Analisi delle vibrazioni con Balanset-1A: guida per principianti alla diagnostica spettrale

Introduzione: dal bilanciamento alla diagnostica: come sfruttare appieno il potenziale del tuo analizzatore di vibrazioni

Il dispositivo Balanset-1A è noto principalmente come strumento efficace per l'equilibratura dinamica. Tuttavia, le sue capacità vanno ben oltre, rendendolo un analizzatore di vibrazioni potente e accessibile. Dotato di sensori sensibili e software per l'analisi spettrale con Trasformata di Fourier Veloce (FFT), il Balanset-1A è uno strumento eccellente per un'analisi completa delle vibrazioni. Questa guida colma la lacuna lasciata dal manuale ufficiale, spiegando cosa rivelano i dati sulle vibrazioni sullo stato di salute della macchina.

Questa guida è strutturata in modo sequenziale per guidarti dalle nozioni di base all'applicazione pratica:

• La Sezione 1 porrà le basi teoriche, spiegando in modo semplice e chiaro cosa sono le vibrazioni, come funziona l'analisi spettrale (FFT) e quali parametri spettrali sono fondamentali per un diagnostico.
• La Sezione 2 fornirà istruzioni dettagliate per ottenere spettri di vibrazione affidabili e di alta qualità utilizzando il dispositivo Balanset-1A in varie modalità, concentrandosi su sfumature pratiche non descritte nelle istruzioni standard.
• La Sezione 3 è il cuore dell'articolo. Qui verranno analizzate approfonditamente le "impronte digitali", ovvero i segni spettrali caratteristici dei guasti più comuni: squilibrio, disallineamento, allentamenti meccanici e difetti dei cuscinetti.
• La Sezione 4 integrerà le conoscenze acquisite in un sistema unificato, offrendo raccomandazioni pratiche per l'implementazione del monitoraggio e un semplice algoritmo decisionale.

Grazie alla padronanza del materiale contenuto in questo articolo, sarai in grado di utilizzare Balanset-1A non solo come dispositivo di bilanciamento, ma anche come un complesso diagnostico entry-level completo, che ti consentirà di identificare tempestivamente i problemi, prevenire costosi incidenti e aumentare significativamente l'affidabilità delle tue apparecchiature operative.

Sezione 1: Fondamenti di vibrazione e analisi spettrale (FFT)

1.1. Che cosa sono le vibrazioni e perché sono importanti?

Qualsiasi apparecchiatura rotante, che si tratti di una pompa, di un ventilatore o di un motore elettrico, genera vibrazioni durante il funzionamento. La vibrazione è l'oscillazione meccanica di una macchina o dei suoi singoli componenti rispetto alla loro posizione di equilibrio. In condizioni ideali e pienamente funzionali, una macchina genera un livello basso e stabile di vibrazioni: questo è il suo normale "rumore di funzionamento". Tuttavia, con l'insorgere e lo sviluppo di difetti, questo background di vibrazioni inizia a modificarsi.

La vibrazione è la risposta della struttura del meccanismo a forze eccitanti cicliche. Le fonti di queste forze possono essere molto diverse:

• Forza centrifuga dovuta allo squilibrio del rotore: Deriva dalla distribuzione non uniforme della massa rispetto all'asse di rotazione. Questo è il cosiddetto "punto pesante" che, durante la rotazione, genera una forza trasmessa ai cuscinetti e alla carcassa della macchina.
• Forze associate a imprecisioni geometriche: Disallineamento degli alberi accoppiati, curvatura degli alberi, errori nei profili dei denti degli ingranaggi del cambio: tutti questi fattori creano forze cicliche che causano vibrazioni.
• Forze aerodinamiche e idrodinamiche: Si verificano durante la rotazione delle giranti di ventilatori, estrattori di fumo, pompe e turbine.
• Forze elettromagnetiche: Caratteristica dei motori elettrici e dei generatori e può essere causata, ad esempio, dall'asimmetria degli avvolgimenti o dalla presenza di spire in cortocircuito.

Ognuna di queste fonti crea vibrazioni con caratteristiche uniche. Ecco perché l'analisi delle vibrazioni è uno strumento diagnostico così potente. Misurando e analizzando le vibrazioni, possiamo non solo affermare che "la macchina vibra fortemente", ma anche, con un alto grado di probabilità, determinarne la causa principale. Questa capacità diagnostica avanzata è essenziale per qualsiasi programma di manutenzione moderno.

1.2. Dal segnale temporale allo spettro: una semplice spiegazione della FFT

Un sensore di vibrazione (accelerometro), installato sull'alloggiamento del cuscinetto, converte le oscillazioni meccaniche in un segnale elettrico. Se questo segnale viene visualizzato su uno schermo in funzione del tempo, otteniamo un segnale temporale o una forma d'onda. Questo grafico mostra come l'ampiezza della vibrazione cambia in ogni istante.

In un caso semplice, come uno squilibrio puro, il segnale orario apparirà come una sinusoide regolare. Tuttavia, in realtà, una macchina è quasi sempre sottoposta all'azione simultanea di diverse forze. Di conseguenza, il segnale orario è una curva complessa, apparentemente caotica, dalla quale è praticamente impossibile estrarre informazioni diagnostiche utili.

È qui che entra in gioco uno strumento matematico: la Trasformata di Fourier Rapida (FFT). Può essere immaginata come un prisma magico per i segnali di vibrazione.

