Comprensione delle crepe degli alberi nei macchinari rotanti

Dispositivi

Equilibratore portatile e analizzatore di vibrazioni Balanset-1A

$2,358.31

Parti di ricambio

Sensore di vibrazioni

$107.47

Parti di ricambio

Sensore ottico (tachimetro laser)

$148.07

Dispositivi

Balanset-4

$8,123.32

Parti di ricambio

Standard magnetico Insize-60-kgf

$54.93

Parti di ricambio

Nastro riflettente

$11.94

Dispositivi

Bilanciatore dinamico "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definizione: Che cos'è una crepa nell'albero?

A crepa dell'albero è una frattura o discontinuità in un albero rotante che si sviluppa a causa di fatica, concentrazione di sollecitazioni o difetti del materiale. Le cricche tipicamente si originano in superficie e si propagano verso l'interno perpendicolarmente alla direzione di massima sollecitazione di trazione. Nelle macchine rotanti, le cricche dell'albero sono estremamente pericolose perché possono progredire da un piccolo difetto impercettibile a una frattura completa dell'albero nel giro di poche ore o giorni, causando potenzialmente guasti catastrofici all'apparecchiatura.

Le crepe dell'albero producono caratteristiche distintive vibrazione firme, in particolare una caratteristica componente 2× (due volte per rivoluzione) che appare quando si sviluppa la crepa. Rilevamento precoce attraverso analisi delle vibrazioni è fondamentale per prevenire il completo cedimento dell'albero e i rischi per la sicurezza ad esso associati.

Cause comuni di crepe nell'albero

1. Fatica da sollecitazioni cicliche

La causa più comune, in particolare nei macchinari rotanti:

• Fatica da flessione: L'albero rotante con rigidità o carichi irregolari crea sollecitazioni di flessione cicliche
• Fatica torsionale: Coppia oscillante negli alberi di trasmissione di potenza
• Affaticamento ad alto ciclo: Milioni di cicli di stress si accumulano nel corso degli anni di funzionamento
• Concentrazione dello stress: Le sedi per chiavette, i fori, i raccordi e le discontinuità geometriche concentrano lo stress

2. Condizioni operative

• Eccessivo Sbilanciare: Le elevate forze centrifughe creano stress di flessione
• Disallineamento: I momenti flettenti dovuti al disallineamento accelerano la fatica
• Operazione di risonanza: Operante a o vicino velocità critiche crea alte deflessioni
• Sovraccarico: Operare oltre i limiti di progettazione
• Stress termico: Cicli rapidi di riscaldamento/raffreddamento o gradienti termici

3. Difetti di materiale e di fabbricazione

• Inclusioni di materiali: Scorie, vuoti o materiale estraneo nel materiale dell'albero
• Trattamento termico improprio: Tempra o rinvenimento inadeguati
• Difetti di lavorazione: Segni di utensili, scalfitture o graffi che creano fattori di stress
• Vaiolatura da corrosione: Corrosione superficiale che crea siti di innesco di crepe
• Irritazione: Nelle interfacce press-fit o nelle sedi per chiavette

4. Eventi operativi

• Eventi di eccesso di velocità: Superamento di velocità accidentale o di emergenza che crea forti sollecitazioni
• Sfregamenti gravi: Contatto che genera calore e concentrazione di stress locale
• Carico d'impatto: Carichi improvvisi dovuti a sconvolgimenti del processo o shock meccanici
• Riparazioni precedenti: Saldatura o lavorazione che introducono tensioni residue

Sintomi di vibrazione di un albero incrinato

Il componente caratteristico 2×

La caratteristica vibrazione di un albero incrinato è una prominente 2× (seconda armonica) componente:

Perché si sviluppa una vibrazione 2×

• Una crepa si apre e si chiude due volte per giro mentre l'albero ruota
• Quando la crepa è in compressione (fondo di rotazione), la rigidità è maggiore
• Quando la crepa è in tensione (sommità della rotazione), la crepa si apre, la rigidità è inferiore
• Questa variazione di rigidità doppia per rivoluzione crea una forzatura 2×
• L'ampiezza 2× aumenta man mano che la crepa si propaga e l'asimmetria della rigidità aumenta

Indicatori di vibrazione aggiuntivi

• 1× Modifiche: Aumento graduale della vibrazione 1× dovuto alla rigidità modificata e all'incurvamento residuo
• Armoniche superiori: 3×, 4× possono apparire con l'aumentare della gravità della crepa
• Sfasamenti: Cambiamenti dell'angolo di fase durante l'avvio/decelerazione o a velocità diverse
• Comportamento dipendente dalla velocità: La vibrazione può cambiare in modo non lineare con la velocità
• Sensibilità alla temperatura: La vibrazione può essere correlata all'espansione termica che apre/chiude la crepa

