Comprensione delle bande laterali nell'analisi delle vibrazioni
Bande laterali sono piccoli picchi di frequenza che compaiono in un Spettro FFT a intervalli regolari su entrambi i lati di un picco centrale più alto noto come frequenza portante. La loro presenza è un segno inequivocabile di modulazione — una condizione in cui un segnale viene «impresso» su un altro — e la distanza tra le bande laterali è pari alla frequenza del segnale modulante. Poiché tale distanza indica direttamente l'elemento rotante responsabile, le bande laterali sono tra i modelli diagnostici più efficaci e definitivi in analisi delle vibrazioni, in particolare per gearbox e cuscinetto rilevamento dei guasti.
1. Cosa sono le bande laterali: la modulazione nello spettro
La modulazione è un concetto ben noto nel campo della radio, e il meccanismo all'interno di un cambio è lo stesso. L'intensità di un tono costante ad alta frequenza (la portante) viene modificata da un evento che si ripete a intervalli più lenti (il modulatore); nello spettro, tale variazione non sfuma il picco della portante, ma distribuisce l'energia in picchi secondari simmetrici. La portante stessa è solitamente un vibrazione forzata generato dal normale funzionamento, mentre il modulatore è il ritmo di un componente difettoso, che si ripete una volta per giro. È proprio la capacità di riconoscere questo schema che distingue una diagnosi certa da una semplice ipotesi.
2. Come vengono generate le bande laterali
Le bande laterali si formano quando l'ampiezza di un segnale di vibrazione primario — la portante — viene modificata nel tempo da un secondo segnale, più lento: il modulatore. L'esempio classico è un dente difettoso di un ingranaggio:
- Il Frequenza di ingranamento (GMF) è la portante. Si tratta di un'alta frequenza generata dal normale ingranamento dei denti degli ingranaggi.
- Un singolo dente scheggiato su quell'ingranaggio genera un impatto ogni giro. Ogni volta che il dente difettoso entra in presa, quell'impatto modula — ovvero modifica l'ampiezza — del segnale GMF.
- Il velocità di rotazione della trasmissione è quindi la frequenza di modulazione.
Lo spettro FFT mostra un picco marcato in corrispondenza della GMF (la portante), affiancato da picchi di banda laterale più piccoli distanziati in base alla velocità di rotazione dell'ingranaggio. Questo andamento dimostra non solo l'esistenza di un guasto, ma anche che esso si trova proprio su quell'ingranaggio specifico. La relazione è espressa da una semplice formula:
Frequenza della banda laterale = Frequenza portante ± (n × Frequenza modulante), dove n = 1, 2, 3 …
La serie di picchi sopra e sotto la portante forma quindi un pettine a intervalli regolari, e misurando la frequenza in hertz — per poi convertirla in giri al minuto — l'analista può individuare con esattezza quale albero presenta un malfunzionamento.
3. Principali applicazioni nella diagnostica delle macchine
Diagnostica del cambio
Questa è l'applicazione principale dell'analisi delle bande laterali.
- Bande laterali attorno al GMF: se attorno alla GMF di un ingranaggio compaiono delle bande laterali distanziate in base alla velocità di rotazione dell'ingranaggio stesso, ciò indica un difetto in quell'ingranaggio — un dente incrinato, un dente usurato o eccentricità.
- Bande laterali attorno alle armoniche di GMF: I difetti gravi spesso generano anche bande laterali intorno al 2× e al 3× GMF, quindi il modello a pettine si ripete attorno a ciascuno armonico.
- Frequenza del dente di caccia: negli ingranaggi complessi, specifiche bande laterali non intere in corrispondenza del frequenza dei denti da caccia è in grado di individuare un guasto che si verifica solo quando due denti specifici di ingranaggi diversi entrano in contatto.