Immaginiamo che un segnale temporale complesso sia un fascio di luce bianca. Ci sembra unificato e indistinguibile. Ma quando questo fascio attraversa un prisma di vetro, si scompone nei suoi colori costituenti – rosso, arancione, giallo e così via – formando un arcobaleno. La FFT fa lo stesso con un segnale di vibrazione: prende una curva complessa dal dominio del tempo e la scompone in semplici componenti sinusoidali, ciascuna delle quali ha una propria frequenza e ampiezza.

Il risultato di questa trasformazione viene visualizzato su un grafico chiamato spettro di vibrazione. Lo spettro è il principale strumento di lavoro per chiunque esegua analisi delle vibrazioni. Permette di vedere cosa si nasconde nel segnale temporale: quali vibrazioni "pure" costituiscono il rumore complessivo della macchina.

1.3. Parametri chiave dello spettro da comprendere

Lo spettro delle vibrazioni visualizzato sullo schermo del Balanset-1A nelle modalità "Vibrometro" o "Grafici" è composto da due assi, la cui comprensione è assolutamente necessaria per la diagnosi.

Asse orizzontale (X): Frequenza

Questo asse mostra la frequenza con cui si verificano le oscillazioni e si misura in Hertz (Hz). 1 Hz corrisponde a un'oscillazione completa al secondo. La frequenza è direttamente correlata alla fonte della vibrazione. Vari componenti meccanici ed elettrici di una macchina generano vibrazioni alle loro frequenze caratteristiche e prevedibili. Conoscendo la frequenza alla quale si osserva un picco di vibrazione elevato, possiamo identificare il colpevole: un'unità specifica o un difetto.

Frequenza di rotazione (1x): Questa è la frequenza più importante in tutta la diagnostica delle vibrazioni. Corrisponde alla velocità di rotazione dell'albero della macchina. Ad esempio, se l'albero di un motore ruota a 3000 giri al minuto (rpm), la sua frequenza di rotazione sarà: f = 3000 rpm / 60 s/min = 50 Hz. Questa frequenza è indicata con 1x. Serve come punto di riferimento per l'identificazione di molti altri difetti.

Asse verticale (Y): ampiezza

Questo asse mostra l'intensità o la forza della vibrazione a ciascuna frequenza specifica. Nel dispositivo Balanset-1A, l'ampiezza è misurata in millimetri al secondo (mm/s), che corrisponde al valore quadratico medio (RMS) della velocità di vibrazione. Più alto è il picco nello spettro, maggiore è l'energia di vibrazione concentrata a quella frequenza e, di norma, più grave è il difetto associato.

Armoniche

Le armoniche sono frequenze che sono multipli interi della frequenza fondamentale. Nella maggior parte dei casi, la frequenza fondamentale è la frequenza di rotazione 1x. Pertanto, le sue armoniche saranno: 2x (seconda armonica) = 2×1x, 3x (terza armonica) = 3×1x, 4x (quarta armonica) = 4×1x e così via. La presenza e l'altezza relativa delle armoniche forniscono informazioni diagnostiche cruciali. Ad esempio, lo squilibrio puro si manifesta principalmente a 1x con armoniche molto basse. Tuttavia, allentamenti meccanici o disallineamenti dell'albero generano un'intera "foresta" di armoniche elevate (2x, 3x, 4x,...). Analizzando il rapporto tra le ampiezze di 1x e le sue armoniche, è possibile distinguere diversi tipi di guasti.

Sezione 2: Ottenimento di uno spettro di vibrazione utilizzando Balanset-1A

La qualità della diagnostica dipende direttamente dalla qualità dei dati iniziali. Misurazioni errate possono portare a conclusioni errate, riparazioni non necessarie o, al contrario, a non rilevare un difetto in via di sviluppo. Questa sezione fornisce una guida pratica per raccogliere dati accurati e ripetibili utilizzando il dispositivo.

2.1. Preparazione per le misurazioni: la chiave per dati accurati

Prima di collegare i cavi e avviare il programma, è necessario prestare particolare attenzione alla corretta installazione dei sensori. Questa è la fase più importante, poiché determina l'affidabilità di tutte le analisi successive.

Metodo di montaggio: Balanset-1A è dotato di basi magnetiche per sensori. Si tratta di un metodo di montaggio comodo e veloce, ma per la sua efficacia è necessario rispettare alcune regole. La superficie nel punto di misurazione deve essere:

• Pulito: Rimuovere sporco, ruggine e vernice scrostata.
• Piatto: Il sensore deve essere a filo con l'intera superficie del magnete. Non installarlo su superfici arrotondate o teste di bulloni.
• Enorme: Il punto di misurazione deve essere parte della struttura portante della macchina (ad esempio, l'alloggiamento dei cuscinetti), non una sottile copertura protettiva o un'aletta di raffreddamento.

Per il monitoraggio stazionario o per ottenere la massima precisione ad alte frequenze, si consiglia di utilizzare un collegamento filettato (perno) se la progettazione della macchina lo consente.

Posizione: Le forze generate durante il funzionamento del rotore vengono trasmesse alla carcassa della macchina attraverso i cuscinetti. Pertanto, il punto migliore per installare i sensori è l'alloggiamento dei cuscinetti. Cercare di posizionare il sensore il più vicino possibile al cuscinetto per misurare le vibrazioni con la minima distorsione.

