Comprensione dello sfregamento nei macchinari rotanti
Sfregamento è il contatto di attrito e il movimento di scorrimento relativo tra i componenti rotanti e quelli fissi di una macchina. Il termine sottolinea l'aspetto dell'attrito continuo contatto rotore-statore, distinguendosi dal contatto leggero e intermittente o dai singoli urti che possono anch’essi verificarsi. Lo sfregamento genera forze di attrito, sprigiona una notevole quantità di calore attraverso il lavoro di attrito e produce un caratteristico vibrazione firma caratterizzata da una precessione retrograda, sub-sincrono componenti ed effetti termici. Si tratta di uno dei guasti più pericolosi che possano verificarsi in una macchina rotante, poiché può degenerare in un guasto totale nel giro di pochi minuti.
I termini «sfregamento» e «sfregamento del rotore» vengono spesso utilizzati in modo intercambiabile. In pratica, il termine «sfregamento» tende a sottolineare l'aspetto dell'attrito e quello termico del contatto, mentre «sfregamento del rotore» è un concetto più ampio che comprende ogni forma di contatto, dai lievi sfregamenti agli urti violenti.
1. La meccanica dell'attrito nello sfregamento
Modello di attrito di Coulomb
Lo sfregamento obbedisce ai principi dell'attrito secco (di Coulomb):
- Forza d'attrito: F = μ × N, dove μ è il coefficiente di attrito e N è la forza normale che spinge le superfici l'una contro l'altra.
- Direzione: la forza di attrito si oppone sempre al movimento relativo tra le superfici a contatto.
- Coefficienti tipici: acciaio su acciaio μ ≈ 0,3–0,5; acciaio su materiale di tenuta μ ≈ 0,2–0,4.
- Generazione di calore: praticamente tutto il lavoro di attrito viene convertito in calore nel punto di contatto.
Forze tangenziali e normali
Durante il contatto, sul rotore agiscono due componenti di forza:
- Forza normale: spinge radialmente verso l'interno sul rotore nel punto di sfregamento.
- Forza d'attrito: agisce in modo tangenziale, contrastando la rotazione.
- Forza risultante: questa combinazione tende a rallentare il rotore e a deviarlo all'indietro, in senso contrario alla direzione di rotazione.
- Aumento della coppia: L'attrito dissipa potenza, aumentando la coppia motrice che la macchina deve fornire.
2. Schemi caratteristici di vibrazione
Vortice all'indietro
La caratteristica più distintiva dello sfregamento è il movimento all'indietro (in senso inverso) precessione:
- La forza di attrito genera una componente tangenziale che spinge il moto orbitale all'indietro.
- The shaft orbita tracce in senso opposto rispetto alla direzione di rotazione dell'albero.
- La frequenza di precessione è in genere sub-sincrona, ovvero inferiore a 1× la velocità di marcia.
- Si riscontrano spesso frequenze frazionarie: 0,5×, 0,33×, 0,25×.
- La forma dell'orbita è spesso irregolare o visibilmente deformata.
Caratteristiche dello spettro
- Picchi subsincroni: picchi multipli inferiori a 1×, spesso a frequenze armoniche frazionarie.
- Componente sincrona: l'1× sincrono Il picco potrebbe aumentare con l'aggiunta delle forze di attrito.
- Armoniche superiori: 2×, 3×, 4× armoniche derivano dalla non linearità dell'attrito intermittente.
- Rumore di banda larga: il rumore di fondo su tutta la spettro lifts.
- Spettro instabile: i picchi vanno e vengono oppure cambiano frequenza da una misurazione all'altra.
Caratteristiche della forma d'onda temporale
- Eventi impulsivi o picchi ogni volta che si avvia un contatto, visibili nel forma d'onda temporale.
- Clipping o appiattimento nei punti di massima deflessione, dove lo statore limita fisicamente la corsa.
- Una forma complessiva irregolare e non sinusoidale.
- Battimenti generati dalla coesistenza di diverse frequenze.
3. Effetti termici dello sfregamento
Generazione di calore
L'attrito trasforma direttamente l'energia meccanica in calore:
- Valutare: la potenza dissipata è pari alla forza di attrito moltiplicata per la velocità di scorrimento.
- Magnitudo: Un leggero sfregamento può generare 10–100 watt; uno sfregamento energico, kilowatt.
- Concentrazione: il calore viene convogliato in un'area di contatto molto ridotta.
- Aumento della temperatura: In casi estremi, le temperature superficiali locali possono superare i 500 °C.
Sviluppo dell'arco termico
Il pericolo dello sfregamento risiede in un circolo vizioso di calore e vibrazioni:
- Il primo sfregamento genera calore su un lato dell'albero.
