Înțelegerea vibrațiilor axiale în mașinile rotative
Vibrații axiale (numită și vibrație longitudinală sau de împingere) este mișcarea de înainte și înapoi a unui rotor în direcția paralelă cu axa sa de rotație. Unde vibrații laterale în timp ce mișcarea laterală este perpendiculară pe ax, vibrația axială reprezintă mișcarea axului în interiorul și în exteriorul lungimii sale, asemănător unui piston. De obicei, amplitudinea acesteia este mai mică decât vibrație radială, dar este extrem de revelator pentru o anumită categorie de defecțiuni — mai ales nealiniere, lagăr axial probleme și aspecte legate de procesul de funcționare al pompelor și compresoarelor. Un analist cu experiență le consideră o componentă indispensabilă, și nu opțională, a unui set complet de măsurători.
1. Caracteristici și măsurare
Direcție și mișcare
Vibrația axială are loc de-a lungul axei centrale a arborelui:
- Mișcarea este paralelă cu axa de rotație.
- Rotorul se mișcă înainte și înapoi, efectuând o mișcare alternativă.
- De obicei, se măsoară la carcasele rulmenților sau la capetele arborilor.
- Amplitudinea sa este de obicei mai mică decât cea a vibrației radiale, dar, atunci când apare, este mult mai revelatoare din punct de vedere diagnostic.
Configurația de măsurare
Captarea mișcării axiale necesită amplasarea atentă a senzorilor:
- Orientarea senzorului: o accelerometru sau traductor de viteză montat paralel cu axa arborelui.
- Locații tipice: capete de carcasă pentru rulmenți, carcase de capăt pentru motoare sau carcase pentru rulmenți de reacțiune.
- Senzori de proximitate: o sondă de proximitate orientat spre capătul arborelui poate măsura direct poziția axială.
- Importanţă: Adesea trecute cu vederea, dar esențiale pentru diagnosticarea completă a utilajelor
2. Cauzele principale ale vibrațiilor axiale
Nealinierea — cauza cea mai frecventă
Nealinierea arborelui, iar în special nealinierea unghiulară, este principala sursă de vibrații axiale:
- Simptom: vibrații axiale puternice de 1× sau 2× la viteza de funcționare.
- Mecanism: o deplasare unghiulară între arborii cuplați generează o forță axială oscilantă prin intermediul cuplajului la fiecare rotație.
- Indicator de diagnostic: O amplitudine axială mai mare de 50% din amplitudinea radială indică în mod clar o nealiniere.
- Relația de fază: valorile axiale la capetele de antrenare și la celelalte capete sunt, de obicei, decalate cu aproximativ 180° fază.
Defecte ale lagărului axial
Probleme cu rulment axial care fixează poziția axială a arborelui generează o vibrație axială caracteristică:
- Uzura sau deteriorarea rulmentului axial.
- Capacitate insuficientă a lagărului axial preîncărcare.
- Defecțiunea rulmentului axial care permite un joc axial excesiv.
- Probleme de lubrifiere specifice suprafețelor de reacție.
Forțe hidraulice sau aerodinamice
Forțele de proces din pompe, compresoare și turbine generează sarcini axiale:
- Pompă cavitație: Bulele de vapori care se sparg generează forțe de șoc axiale.
- Dezechilibru al rotorului centrifugal: fluxul asimetric generează o forță de împingere axială oscilantă.
- Turbulența în flux axial: în compresoarele axiale și turbine.
- Pompaj: O supratensiune a compresorului provoacă vibrații axiale puternice.
- Recirculare: funcționare în afara condițiilor nominale care provoacă instabilități ale debitului.
Joc mecanic
Jocurile excesive permit rotorului să se deplaseze axial:
- Suprafețe uzate ale lagărului axial.
- Componente slăbite ale cuplajului.
- Fixare axială insuficientă în ansamblul de rulmenți.
- Distanțiere sau șaibe uzate.
Probleme de cuplare
Uzura cuplajului sau montarea necorespunzătoare generează vibrații axiale:
- Dinții uzați ai cuplajului cu angrenaje permit o cursă axială.
- Cuplaj flexibil instalat incorect cuplaje.
- Erori legate de lungimea distanțierului de cuplare.
- Unghiurile articulațiilor universale care generează componente ale forței axiale.