Direzione di misurazione: La vibrazione è un processo tridimensionale. Per un quadro completo delle condizioni della macchina, è necessario effettuare misurazioni in tre direzioni:

• Radiale orizzontale (H): Perpendicolare all'asse dell'albero, sul piano orizzontale.
• Verticale radiale (V): Perpendicolare all'asse dell'albero, nel piano verticale.
• Assiale (A): Parallelo all'asse dell'albero.

Di norma, la rigidezza della struttura in direzione orizzontale è inferiore a quella verticale, quindi l'ampiezza delle vibrazioni in direzione orizzontale è spesso la maggiore. Questo è il motivo per cui la direzione orizzontale viene spesso scelta per la valutazione iniziale. Tuttavia, le vibrazioni assiali forniscono informazioni uniche, di fondamentale importanza per la diagnosi di difetti come il disallineamento dell'albero.

Balanset-1A è un dispositivo a due canali, che nel manuale viene considerato principalmente dal punto di vista dell'equilibratura a due piani. Tuttavia, per la diagnostica, questo apre possibilità molto più ampie. Invece di misurare le vibrazioni su due cuscinetti diversi, entrambi i sensori possono essere collegati alla stessa unità cuscinetto, ma in direzioni diverse. Ad esempio, il canale 1 del sensore può essere installato radialmente (orizzontale) e il canale 2 assialmente. L'acquisizione simultanea degli spettri in due direzioni consente un confronto immediato delle vibrazioni assiali e radiali, una tecnica standard nella diagnostica professionale per il rilevamento affidabile dei disallineamenti. Questo metodo amplia significativamente le capacità diagnostiche del dispositivo, andando oltre quanto descritto nel manuale.

2.2. Procedura dettagliata: utilizzo della modalità "Vibrometro" (F5) per una valutazione rapida

Questa modalità è progettata per il controllo operativo dei principali parametri di vibrazione ed è ideale per una rapida valutazione "in loco" delle condizioni della macchina. La procedura per ottenere uno spettro in questa modalità è la seguente:

1. Collegamento dei sensori: installare i sensori di vibrazione nei punti selezionati e collegarli agli ingressi X1 e X2 dell'unità di misura. Collegare il tachimetro laser all'ingresso X3 e fissare un marcatore riflettente all'albero.
2. Avviare il programma: nella finestra principale del programma Balanset-1A, fare clic sul pulsante "F5 - Misuratore di vibrazioni".
3. Si aprirà la finestra di lavoro (Fig. 7.4 del manuale). Nella parte superiore verranno visualizzati i valori digitali: vibrazione complessiva (V1s), vibrazione alla frequenza di rotazione (V1o), fase (F1) e velocità di rotazione (N giri).
4. Avvia la misurazione: fai clic sul pulsante "F9 - Esegui". Il programma inizierà a raccogliere e visualizzare i dati in tempo reale.
5. Analizza lo spettro: nella parte inferiore della finestra si trova il grafico "Spettro di vibrazione - canali 1 e 2 (mm/s)". Questo è lo spettro di vibrazione. L'asse orizzontale mostra la frequenza in Hz e l'asse verticale mostra l'ampiezza in mm/s.

Questa modalità consente il primo e più importante controllo diagnostico, consigliato anche nel manuale di equilibratura. Confrontare i valori di V1s (vibrazione complessiva) e V1o (vibrazione a frequenza di rotazione 1x).

• Se V1s≈V1o, significa che la maggior parte dell'energia vibrazionale è concentrata alla frequenza di rotazione. La causa principale della vibrazione è molto probabilmente lo squilibrio.
• Se V1s≫V1o, significa che una parte significativa della vibrazione è causata da altre fonti (disallineamento, allentamento, difetti dei cuscinetti, ecc.). In questo caso, il semplice bilanciamento non risolverà il problema ed è necessaria un'analisi più approfondita dello spettro.

2.3. Procedura dettagliata: utilizzo della modalità "Grafici" (F8) per un'analisi dettagliata

Per diagnosi più approfondite che richiedono un esame più dettagliato dello spettro, la modalità "Grafici" è decisamente migliore. Fornisce un grafico più ampio e informativo, che facilita l'identificazione dei picchi e l'analisi della loro struttura. La procedura per ottenere uno spettro in questa modalità è la seguente:

1. Collegare i sensori nello stesso modo della modalità "Vibrometro".
2. Modalità di avvio: nella finestra principale del programma, fare clic sul pulsante "F8 - Grafici".
3. Selezionare il tipo di grafico: nella finestra aperta (Fig. 7.19 nel manuale), in alto sarà presente una fila di pulsanti. Fare clic su "F5-Spettro (Hz)".
4. Si aprirà la finestra di analisi spettrale (Fig. 7.23 del manuale). La parte superiore mostrerà il segnale temporale, mentre la parte inferiore, principale, mostrerà lo spettro delle vibrazioni.
5. Avvia la misurazione: fai clic sul pulsante "F9-Esegui". Il dispositivo eseguirà una misurazione e creerà grafici dettagliati.

Lo spettro ottenuto in questa modalità è molto più pratico per l'analisi. È possibile vedere più chiaramente i picchi a diverse frequenze, valutarne l'altezza e identificare le serie armoniche. Questa modalità è consigliata per la diagnosi dei guasti descritti nella sezione successiva.

Sezione 3: Diagnostica dei guasti tipici mediante spettri di vibrazione (fino a 1000 Hz)

Questa sezione rappresenta il nucleo pratico della guida. Qui impareremo a leggere gli spettri e a correlarli a specifici problemi meccanici. Per comodità e un rapido orientamento sul campo, i principali indicatori diagnostici sono riassunti in una tabella consolidata. Questa tabella servirà come rapido riferimento per l'analisi di dati reali.