- Il riscaldamento asimmetrico fa piegare l'albero in una flessione termica.
- L'arco termico aumenta la deflessione dell'albero.
- Una maggiore deflessione provoca uno sfregamento più intenso.
- Un maggiore sfregamento genera ancora più calore.
- Questo feedback positivo può portare a un guasto rapido e incontrollabile.
Poiché ogni giro di questo ciclo intensifica quello successivo, lo sfregamento è considerato una forma di vibrazione autoeccitata e una via verso il guasto totale instabilità del rotore.
Effetti termici secondari
- Riscaldamento dei cuscinetti: il calore si propaga lungo l'albero fino ai cuscinetti.
- Degradazione dell'olio: temperature eccessive deteriorano il lubrificante.
- Alterazioni del materiale: Trasformazioni di fase o cambiamenti metallurgici nelle zone termicamente alterate
- Stress termico: può provocare la formazione di crepe nelle zone sottoposte a sollecitazioni termiche.
4. Individuazione degli sfregamenti sul campo
Monitoraggio delle vibrazioni
- Allarmi sub-sincroni: avviso in caso di picchi pari a 0,3–0,5 volte la velocità di rotazione.
- Monitoraggio dell'orbita: L'analisi automatica dell'orbita rileva la comparsa di una precessione retrograda.
- Cambiamenti spettrali: gli algoritmi rilevano la comparsa improvvisa di più armoniche.
- Distorsione della forma d'onda: rilevamento della distorsione non sinusoidale causata dal contatto.
Riconoscere questi andamenti è proprio il compito di un analizzatore portatile. Operando direttamente sui cuscinetti della macchina alla velocità di esercizio, uno strumento a due canali come il Balanset-1A rileva la forma d'onda nel tempo e l'ampiezza e la fase 1×, consentendo al tecnico di individuare il troncamento impulsivo e l'energia di ordine frazionario che caratterizzano un attrito, per poi verificare se vi sia uno squilibrio residuo o disallineamento è il fattore determinante prima di qualsiasi smontaggio.
Monitoraggio della temperatura
- Cuscinetto sensori di temperatura con allarmi a risposta rapida.
- Monitoraggio della temperatura a infrarossi delle sezioni esposte dell'albero
- Monitoraggio del differenziale di temperatura — parte superiore rispetto alla parte inferiore di un cuscinetto.
- Allarmi relativi alla velocità di variazione, ad esempio superiore a 5 °C al minuto.
Indicatori aggiuntivi
- Aumento della coppia: Il consumo energetico aumenta man mano che l'attrito grava sul motore.
- Variazioni di velocità: lievi variazioni di velocità dovute alle variazioni della coppia di attrito.
- Emissione acustica: suono ad alta frequenza proveniente dal punto di contatto, rilevabile tramite emissione acustica sensors.
- Ispezione visiva: tracce di usura, scolorimento e rigature visibili.
5. Come intervenire in caso di sfregamento
Azioni immediate
- Ridurre la gravità: ridurre la velocità o il carico, se è possibile farlo in sicurezza.
- Tenere sotto stretta osservazione: monitorare costantemente le vibrazioni e la temperatura.
- Prepararsi allo spegnimento: predisporre un piano di emergenza spegnimento ready.
- Arresto di emergenza: fare scattare l'arresto di protezione della macchina se le vibrazioni o la temperatura aumentano.
- Consentire il raffreddamento: prima di procedere all'ispezione, far funzionare il meccanismo di rotazione o attendere che si raffreddi naturalmente, in modo che l'incurvatura termica possa ridursi.
Indagine
- Verificare la presenza di segni fisici di contatto.
- Misurare gli spazi liberi nei punti in cui si sospetta che si verifichino sfregamenti.
- Verificare la presenza di freccia termica o deformazione permanente curvatura dell'albero.
- Individuare la causa principale: vibrazioni eccessive, gioco insufficiente e così via.
Azioni correttive
- Aumentare gli spazi liberi: rettificare le zone danneggiate o sostituire i componenti.
- Affrontare la causa alla radice: equilibrare il rotore, allineamento corretto, risolvere il problema del cuscinetto che ha consentito il contatto.
- Sostituire le parti danneggiate: guarnizioni, componenti dei cuscinetti e sezioni dell'albero, a seconda delle necessità.
- Verificare i giochi: Verificare che vi sia un gioco adeguato in ogni punto prima di riavviare.
Lo sfregamento è uno dei guasti più gravi legati alle vibrazioni nei macchinari rotanti. La sua capacità di aggravarsi rapidamente a causa dell'effetto termico richiede un riconoscimento immediato, un intervento tempestivo e rigoroso e una correzione completa, poiché, nel caso di apparecchiature critiche, l'alternativa è un guasto catastrofico.