Probleme legate de dilatarea termică
Diferențele de dilatare termică pot genera forțe axiale:
- Expansiunea termică a conductelor exercită o forță de împingere sau de tragere asupra echipamentului.
- Creștere termică inegală între mașinile cuplate.
- Așezarea fundației care afectează alinierea axială.
3. Importanța diagnostică
Diagnosticarea nealinierii
Vibrația axială este cel mai bun indicator al nealiniamentului:
- Regula generală: dacă vibrația axială depășește 50 % din vibrația radială, se poate bănui o nealiniere.
- Componența spectrală: în principal 1× pentru dezaxarea paralelă; atât 1×, cât și 2× pentru dezaxarea unghiulară.
- Analiza fazelor: O diferență de fază de 180° între valorile măsurate pe ax la capetele opuse confirmă nealinierea.
- Confirmare: vibrații axiale puternice, care scad brusc după reglarea de precizie alinierea arborilor confirmă diagnosticul.
Diagnosticarea pompelor și a compresoarelor
Pentru echipamentele rotative de manipulare a fluidelor:
- Cavitație: vibrații axiale de înaltă frecvență, aleatorii, de bandă largă.
- Dezechilibru hidraulic: 1× vibrație axială cauzată de încărcarea asimetrică a rotorului.
- Pompaj: oscilație axială de mare amplitudine și frecvență joasă.
- Frecvența de trecere a palelor: o componentă axială la frecvența de trecere a palelor indică existența unor probleme de curgere.
Evaluarea stării rulmenților
- O creștere bruscă a vibrațiilor axiale poate indica deteriorarea rulmentului axial.
- Vibrațiile axiale la frecvențele caracteristice defectelor rulmentului axial confirmă existența unei probleme la rulment.
- O flotare axială excesivă măsurată cu sonde de proximitate indică uzura rulmentului
4. Niveluri și standarde acceptabile
Orientări generale
Standardele generale privind vibrațiile utilajelor — cele moderne ISO 20816 seria, care a înlocuit standardul ISO 10816 — se concentrează în principal pe vibrațiile radiale, astfel încât limitele axiale sunt de obicei stabilite în raport cu acestea:
- În raport cu direcția radială: În condiții normale, vibrațiile axiale ar trebui să rămână sub 50 % din vibrațiile radiale.
- Limite absolute: de obicei, între 25 și 50 % din limita radială pentru clasa mașinii respective.
- Comparație cu valorile inițiale: o creștere de 50–100% față de linie de bază merită investigat, indiferent de valoarea absolută.
Standarde specifice echipamentelor
- API 610 (pompe centrifuge): precizează atât limitele vibrațiilor radiale, cât și pe cele ale vibrațiilor axiale.
- API 617 (compresoare centrifuge): include criterii de acceptare a vibrațiilor axiale.
- Turbomașini: sunt adesea monitorizate în mod continuu cu ajutorul unor senzori specializați pentru poziția axială și vibrațiile axiale, adesea pentru a API 670 practici de protecție a utilajelor.
5. Metode de corectare și atenuare
În cazul unei aliniări incorecte
- Alinierea precisă a arborilor: utilizați instrumente de aliniere cu laser pentru a corecta dezaxarea unghiulară și paralelă.
- Corectarea picioarelor moi: asigurați-vă că fiecare picior de fixare este așezat perfect orizontal înainte de aliniere — consultați picior moale.
- Toleranța la dilatarea termică: să țineți cont de dilatarea termică la temperatura de funcționare atunci când stabiliți valorile țintă pentru alinierea la rece.
- Dispozitiv de protecție împotriva întinderii conductelor: eliminarea forțelor exercitate de conducte care provoacă deplasarea echipamentelor din aliniament.
În cazul problemelor legate de lagărul axial
- Înlocuiți componentele uzate ale lagărului axial.
- Verificați dacă preîncărcarea și jocurile rulmentului axial sunt corecte.
- Asigurați-vă că suprafețele de reacție sunt lubrifiate corespunzător.
- Verificați dacă instalarea și reglarea cu șaibe sunt corecte.
Pentru forțele axiale generate de proces
- Eliminați cavitația: creșterea presiunii la intrare, scăderea temperaturii fluidului, eliminarea blocajelor la intrare.