Tabella 3.1: Riepilogo degli indicatori diagnostici

Colpa	Firma spettrale primaria	Armoniche tipiche	Note
Sbilanciare	Elevata ampiezza a frequenza di rotazione 1×	Basso	Prevale la vibrazione radiale. L'ampiezza aumenta quadraticamente con la velocità.
Disallineamento	Elevata ampiezza a frequenza di rotazione 2×	1×, 3×, 4×	Spesso accompagnato da vibrazione assiale.
allentamento meccanico	Armoniche multiple 1× ("foresta" di armoniche)	1×, 2×, 3×, 4×, 5×...	Le subarmoniche (0,5×, 1,5×) possono apparire a 1/2x, 3/2x, ecc. a causa di crepe.
Difetto del cuscinetto	Picchi a frequenze non sincrone (BPFO, BPFI, ecc.)	Armoniche multiple delle frequenze dei difetti	Spesso visibili come bande laterali attorno ai picchi. Sembrano "rumore" nella gamma delle alte frequenze.
Difetto di accoppiamento degli ingranaggi	Alta frequenza di accoppiamento degli ingranaggi (GMF) e sue armoniche	Bande laterali attorno a GMF a 1x	Indica usura, danni ai denti o eccentricità.

Ora analizzeremo nel dettaglio ciascuno di questi difetti.

3.1. Squilibrio: il problema più comune

Causa fisica: Lo sbilanciamento si verifica quando il centro di massa di una parte rotante (rotore) non coincide con il suo asse geometrico di rotazione. Questo crea un "punto pesante" che, durante la rotazione, genera una forza centrifuga che agisce in direzione radiale e si trasmette ai cuscinetti e alla fondazione.

Firme spettrali: Il segno principale è un picco di elevata ampiezza strettamente alla frequenza di rotazione (1x). La vibrazione è prevalentemente radiale. Esistono due tipi principali di squilibrio:

Squilibrio statico (un piano)

Descrizione dello spettro: Lo spettro è interamente dominato da un singolo picco alla frequenza di rotazione fondamentale (1x). La vibrazione è sinusoidale, con energia minima alle altre frequenze.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Principalmente una forte componente di frequenza rotazionale 1x. Poche o nessuna armonica superiore (un tono 1x puro).

Caratteristica principale: Ampia ampiezza 1x in tutte le direzioni radiali. La vibrazione su entrambi i cuscinetti è in fase (nessuna differenza di fase tra le due estremità). Spesso si osserva uno sfasamento di circa 90° tra le misurazioni orizzontali e verticali sullo stesso cuscinetto.

Squilibrio dinamico (due piani / coppia)

Descrizione dello spettro: Lo spettro mostra anche un picco dominante di frequenza (1x) una volta per giro, simile allo sbilanciamento statico. La vibrazione avviene alla velocità di rotazione, senza un contenuto significativo di frequenze più elevate se lo sbilanciamento è l'unico problema.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Componente dominante pari a 1x RPM (spesso con "oscillazione" o oscillazione del rotore). Le armoniche superiori sono generalmente assenti, a meno che non siano presenti altri guasti.

Caratteristica principale: 1x vibrazione su ogni cuscinetto è fuori fase — c'è una differenza di fase di circa 180° tra le vibrazioni alle due estremità del rotore (che indica uno squilibrio di coppia). Il forte picco 1x con questa relazione di fase è la firma dello squilibrio dinamico.

Cosa fare: Se lo spettro indica uno squilibrio, è necessario eseguire una procedura di equilibratura. Per lo squilibrio statico, è sufficiente l'equilibratura su un solo piano (sezione 7.4 del manuale), per lo squilibrio dinamico, l'equilibratura su due piani (sezione 7.5 del manuale).

3.2. Disallineamento dell'albero: una minaccia nascosta

Causa fisica: Il disallineamento si verifica quando gli assi di rotazione di due alberi accoppiati (ad esempio, l'albero motore e l'albero pompa) non coincidono. Quando gli alberi disallineati ruotano, si generano forze cicliche nel giunto e nei cuscinetti, causando vibrazioni.

Disallineamento parallelo (alberi sfalsati)

Descrizione dello spettro: Lo spettro di vibrazione mostra un'energia elevata alla fondamentale (1x) e alle sue armoniche 2x e 3x, soprattutto in direzione radiale. Tipicamente, la componente 1x è dominante, con presenza di disallineamento, accompagnata da una notevole componente 2x.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Contiene picchi significativi a frequenze di rotazione dell'albero pari a 1x, 2x e 3x. Questi si manifestano prevalentemente nelle misurazioni delle vibrazioni radiali (perpendicolari all'albero).

Caratteristica principale: Elevate vibrazioni 1x e 2x in direzione radiale sono indicative. Spesso si osserva una differenza di fase di 180° tra le misurazioni delle vibrazioni radiali su lati opposti del giunto, distinguendola da un puro squilibrio.

Disallineamento angolare (alberi inclinati)

Descrizione dello spettro: Lo spettro di frequenza mostra forti armoniche della velocità dell'albero, in particolare una componente prominente di velocità di rotazione pari a 2x oltre a quella a 1x. Si verificano vibrazioni a 1x, 2x (e spesso 3x), con vibrazioni assiali (lungo l'albero) significative.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Picchi notevoli a 1x e 2x (e talvolta 3x) della velocità di marcia. La componente 2x è spesso pari o superiore a quella 1x. Queste frequenze sono pronunciate nello spettro di vibrazione assiale (lungo l'asse della macchina).

