Înțelegerea vibrațiilor laterale în mașinile rotative
Vibrații laterale — numită și vibrație radială sau transversală — este mișcarea unui arbore rotativ perpendicular pe axa sa de rotație. În termeni simpli, este mișcarea dintr-o parte în alta și de sus în jos a arborelui în timp ce se rotește. Este de departe cea mai frecventă formă de vibrații în mașinile rotative și este în mod normal cauzată de forțe radiale precum dezechilibra, nealiniere, un arbore încovoiat sau defecte ale rulmentului. Înțelegerea ei este fundamentală pentru dinamica rotorului, deoarece este modul principal de vibrație pentru majoritatea echipamentelor și obiectul aproape al întregii monitorizări a vibrațiilor și echilibrare lucru.
1. Direcție și măsurare
Vibrația laterală se măsoară în planul perpendicular pe axa arborelui. Două direcții ortogonale o descriu complet:
- Horizontal: mișcare dintr-o parte în alta, paralelă cu solul.
- Vertical: mișcare de sus în jos, perpendiculară pe sol.
- Radial: orice direcție perpendiculară pe axa arborelui — în practică, combinația vectorială a componentelor orizontală și verticală.
Separarea în orizontal și vertical nu este pur academică: rigiditatea reazemelor diferă de obicei între cele două direcții, astfel încât o mașină vibrează adesea mai mult într-o direcție decât în cealaltă, iar diferența în sine reprezintă un indiciu de diagnostic. Măsurătorile se efectuează de regulă la:
- Carcase de rulmenți: using an accelerometru sau un traductor de viteză pe capacul lagărului sau pe postament.
- Shaft surface: utilizând un senzor fără contact sondă de proximitate care măsoară direct mișcarea arborelui în raport cu lagărul.
- Orientări multiple: citirile în direcțiile orizontală și verticală oferă o imagine completă a mișcării laterale.
2. Cauzele principale ale vibrațiilor laterale
Vibrațiile laterale provin din numeroase surse, iar valoarea analizei constă în faptul că fiecare lasă o semnătură caracteristică în frecvență, fază și orbită.
Dezechilibru (cel mai frecvent)
Dezechilibra este cauza cea mai frecventă. O distribuție asimetrică a masei creează o forță centrifugă rotativă care produce:
- O vibrație la 1× — o dată per rotație la viteză de funcționare.
- O amplitudine relativ stabilă fază relationship.
- O amplitudine care crește cu pătratul turației.
- O orbită aproximativ circulară sau eliptică orbita arborelui.
Nealiniere
Nealinierea arborelui între mașinile cuplate generează forțe laterale care prezintă:
- O componentă dominantă la 2× (de două ori per rotație).
- Excitarea componentei 1× și, de asemenea, a armonicelor superioare.
- De obicei și o componentă axială ridicată — o caracteristică distinctivă esențială.
- Relații de fază care diferă de cele ale dezechilibrului.
Arbore îndoit sau deformat
Un arbore permanent îndoit sau curbat introduce o excentricitate geometrică ce produce:
- Vibrații 1× care pot semăna foarte mult cu dezechilibrul.
- Vibrații ridicate chiar și la viteze reduse de rotație.
- O stare pe care echilibrarea singură nu o poate remedia cu adevărat — cauza încovoierea arborelui trebuie remediat.
Defecte ale rulmentului
Rulment cu element de rostogolire defectele produc o semnătură laterală distinctivă:
- Componente de înaltă frecvență la frecvențele de defect ale lagărului.
- Modulare prin frecvențe mai joase, creând benzi laterale.
- O semnătură care necesită adesea analiza anvelopei pentru a fi extrasă din zgomotul de bandă largă.
Joc mecanic
Lagărele, fundațiile sau șuruburile de fixare slăbite creează răspunsul neliniar tipic pentru joc mecanic:
- Un șir de armonici (1×, 2×, 3×, …).
- Un răspuns neliniar la forțare.
- Citiri erratice sau instabile.
Frecarea rotor-stator
Contact între părțile rotative și cele staționare — un frecare rotor — generates:
- Componente sub-sincrone.
- Schimbări bruște de amplitudine și fază.
- Posibilă curbare termică a arborelui pe măsură ce frecarea încălzește o parte a acestuia.
3. Vibrații laterale față de alte tipuri de vibrații
Mașinile rotative pot vibra în trei direcții principale, iar separarea acestora este primul pas în orice diagnoză.
| Tip | Direcţie | Typical causes | Măsurare |
|---|---|---|---|
| Laterală (radială) | Perpendicular pe axa arborelui | Dezechilibru, nealiniere, arbore îndoit, defecte ale rulmentului | Accelerometre sau senzori de viteză pe carcase; sonde de proximitate pe arbore |
| Axial | Paralel cu axa arborelui | Dezaliniere, probleme la lagărul axial, probleme de curgere a procesului | Accelerometre montate axial |
| De torsiune | Răsucire în jurul axei arborelui | Probleme la angrenaje, defecte electrice ale motorului, probleme la cuplaje | Senzori torsionali specializați sau traductoare de deformație |
Vibrația laterală este de obicei componenta cu cea mai mare amplitudine și cea pe care un accelerometru standard o citește cel mai ușor. Vibrația axială este de regulă mai mică, dar este utilă pentru diagnosticarea dezalinierii și a defectelor de împingere axială, în timp ce vibrația torsională este de obicei mică, însă poate provoca cedări prin oboseală și este invizibilă pentru senzorii radiali obișnuiți.
