Capire le subarmoniche
A subharmonic è una componente di frequenza in un vibrazione spettro che si verifica a una frazione intera della frequenza di forzatura fondamentale. Nell'analisi delle macchine, tale frequenza fondamentale è quasi sempre la velocità di rotazione (1X), quindi le subarmoniche compaiono in ordini come 1/2X, 1/3X o 1/4X. Poiché si trovano sotto il componente sincrono principale; vengono anche chiamati sub-sincrono vibrazioni, e sono tra i picchi più significativi dal punto di vista diagnostico che un analista possa rilevare: raramente compaiono senza una chiara causa fisica.
1. Definizione: Che cos'è una subarmonica?
Where ordinary armoniche sono multipli interi della velocita di rotazione (2X, 3X, 4X), le subarmoniche sono il reciproco: divisioni intere di essa. Un picco esattamente alla meta della velocita dell'albero e l'esempio classico, spesso scritto 1/2X o 0.5X. Una vera subarmonica si trova quindi sempre al di sotto di 1X - 0.5X, 0.33X, 0.25X. In pratica, il pattern piu informativo non e la sola riga 1/2X ma una famiglia di mezzo ordine - picchi a 1/2X, 3/2X (1.5X) e 5/2X (2.5X), tutti distanziati di mezzo ordine. In senso stretto, solo il membro 1/2X e una subarmonica e sub-sincrona; i membri al di sopra di 1X (1.5X, 2.5X, ...) sono armoniche frazionarie di mezzo ordine, non componenti sub-sincrone. La comparsa di un tale pettine e una firma classica di specifici guasti meccanici piuttosto che di rumore casuale.
È opportuno distinguere una vera componente subarmonica da una componente subsincrona non intera. Un picco fissato esattamente a 0,50X è una vera componente subarmonica della velocità di rotazione; un picco, ad esempio, a 0,43X è subsincrono ma non una frazione esatta, e questa distinzione restringe immediatamente l'elenco dei possibili fattori. Le subarmoniche non sono così comuni come le armoniche, ma quando si verificano indicano quasi sempre una delle cause elencate di seguito.
2. Allentamento meccanico: la causa più comune
La principale fonte di una subarmonica 1/2X è allentamento meccanico. Quando un componente è allentato — un cuscinetto che presenta gioco nell'alloggiamento, un accoppiamento usurato o un bullone di fissaggio allentato — si verifica una risposta fortemente non lineare caratterizzata da «rimbalzi» o «sferragliamento». Il gioco consente al componente di urtare contro la sede, e poiché tale urto tende a ripetersi praticamente ogni other giro, il sistema risponde a metà della frequenza di eccitazione.
Lo spettro risultante mostra il picco 1X accompagnato da una serie di mezzo ordine a 1/2X, 3/2X, 5/2X e cosi via - la subarmonica 1/2X insieme alle sue armoniche frazionarie sopra 1X. Questa famiglia di mezzo ordine e una delle impronte piu affidabili nella diagnostica delle vibrazioni: indica quasi senza ambiguita un grave allentamento strutturale e la sua crescita nel tempo segue il peggioramento dell'accoppiamento. Quanto piu pronunciati e numerosi sono i picchi di mezzo ordine, tanto piu il giunto e diventato allentato.
3. Instabilità dei cuscinetti a strisciamento
Nelle macchine basate sul film fluido o cuscinetti radenti, le vibrazioni subsincrone costituiscono un segnale di allarme critico dell'instabilità del film d'olio. Si tratta di vibrazioni autoeccitate — L'energia derivante dalla rotazione costante alimenta direttamente la vibrazione, consentendo loro di crescere senza alcun forzamento esterno.
- Vortice d'olio: Si verifica tipicamente tra 0,42X e 0,48X della velocità di funzionamento, presentandosi come un picco forte e ben definito appena al di sotto del mezzo ordine. Si manifesta quando il cuneo d'olio che sostiene l'albero inizia a circolare (vorticare) all'interno del gioco del cuscinetto, trascinando l'albero attorno al proprio perno. Poiché si trova leggermente al di sotto di 0,5X anziché esattamente su tale valore, la frequenza precisa è l'indicatore che distingue il vortice dal gioco.
- Oil whip: Una forma di instabilità ben più grave e distruttiva. Si verifica quando la frequenza del vortice coincide con la prima frequenza naturale del rotore, oppure velocità critica. La vibrazione si “aggancia” quindi a quella frequenza naturale e vi rimane anche quando la velocità della macchina aumenta — una caratteristica distintiva che differenzia il fenomeno di "whip" (frusta d'olio) da un vortice (whirl) che segue la velocità. Le ampiezze possono diventare così violente da danneggiare il cuscinetto o l'albero.
Le frequenze dei cuscinetti a strisciamento che delimitano tali instabilità possono essere stimate in anticipo con un Calcolatore della frequenza dei difetti dei cuscinetti a strisciamento, il che aiuta a verificare se un picco subsincrono ricada nella banda del vortice.
4. Altre fonti di picchi sub-sincroni
- Problemi con la trasmissione a cinghia: Una cinghia usurata o danneggiata può generare componenti sub-sincroni legati alla propria velocità di rotazione, che è inferiore a quella di entrambe le pulegge. Si sospetta che difetti della trasmissione a cinghia — e soprattutto V-belt faults — può essere verificata confrontandola con la frequenza calcolata della cinghia utilizzando un calcolatore della frequenza dei difetti delle cinghie.
- Effetti legati al flusso: Nelle pompe e nei ventilatori, l'energia subsincrona può provenire da turbolenza del flusso o stallo rotante. Questi componenti sono in genere non frazioni esatte di 1X, il che costituisce di per sé un indizio utile del fatto che la fonte sia di natura idraulica o aerodinamica piuttosto che meccanica. Nei compressori il fenomeno correlato di surging può anche aumentare la soglia minima al di sotto della velocità operativa.
5. Analisi e conferma
Poiché la diagnosi dipende da piccole differenze di frequenza, il primo passo consiste nell’individuare con precisione la frequenza di picco. Una linea esattamente a 0,50X indica chiaramente un allentamento; una a 0,47X è quasi certamente un vortice d’olio; una serie completa di 1/2X, 3/2X, 5/2X conferma l’allentamento con un elevato grado di certezza. Sono quindi essenziali un'elevata risoluzione spettrale e un riferimento di velocità accurato, poiché 0,48X e 0,50X possono apparire identici a una risoluzione grossolana.
Il forma d'onda temporale fornisce una preziosa conferma. Il gioco presenta solitamente evidenti impatti o troncature — picchi appiattiti o troncati nel punto in cui la parte allentata raggiunge il fondo — mentre il vortice d'olio si manifesta come un segnale più regolare e modulato, privo di picchi bruschi. Sul campo, un analizzatore portatile a due canali come il Balanset-1A consente a un tecnico di acquisire sia lo spettro che la forma d'onda temporale sincronizzata alla velocità di esercizio, in modo da poter valutare insieme l'esatta frequenza subsincrona e le caratteristiche della sua forma d'onda prima di programmare qualsiasi intervento di smontaggio.