Caratteristica principale: Ampiezza della seconda armonica (2x) relativamente elevata rispetto a 1x, combinata con forti vibrazioni assiali. Le misurazioni assiali su entrambi i lati del giunto sono sfasate di 180°, un segno distintivo di disallineamento angolare.

Cosa fare: In questo caso, il bilanciamento non sarà d'aiuto. Arrestare l'unità ed eseguire una procedura di allineamento dell'albero utilizzando strumenti specializzati.

3.3. Allentamento meccanico: "vibrazioni" nella macchina

Causa fisica: Questo difetto è associato a una perdita di rigidezza nei collegamenti strutturali: bulloni allentati, crepe nelle fondamenta, aumento dei giochi nelle sedi dei cuscinetti. A causa dei giochi, si verificano impatti, che formano un caratteristico schema di vibrazione.

Allentamento meccanico (allentamento dei componenti)

Descrizione: Lo spettro è ricco di componenti di frequenza della velocità di rotazione. Appare un'ampia gamma di multipli interi di 1x (da 1x a ordini elevati, come ~10x) con ampiezze significative. In alcuni casi, possono comparire anche frequenze subarmoniche (ad esempio, 0,5x).

Componenti spettrali: Dominano le componenti di frequenza multiple della velocità di rotazione (1x, 2x, 3x ... fino a ~10x). Talvolta possono essere presenti anche componenti di frequenza frazionarie (semi-intere) a 1/2x, 3/2x, ecc. a causa di impatti ripetuti.

Caratteristica principale: La caratteristica "serie di picchi" nello spettro: numerosi picchi uniformemente distanziati a frequenze che sono multipli interi della velocità di rotazione. Ciò indica una perdita di rigidità o un assemblaggio improprio di parti che causa impatti ripetuti. La presenza di numerose armoniche (ed eventualmente di subarmoniche semi-intere) è un indicatore chiave.

Allentamento strutturale (allentamento della base/montaggio)

Descrizione: Nello spettro delle vibrazioni, la vibrazione alla frequenza fondamentale o a doppia rotazione è spesso dominante. Di solito, si osserva un picco a 1x e/o 2x. Le armoniche superiori (superiori a 2x) hanno solitamente ampiezze molto inferiori rispetto a queste principali.

Componenti spettrali: Presenta componenti di frequenza predominanti a velocità 1x e 2x dell'albero. Le altre armoniche (3x, 4x, ecc.) sono solitamente assenti o insignificanti. La componente 1x o 2x può prevalere a seconda del tipo di allentamento (ad esempio, un impatto per giro o due impatti per giro).

Caratteristica principale: Picchi notevolmente elevati a 1x o 2x (o entrambi) rispetto al resto dello spettro, che indicano un allentamento dei cuscinetti o della struttura. La vibrazione è più intensa in direzione verticale se la macchina è montata in modo lasco. Uno o due picchi dominanti di basso ordine con un piccolo numero di armoniche di ordine superiore sono caratteristici di un allentamento strutturale o delle fondamenta.

Cosa fare: È necessaria un'ispezione approfondita dell'unità. Controllare tutti i bulloni di fissaggio accessibili (cuscinetti, alloggiamento). Ispezionare il telaio e le fondamenta per verificare la presenza di crepe. In caso di allentamenti interni (ad esempio, nella sede dei cuscinetti), potrebbe essere necessario smontare l'unità.

3.4. Difetti dei cuscinetti volventi: allarme precoce

Causa fisica: La comparsa di difetti (cave, scheggiature, usura) sulle superfici di rotolamento (anello interno, anello esterno, corpi volventi) o sulla gabbia. Ogni volta che un corpo volvente rotola su un difetto, si verifica un breve impulso d'impatto. Questi impulsi si ripetono a una frequenza specifica, caratteristica di ciascun elemento del cuscinetto.

Firme spettrali: I difetti dei cuscinetti si manifestano come picchi a frequenze non sincrone, ovvero a frequenze che non sono multipli interi della frequenza di rotazione (1x). Queste frequenze (BPFO - frequenza dei difetti dell'anello esterno, BPFI - anello interno, BSF - elemento volvente, FTF - gabbia) dipendono dalla geometria del cuscinetto e dalla velocità di rotazione. Per un diagnostico alle prime armi, non è necessario calcolarne i valori esatti. L'importante è imparare a riconoscerne la presenza nello spettro.

Difetto della razza esterna

Descrizione dello spettro: Lo spettro di vibrazione presenta una serie di picchi corrispondenti alla frequenza del difetto dell'anello esterno e alle sue armoniche. Questi picchi si trovano solitamente a frequenze più elevate (non multipli interi della rotazione dell'albero) e indicano ogni volta che un corpo volvente passa sopra il difetto dell'anello esterno.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Sono presenti molteplici armoniche della frequenza di passaggio delle sfere (BPFO) nella pista esterna. In genere, in caso di un difetto pronunciato della pista esterna, nello spettro si possono osservare 8-10 armoniche di BPFO. La spaziatura tra questi picchi è pari alla BPFO (una frequenza caratteristica determinata dalla geometria e dalla velocità del cuscinetto).