Caratteristiche di avvio/decollo

• Il componente 2× mostra un comportamento insolito durante i transitori
• Potrebbe mostrare due picchi in diagramma di Bode (a 1/2 di ciascuna velocità critica)
• Le variazioni di fase del componente 1× possono differire dalla normale risposta di sbilanciamento

Metodi di rilevamento

Monitoraggio delle vibrazioni

Analisi delle tendenze

• Monitorare il rapporto 2X/1X nel tempo
• L'aumento graduale dell'ampiezza 2× è un segnale di avvertimento
• Rapporto 2X/1X > 0,5 giustifica l'indagine
• Cambiamenti improvvisi nel modello di vibrazione sono sospetti

Analisi spettrale

• Regolare FFT analisi che mostra le armoniche
• Confronta gli spettri di base attuali con quelli storici
• Osservare l'emergenza o la crescita del picco 2×

Analisi transitoria

• Grafici a cascata durante l'avvio/decelerazione
• Diagrammi di Bode che mostrano ampiezza e fase rispetto alla velocità
• Comportamento insolito nei passaggi a velocità critica

Metodi senza vibrazioni

1. Ispezione con particelle magnetiche (MPI)

• Rileva crepe superficiali e vicine alla superficie
• Richiede una superficie dell'albero accessibile
• Elevata affidabilità per il rilevamento delle crepe
• Parte delle ispezioni di manutenzione ordinaria

2. Test ad ultrasuoni (UT)

• Rileva crepe interne e superficiali
• Può trovare crepe prima che producano sintomi di vibrazione
• Richiede attrezzature specialistiche e personale qualificato
• Consigliato per alberi critici

3. Ispezione con liquidi penetranti

• Metodo semplice per il rilevamento di crepe superficiali
• Richiede pulizia e preparazione della superficie
• Utile per le aree accessibili durante le interruzioni

4. Test a correnti parassite

• Rilevamento di crepe superficiali senza contatto
• Adatto per l'ispezione automatizzata
• Efficace su materiali magnetici e non magnetici

Risposta e azioni correttive

Azioni immediate al momento del rilevamento

1. Aumentare la frequenza del monitoraggio: Da mensile a settimanale o giornaliero
2. Ridurre la gravità operativa: Se possibile, ridurre la velocità o il carico
3. Arresto del piano: Pianificare la riparazione o la sostituzione il prima possibile e in sicurezza
4. Eseguire NDE: Confermare la presenza di crepe e valutarne la gravità
5. Valutazione del rischio: Determinare se il funzionamento continuato è sicuro

Soluzioni a lungo termine

• Sostituzione dell'albero: La soluzione più affidabile per le crepe confermate
• Riparazione (casi limitati): Alcune crepe possono essere rimosse tramite lavorazione meccanica e ricostruzione con saldatura (richiede la valutazione di un esperto)
• Analisi della causa principale: Identificare il motivo per cui si è sviluppata la crepa per prevenirne la recidiva
• Modifiche al design: Affrontare le concentrazioni di stress, migliorare la selezione dei materiali, modificare le condizioni operative

Strategie di prevenzione

Fase di progettazione

• Eliminare gli angoli acuti e le concentrazioni di stress
• Utilizzare raggi di raccordo generosi alle variazioni di diametro
• Specificare i materiali appropriati per i livelli di stress e l'ambiente
• Eseguire l'analisi delle sollecitazioni degli elementi finiti
• Applicare trattamenti superficiali (pallinatura, nitrurazione) per migliorare la resistenza alla fatica

Fase operativa

• Mantenere buono qualità dell'equilibrio per ridurre al minimo lo stress di flessione ciclico
• Assicurare un allineamento di precisione
• Evitare il funzionamento a velocità critiche
• Prevenire gli eventi di eccesso di velocità
• Controllare gli stress termici attraverso un adeguato riscaldamento/defaticamento

Fase di manutenzione

• Ispezioni regolari utilizzando metodi NDE appropriati
• Programmi di analisi delle vibrazioni per rilevare i primi sintomi
• Bilanciamento periodico per ridurre al minimo le sollecitazioni da fatica
• Prevenzione della corrosione e manutenzione del rivestimento

Le cricche sugli alberi rappresentano uno dei guasti più gravi nelle macchine rotanti. La combinazione del monitoraggio delle vibrazioni (per rilevare le caratteristiche segnature 2×) e di controlli periodici non distruttivi fornisce la strategia migliore per la rilevazione precoce delle cricche, consentendo una manutenzione programmata prima che si verifichi un guasto catastrofico.

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