Diagnostica dei cuscinetti a rotolamento
Anche le bande laterali sono fondamentali per confermare difetti dei cuscinetti, in particolare i difetti all'interno della stessa razza:
- Un difetto sul razza interiore ruota insieme all'albero e, mentre entra ed esce dalla zona di carico del cuscinetto, l'ampiezza degli urti che genera aumenta e diminuisce.
- Ciò produce una modulazione di ampiezza della frequenza della faglia interna, BPFI.
- Lo spettro risultante mostra un picco a BPFI con bande laterali distanziate di un multiplo pari a 1 della velocità di rotazione dell'albero. Il fatto di osservare questo schema costituisce un indicatore altamente attendibile della presenza di un difetto intrinseco alla razza — ed è uno dei motivi analisi dell'inviluppo è così efficace nel demodulare questi segnali.
Diagnostica dei motori elettrici
Problemi con le barre del rotore in un motore a induzione CA possono causare la comparsa di bande laterali attorno al picco di velocità di funzionamento 1x. Queste bande laterali sono distanziate a frequenza di passaggio del polo - il frequenza di slittamento della potenza del motore moltiplicata per il numero di poli del motore — e costituiscono una caratteristica tipica di barre del rotore rotte.
4. Aspetti da considerare nell'analisi
Per utilizzare in modo efficace l'analisi delle bande laterali, è essenziale disporre di dati di alta qualità:
- Alta risoluzione: È necessaria una FFT ad alta risoluzione (ad esempio 3200 o 6400 linee) per visualizzare chiaramente i picchi delle bande laterali e misurarne con precisione la distanza. Con una bassa risoluzione, le bande laterali risultano “sfocate” e si confondono con il picco della portante. La relazione tra numero di linee, intervallo e risoluzione può essere verificata con un Calcolatore della risoluzione FFT.
- Tendenze: Il numero e l'ampiezza delle bande laterali costituiscono un buon indicatore della gravità del guasto. Man mano che il guasto si aggrava, compaiono più bande laterali e la loro ampiezza aumenta, pertanto è opportuno registrarle nel tempo attraverso analisi delle tendenze monitora il deterioramento.
- Zoom FFT: il Zoom FFT Una funzione presente su un analizzatore consente all'analista di ingrandire una ristretta banda di frequenza con una risoluzione molto elevata per verificare la presenza e la distanza delle bande laterali.
5. Interpretare la spaziatura: dal modello alla diagnosi
La capacità diagnostica di una famiglia di bande laterali risiede nella sua aritmetica. Poiché la spaziatura è pari alla frequenza di modulazione, un analista può risalire dal pettine al causa del problema: una spaziatura pari a 1× la velocità dell’albero indica un problema a livello dell’albero stesso; una spaziatura corrispondente alla frequenza di passaggio dei poli legata allo scorrimento indica un problema elettrico del motore; una spaziatura non intera indica una specifica coppia di denti. Misurare in anticipo la frequenza di ingranamento e la sua struttura di banda laterale prevista — ad esempio con un calcolatore della frequenza di ingranamento — permette all'analista di prevedere esattamente dove cercare prima di aprire lo spettro.
Sul campo questi segnali vengono rilevati con un analizzatore di spettro portatile che viene spostato da una macchina all'altra. Uno strumento come il Bilanciamento-1a misura lo spettro delle vibrazioni su una macchina in funzione con una risoluzione sufficientemente elevata da individuare il pettine di bande laterali attorno alla frequenza di un difetto nell'ingranaggio o nel cuscinetto, in modo che un tecnico possa confermare la diagnosi sul posto; e quando la stessa analisi rivela che il problema principale è semplice sbilanciare piuttosto che un difetto di dentatura o di corsa, lo strumento si sposta direttamente verso bilanciamento in situ to correct it.
Quando un analista individua un modello di banda laterale chiaro e simmetrico alla distanza prevista, la fiducia del diagnosi passa da "possibile" a "altamente probabile" — ed è proprio per questo che le bande laterali sono considerate una delle impronte digitali più affidabili in questo campo.