4. Moduri de vibrație laterală și viteze critice
În dinamica rotorului, modurile de vibrație laterală descriu formele caracteristice de deformare pe care le adoptă arborele, fiecare fiind asociat cu o viteză critică unde viteza de funcționare coincide cu o frecvență proprie.
- Primul mod lateral: o formă simplă de încovoiere — un singur arc sau o singură curbură — la cea mai joasă frecvență proprie. Este cel mai ușor de excitat prin dezechilibru, iar prima viteză critică îi corespunde.
- Al doilea mod lateral: o deformare în formă de S cu un punct nodal, la o frecvență proprie mai înaltă; aceasta este a doua viteză critică și are importanță în special pentru rotoare flexibile.
- Moduri laterale superioare: forme tot mai complexe cu mai multe noduri, relevante doar pentru rotoarele de foarte mare viteză sau foarte flexibile și uneori excitate de trecerea palelor sau de alte forțe de frecvență înaltă.
Cunoașterea poziției acestor viteze critice în raport cu viteza de funcționare este esențială pentru o proiectare sigură; o Calculator de viteză critică a rotorului oferă o primă estimare a frecvenței proprii a arborelui pornind de la geometria și suporturile sale.
5. Măsurare, monitorizare și standarde
Vibrația laterală este caracterizată de mai mulți parametri care acționează împreună:
- Amplitudine: amplitudinea mișcării, exprimată în deplasare (µm, mils), viteză (mm/s, in/s) sau accelerație (g, m/s²).
- Frecvenţă: de regulă 1× turația de funcționare pentru vibrația dominată de dezechilibru, dar extinzându-se la armonice și alte componente în cazul altor defecte.
- Faza: momentul deplasării de vârf raportat la un reper de referință de pe arbore.
- Orbită: traiectoria efectivă descrisă de centrul arborelui, privită din capăt.
Standardele internaționale stabilesc limitele acceptabile. Standardul Seria ISO 20816 — înlocuitorul modern al ISO 10816 — definește limitele de vibrație pentru diverse tipuri de mașini pe baza vitezei RMS, în timp ce coduri industriale precum API 610, 617 și API 684 acoperă în mod specific pompele, compresoarele și dinamica rotoarelor. Aceste cadre definesc zone de severitate — acceptabilă, de avertizare și de alarmă — scalate în funcție de tipul și dimensiunea echipamentului; pentru cazul frecvent al mașinilor industriale medii, puteți verifica o valoare măsurată în raport cu zonele cu ajutorul unui Instrument pentru limitele de vibrații ISO 20816-3.
6. Control și atenuare
Echilibrarea este remediul principal pentru vibrația laterală generată de dezechilibru. Abordarea depinde de rotor: echilibrare pe un singur plan pentru rotoarele de tip disc, echilibrare pe două planuri pentru majoritatea rotoarelor industriale și echilibrare modală pentru rotoarele flexibile care funcționează peste o turație critică.
Aliniere reduce forțele laterale provenite din nealinierea. Alinierea alinierea arborilor cu laser poziționează arborii cu precizie, dilatarea termică este luată în calcul în obiectivele de aliniere, iar picior moale este corectată înainte de începerea alinierii.
Amortizare controlează amplitudinile, în special în apropierea vitezelor critice: lagărele cu film de ulei oferă un amortizare, a amortizor cu peliculă de compresie adaugă mai mult acolo unde este necesar, iar tratamentele aplicate structurii de susținere ajută și ele.
Modificarea rigidității deplasează turațiile critice în afara intervalului de funcționare: mărirea diametrului arborelui le crește, reducerea bearing span crește prima turație critică, iar rigidizarea fundației modifică răspunsul întregului sistem — o reamintire că rigiditatea fundației face parte din sistemul rotor-lagăr, nefiind exterior acestuia.
7. Importanța în diagnosticare și practica în teren
Analiza vibrațiilor laterale este piatra de temelie a diagnosticării utilajelor. Urmărirea evoluției sale în timp dezvăluie problemele în curs de dezvoltare; frecvența și tiparul său identifică defectul specific; amplitudinea sa raportată la un standard indică gravitatea; reducerea sa confirmă o echilibrare reușită; iar nivelul său declanșează acțiuni de mentenanță bazate pe stare.
În teren, toate acestea se realizează pe utilajul în funcțiune. Inginerii montează senzori pe carcasele lagărelor și folosesc un instrument portabil cu două canale, precum Balanset-1A pentru a capta vibrațiile laterale în ambele direcții, a citi amplitudinea și faza la 1× și a vizualiza spectrul care separă dezechilibrul de nealiniere, joc sau defecte ale lagărelor. Deoarece același instrument măsoară amplitudinea și faza și calculează coeficienții de influență, inginerul poate trece direct de la diagnosticare la corectare — echilibrând rotorul în propriile lagăre la turația de funcționare și apoi remăsurând vibrațiile laterale pentru a verifica remedierea, fără a fi nevoie de o mașină de echilibrat sau de dezasamblare.
Gestionarea eficientă a vibrațiilor laterale este, în cele din urmă, ceea ce menține utilajele rotative în funcțiune în mod fiabil pe termen lung, motiv pentru care se află în centrul programelor de monitorizare a vibrațiilor, al strategiilor de mentenanță predictivă și al proiectării dinamicii rotoarelor deopotrivă.