Caratteristica principale: La caratteristica distintiva è una serie di picchi al BPFO e alle sue armoniche successive. La presenza di numerosi picchi ad alta frequenza uniformemente distribuiti (BPFO, 2xBPFO, 3xBPFO, ...) indica chiaramente un difetto del cuscinetto della pista esterna.

Difetto di razza interiore

Descrizione dello spettro: Lo spettro di un difetto nella pista interna mostra diversi picchi evidenti alla frequenza del difetto nella pista interna e alle sue armoniche. Inoltre, ciascuno di questi picchi di frequenza del difetto è tipicamente accompagnato da picchi di banda laterale distanziati alla frequenza della velocità di rotazione (1x).

Breve descrizione dei componenti spettrali: Contiene molteplici armoniche della frequenza di passaggio delle sfere nella pista interna (BPFI), spesso nell'ordine di 8-10 armoniche. Tipicamente, questi picchi BPFI sono modulati da bande laterali a ±1x giri/min, il che significa che accanto a ciascuna armonica BPFI compaiono picchi laterali più piccoli, separati dal picco principale di una quantità pari alla frequenza di rotazione dell'albero.

Caratteristica principale: Il segno rivelatore è la presenza di armoniche di frequenza del difetto della pista interna (BPFI) con un andamento a bande laterali. Le bande laterali distanziate alla velocità dell'albero attorno alle armoniche BPFI indicano che il difetto della pista interna viene caricato una volta per giro, confermando un problema alla pista interna piuttosto che alla pista esterna.

Difetto dell'elemento volvente (sfera/rullo)

Descrizione dello spettro: Un difetto in un elemento volvente (sfera o rullo) produce vibrazioni alla frequenza di rotazione dell'elemento volvente e alle sue armoniche. Lo spettro mostrerà una serie di picchi che non sono multipli interi della velocità dell'albero, ma piuttosto multipli della frequenza di rotazione della sfera/rullo (BSF). Uno di questi picchi armonici è spesso significativamente maggiore degli altri, a indicare il numero di elementi volventi danneggiati.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Picchi alla frequenza fondamentale di difetto degli elementi volventi (BSF) e alle sue armoniche. Ad esempio, BSF, 2xBSF, 3xBSF, ecc. In particolare, l'andamento dell'ampiezza di questi picchi può indicare il numero di elementi danneggiati: ad esempio, se la seconda armonica è maggiore, potrebbe suggerire la presenza di scheggiature su due sfere/rulli. Spesso, questo fenomeno è accompagnato da vibrazioni alle frequenze di difetto della pista, poiché il danneggiamento degli elementi volventi porta comunemente anche al danneggiamento della pista.

Caratteristica principale: La presenza di una serie di picchi distanziati dalla frequenza di rotazione dell'elemento volvente (BSF) anziché dalla frequenza di rotazione dell'albero identifica un difetto dell'elemento volvente. Un'ampiezza particolarmente elevata dell'armonica N-esima della BSF spesso implica che N elementi siano danneggiati (ad esempio, un picco 2xBSF molto elevato potrebbe indicare due sfere difettose).

Difetto della gabbia (gabbia del cuscinetto / FTF)

Descrizione dello spettro: Un difetto della gabbia (separatore) in un cuscinetto volvente genera vibrazioni alla frequenza di rotazione della gabbia – la Frequenza Fondamentale del Treno (FTF) – e alle sue armoniche. Queste frequenze sono solitamente sub-sincrone (al di sotto della velocità dell'albero). Lo spettro mostrerà picchi a FTF, 2xFTF, 3xFTF, ecc. e spesso una certa interazione con altre frequenze del cuscinetto a causa della modulazione.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Picchi a bassa frequenza corrispondenti alla frequenza di rotazione della gabbia (FTF) e ai suoi multipli interi. Ad esempio, se FTF ≈ 0,4x velocità dell'albero, si potrebbero osservare picchi a ~0,4x, ~0,8x, ~1,2x ecc. In molti casi, un difetto della gabbia coesiste con difetti della pista, quindi la FTF può modulare i segnali dei difetti della pista, producendo frequenze di somma/differenza (bande laterali attorno alle frequenze della pista).

Caratteristica principale: Uno o più picchi subarmonici (inferiori a 1x) che coincidono con la velocità di rotazione della gabbia del cuscinetto (FTF) sono indicativi di un problema alla gabbia. Questo fenomeno si manifesta spesso insieme ad altri segnali di guasto del cuscinetto. La caratteristica principale è la presenza di FTF e delle sue armoniche nello spettro, altrimenti rara a meno che la gabbia non sia in avaria.

Cosa fare: La comparsa di frequenze di usura dei cuscinetti è un invito all'azione. È necessario intensificare il monitoraggio di questa unità, verificare le condizioni di lubrificazione e iniziare a pianificare la sostituzione dei cuscinetti il prima possibile.

3.5. Guasti agli ingranaggi

Eccentricità dell'ingranaggio / albero piegato

Descrizione dello spettro: Questo difetto causa la modulazione della vibrazione dell'ingranaggio in presa. Nello spettro, il picco della frequenza di ingranamento (GMF) è circondato da picchi di banda laterale distanziati alla frequenza di rotazione dell'albero dell'ingranaggio (1x giri/min dell'ingranaggio). Spesso, anche la vibrazione dell'ingranaggio stessa, pari a 1x velocità di rotazione, risulta elevata a causa dell'effetto di squilibrio dovuto all'eccentricità.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Notevole aumento dell'ampiezza alla frequenza di accoppiamento dell'ingranaggio e alle sue armoniche inferiori (ad esempio, 1x, 2x, 3x GMF). Bande laterali evidenti compaiono attorno alla GMF (e talvolta attorno alle sue armoniche) a intervalli pari a 1x la velocità di rotazione dell'ingranaggio interessato. La presenza di queste bande laterali indica una modulazione di ampiezza della frequenza di accoppiamento da parte della rotazione dell'ingranaggio.

