primo modo di flessione radiale.
- Diagrammi di Campbell prevedere il comportamento radiale in funzione della velocità.
- I margini di separazione dalle velocità critiche mantengono sotto controllo la vibrazione radiale.
Forme modali
- Ogni modo radiale ha una forma caratteristica forma di deflessione.
- Primo modo: un semplice arco.
- Secondo modo: una curva a S con un punto di nodo.
- Modi superiori: schemi progressivamente più complessi.
Considerazioni di bilanciamento
- La bilanciatura mira alla riduzione della vibrazione radiale alla frequenza 1X.
- Coefficienti di influenza correlare ogni massa di correzione alla variazione risultante nella vibrazione radiale.
- The best correction-plane le posizioni derivano dalle forme modali radiali.
7. Correzione, controllo e pratica sul campo
Per squilibrio
- Bilanciamento in situ utilizzando un analizzatore portatile. Uno strumento a due canali come il Bilanciamento-1a misura l'ampiezza e la fase radiale 1X a ciascun cuscinetto, calcola i coefficienti di influenza e consente a un tecnico di bilanciare il rotore nei propri cuscinetti alla velocità operativa — senza smontaggio e senza macchina equilibratrice. Per convertire un livello misurato in una massa correttiva è possibile utilizzare anche il calcolatore del peso di prova.
- Piano singolo o bilanciamento a due piani procedure, scelte in base alla geometria del rotore.
- Bilanciatura di precisione in officina su un macchina equilibratrice per i componenti più critici.
Per problemi meccanici
- Allineamento di precisione per correggere il disallineamento.
- Sostituzione dei cuscinetti in caso di difetti ai cuscinetti.
- Serraggio dei componenti allentati.
- Riparazioni delle fondamenta in caso di problemi strutturali.
- Raddrizzamento o sostituzione dell'albero in caso di alberi piegati.
Per problemi di risonanza
- Modifiche della velocità per evitare le gamme di velocità critica.
- Modifiche della rigidità (diametro dell'albero, modifiche della posizione dei cuscinetti)
- Miglioramenti dell'ammortizzamento, come smorzatori a film fluido o una revisione della selezione dei cuscinetti.
- Modifiche di massa per allontanare le frequenze naturali dalla velocità di esercizio.
8. Importanza nella manutenzione predittiva
Il monitoraggio delle vibrazioni radiali è il pilastro della manutenzione predittiva:
- Rilevamento tempestivo dei guasti: Le variazioni nelle vibrazioni radiali precedono i guasti di settimane o mesi
- Tendenze: gli aumenti graduali segnalano un problema in fase di sviluppo.
- Diagnosi dei guasti: il contenuto in frequenza identifica il tipo specifico di guasto.
- Valutazione della gravità: l'ampiezza indica quanto sia grave e urgente il problema.
- Pianificazione della manutenzione: il lavoro è guidato dalle condizioni reali piuttosto che dal calendario.
- Cost savings: i guasti catastrofici vengono evitati e gli intervalli di manutenzione ottimizzati.
Come misurazione primaria delle vibrazioni sulle macchine rotanti, la vibrazione radiale fornisce l'evidenza essenziale dello stato dell'apparecchiatura — rendendola indispensabile per un funzionamento affidabile, sicuro ed efficiente delle apparecchiature industriali rotanti.