- Optimizați punctul de funcționare: mențineți pompele și compresoarele în limitele domeniului de funcționare prevăzut.
- Echilibrarea forțelor hidraulice: utilizați orificii de echilibrare sau palete posterioare pe rotoare.
- Control anti-pompaj: implementați măsuri eficiente de prevenire a pompajului la compresoare.
În cazul problemelor mecanice
- Înlocuiți cuplajele și componentele cuplajelor uzate.
- Strângeți conexiunile mecanice slăbite.
- Verificați dacă dimensiunile distanțierului și ale șaibei de reglare sunt corecte.
- Montați cuplajele conform specificațiilor producătorului.
6. Cele mai bune practici în materie de măsurare
Instalarea senzorilor
- Montaj ferm: preferați știfturile sau adezivul în locul magneților pentru măsurătorile axiale, acolo unde este posibil — a se vedea montarea senzorului.
- Verificați orientarea: asigurați-vă că senzorul este perfect paralel cu axa arborelui, fără a fi înclinat.
- Ambele capete: măsurați vibrațiile axiale atât la capătul de antrenare, cât și la cel opus, pentru a putea compara fazele.
- Senzori de proximitate: pentru echipamentele critice, instalați senzori permanenți de poziție axială.
Colectarea datelor
- Înregistrați întotdeauna datele axiale împreună cu măsurătorile radiale orizontale și verticale.
- Înregistrați relația de fază dintre citirile axiale la diferite locații.
- Comparați raporturile dintre amplitudinile axiale și cele radiale.
- Tendință vibrațiile axiale în timp, pentru a depista din timp eventualele probleme.
7. Vibrații axiale vs. radiale
Distingerea celor două direcții este esențială pentru identificarea defectelor:
| Aspect | Vibrații radiale (laterale) | Vibrații axiale |
|---|---|---|
| Direcţie | Perpendicular pe axa arborelui | Paralel cu axa arborelui |
| Amplitudine tipică | Superior | Inferior (de obicei < 50% din cea radială) |
| Cauze primare | Dezechilibru, arbore îndoit, defecte ale rulmenților | Nealiniere, probleme legate de lagărul axial, forțe de proces |
| Valoarea diagnostică | Starea generală a utilajelor | Specific pentru probleme de nealiniere și probleme axiale (lagăr axial) |
| Prioritate de monitorizare | Focus principal | Secundar, dar esențial pentru diagnostic |
8. Diagnosticul practic pe teren
În practică, testul decisiv al vibrațiilor axiale este unul comparativ: se măsoară amplitudinea și faza pe axă la ambele capete ale rulmentului și se compară cu valorile radiale. Un aparat portabil cu două canale analizor de vibrații cum ar fi Balanset-1A este foarte potrivit pentru acest lucru, deoarece cele două canale ale sale pot capta ambele capete simultan, folosind un tahometru referința de fază — generând diferența de fază axială caracteristică de 180° specifică nealiniamentului, precum și raportul 1×/2× armonic model în FFT spectru, vizibil imediat. Aceeași comparație ne ferește de o greșeală costisitoare: vibrația radială ridicată de 1× este adesea atribuită dezechilibru, dar o componentă axială puternică indică, dimpotrivă, o nealiniere, pe care niciun fel de echilibrare va rezolva problema. Confirmarea direcției mișcării dominante înainte de a apela la masele de probă este ceea ce face diferența între o reparație durabilă și o după-amiază pierdută.
9. Aplicații industriale
Monitorizarea vibrațiilor axiale este deosebit de utilă pentru:
- Pompe centrifuge: detectarea forței hidraulice și a cavitației.
- Compresoare: monitorizarea lagărelor axiale și detectarea pompajului.
- Turbine: forțele axiale exercitate asupra palelor și starea lagărului axial.
- Echipamente cuplate: verificarea aliniamentului și a stării cuplajului.
- Echipamente de proces: monitorizarea condițiilor de curgere.
Deși vibrațiile axiale sunt adesea eclipsate de semnalul radial, mai evident, analiștii cu experiență apreciază valoarea lor diagnostică. O mare parte din defectele pe care măsurătorile radiale le-ar omite sunt evidențiate de modelul axial — tocmai de aceea o analiză aprofundată monitorizarea stării programul măsoară întotdeauna în toate cele trei direcții.