Caratteristica principale: La caratteristica distintiva è la frequenza di accoppiamento degli ingranaggi con bande laterali pronunciate a frequenza 1x. Questo andamento delle bande laterali (picchi equidistanti attorno al GMF in base alla velocità di rotazione) indica chiaramente l'eccentricità dell'ingranaggio o un albero piegato. Inoltre, la vibrazione fondamentale (1x) dell'ingranaggio potrebbe essere più elevata del normale.

Usura o danni ai denti degli ingranaggi

Descrizione dello spettro: I difetti dei denti degli ingranaggi (come denti usurati o rotti) producono un aumento delle vibrazioni alla frequenza di accoppiamento e alle sue armoniche. Lo spettro mostra spesso molteplici picchi GMF (1xGMF, 2xGMF, ecc.) di elevata ampiezza. Inoltre, attorno a questi picchi GMF compaiono numerose frequenze laterali, distanziate dalla frequenza di rotazione dell'albero. In alcuni casi, si può osservare anche l'eccitazione delle frequenze naturali degli ingranaggi (risonanze) con bande laterali.

Breve descrizione dei componenti spettrali: Picchi elevati alla frequenza di accoppiamento degli ingranaggi (frequenza di accoppiamento dei denti) e alle sue armoniche (ad esempio, 2xGMF). Intorno a ciascuna armonica principale GMF, si trovano picchi di banda laterale separati da una velocità di rotazione pari a 1x. Il numero e l'entità delle bande laterali attorno alle componenti GMF 1x, 2x, 3x tendono ad aumentare con la gravità del danno ai denti. Nei casi più gravi, possono comparire picchi aggiuntivi corrispondenti alle frequenze di risonanza dell'ingranaggio (con le proprie bande laterali).

Caratteristica principale: Il segno distintivo è la presenza di armoniche di frequenza multiple ad alta ampiezza nell'ingranaggio, accompagnate da fitti pattern di bande laterali. Questo indica un passaggio irregolare dei denti dovuto all'usura o alla rottura di un dente. Un ingranaggio fortemente usurato o danneggiato mostrerà ampie bande laterali (a intervalli di velocità pari a 1x) attorno ai picchi di frequenza dell'ingranaggio, distinguendolo da un ingranaggio sano (che avrebbe uno spettro più pulito concentrato a GMF).

Cosa fare: La comparsa di frequenze legate ai treni di ingranaggi richiede maggiore attenzione. Si raccomanda di controllare le condizioni dell'olio nel cambio per la presenza di particelle metalliche e di programmare un'ispezione del cambio per valutare l'usura o i danni ai denti.

È importante comprendere che, in condizioni reali, le macchine raramente presentano un solo guasto. Molto spesso, lo spettro è una combinazione di segnali di diversi difetti, come sbilanciamento e disallineamento. Questo può creare confusione per un diagnostico alle prime armi. In questi casi, si applica una semplice regola: affrontare prima il problema corrispondente al picco con l'ampiezza maggiore. Spesso, un guasto grave (ad esempio, un grave disallineamento) causa problemi secondari, come una maggiore usura dei cuscinetti o l'allentamento degli elementi di fissaggio. Eliminando la causa principale, è possibile ridurre significativamente la manifestazione di difetti secondari.

Sezione 4: Raccomandazioni pratiche e prossimi passi

Dopo aver acquisito le basi dell'interpretazione dello spettro, hai compiuto il primo e più importante passo. Ora è necessario integrare queste conoscenze nella tua pratica di manutenzione quotidiana. Questa sezione è dedicata a come passare da misurazioni singole a un approccio sistematico e a come utilizzare i dati ottenuti per prendere decisioni consapevoli.

4.1. Dalla misurazione singola al monitoraggio: il potere delle tendenze

Un singolo spettro è solo un'istantanea delle condizioni della macchina in un dato momento. Può essere molto informativo, ma il suo vero valore si rivela solo confrontandolo con le misurazioni precedenti. Questo processo è chiamato monitoraggio delle condizioni o analisi delle tendenze.

L'idea è molto semplice: invece di giudicare le condizioni della macchina in base ai valori assoluti delle vibrazioni ("buone" o "cattive"), si monitora come questi valori cambiano nel tempo. Un aumento lento e graduale dell'ampiezza a una certa frequenza indica un'usura sistematica, mentre un improvviso aumento è un segnale di allarme che indica il rapido sviluppo di un difetto.

Consiglio pratico:

• Creare uno spettro di base: Eseguire una misurazione approfondita su apparecchiature nuove, appena riparate o di cui si sa che sono in buone condizioni. Salvare questi dati (spettri e valori numerici) nell'archivio del programma Balanset-1A. Questo sarà il "punto di riferimento" per questa macchina.
• Stabilire la periodicità: Stabilisci la frequenza con cui eseguire le misurazioni di controllo. Per le apparecchiature di importanza critica, questa potrebbe essere una volta ogni due settimane; per le apparecchiature ausiliarie, una volta al mese o al trimestre.
• Garantire la ripetibilità: Eseguire ogni volta le misurazioni negli stessi punti, nelle stesse direzioni e, se possibile, nelle stesse condizioni operative della macchina (carico, temperatura).
• Confronta e analizza: Dopo ogni nuova misurazione, confrontare lo spettro ottenuto con quello di base e con quelli precedenti. Prestare attenzione non solo alla comparsa di nuovi picchi, ma anche all'aumento di ampiezza di quelli esistenti. Un brusco aumento dell'ampiezza di un picco (ad esempio, il doppio rispetto alla misurazione precedente) è un segnale affidabile di un difetto in via di sviluppo, anche se il valore assoluto della vibrazione è ancora entro i limiti accettabili secondo gli standard ISO.

4.2. Quando bilanciare e quando cercare un'altra causa?

L'obiettivo finale della diagnostica non è solo individuare un difetto, ma prendere la decisione giusta sulle azioni necessarie. Sulla base dell'analisi spettrale, è possibile sviluppare un algoritmo decisionale semplice ed efficace.

Algoritmo di azione basato sull'analisi dello spettro:

1. Ottenere uno spettro di alta qualità utilizzando Balanset-1A, preferibilmente in modalità "Grafici" (F8), effettuando misurazioni sia in direzione radiale che assiale.
2. Identifica il picco con l'ampiezza maggiore. Indica il problema dominante che dovrebbe essere affrontato per primo.
3. Determina il tipo di guasto in base alla frequenza di questo picco:
   • Se domina il picco 1x: La causa più probabile è lo squilibrio.
     Azione: Eseguire una procedura di bilanciamento dinamico utilizzando la funzionalità del dispositivo Balanset-1A.
   • Se il picco 2x domina (soprattutto se è alto nella direzione assiale): La causa più probabile è il disallineamento dell'albero.
     Azione: Il bilanciamento non è efficace. È necessario fermare l'unità ed eseguire l'allineamento dell'albero.
   • Se si osserva una "foresta" di molte armoniche (1x, 2x, 3x,...): La causa più probabile è un allentamento meccanico.
     Azione: Eseguire un'ispezione visiva. Controllare e serrare tutti i bulloni di montaggio. Ispezionare il telaio e le fondamenta per verificare la presenza di crepe.
   • Se i picchi non sincroni prevalgono nella gamma di frequenza media o alta: La causa più probabile è un difetto del cuscinetto volvente.
     Azione: Controllare la lubrificazione dell'unità cuscinetto. Iniziare a pianificare la sostituzione dei cuscinetti. Aumentare la frequenza di monitoraggio di questa unità per monitorare la velocità di sviluppo dei difetti.
   • Se la frequenza di accoppiamento degli ingranaggi (GMF) con bande laterali è dominante: La causa più probabile è un difetto dell'ingranaggio.
     Azione: Controllare le condizioni dell'olio nel cambio. Programmare un'ispezione del cambio per valutare l'usura o i danni ai denti.

Questo semplice algoritmo consente di passare dall'analisi astratta ad azioni di manutenzione concrete e mirate, che rappresentano l'obiettivo finale di ogni lavoro diagnostico.

Conclusione

Il dispositivo Balanset-1A, originariamente progettato come strumento specializzato per l'equilibratura, ha un potenziale significativamente maggiore. La capacità di ottenere e visualizzare spettri di vibrazione lo trasforma in un potente analizzatore di vibrazioni entry-level. Questo articolo intendeva fungere da ponte tra le capacità operative del dispositivo descritte nel manuale e le conoscenze fondamentali necessarie per interpretare i dati ottenuti dalle sessioni di analisi delle vibrazioni.

Padroneggiare le competenze di base dell'analisi spettrale non significa solo studiare la teoria, ma acquisire uno strumento pratico per aumentare l'efficienza del proprio lavoro. Comprendere come vari guasti – squilibri, disallineamenti, allentamenti e difetti dei cuscinetti – si manifestino come "impronte digitali" uniche sullo spettro delle vibrazioni consente di osservare l'interno di una macchina in funzione senza doverla smontare.

Punti chiave di questa guida:

• La vibrazione è informazione. Ogni picco nello spettro trasporta informazioni su uno specifico processo che avviene nel meccanismo.
• FFT è il tuo traduttore. La trasformata di Fourier veloce traduce il linguaggio complesso e caotico delle vibrazioni nel linguaggio semplice e comprensibile delle frequenze e delle ampiezze.
• La diagnostica è il riconoscimento di schemi. Imparando a identificare i modelli spettrali caratteristici dei difetti più importanti, è possibile determinare in modo rapido e preciso la causa principale dell'aumento delle vibrazioni.
• Le tendenze sono più importanti dei valori assoluti. Il monitoraggio regolare e il confronto dei dati attuali con i dati di base costituiscono la base di un approccio predittivo, che consente di individuare i problemi nella fase iniziale.

Il percorso per diventare un analista delle vibrazioni competente e sicuro di sé richiede tempo e pratica. Non abbiate paura di sperimentare, raccogliere dati da diverse apparecchiature e creare la vostra libreria di "spettri di salute" e "spettri di malattia". Questa guida vi ha fornito una mappa e una bussola. Utilizzate Balanset-1A non solo per "trattare" i sintomi tramite il bilanciamento, ma anche per formulare una "diagnosi" accurata. Questo approccio vi consentirà di aumentare significativamente l'affidabilità delle vostre apparecchiature, ridurre il numero di arresti di emergenza e raggiungere un livello di manutenzione qualitativamente nuovo.