Înțelegerea vibrațiilor radiale în mașinile rotative
Vibrații radiale este mișcarea unui arbore rotativ perpendiculară pe axa sa de rotație, care se propagă spre exterior din centru, asemenea spițelor unei roți. Termenul „radial” se referă la orice direcție care se îndepărtează de linia centrală a arborelui, cuprinzând astfel atât mișcarea orizontală (dintr-o parte în alta), cât și cea verticală (în sus și în jos). Este aceeași mărime pe care inginerii o numesc vibrații laterale sau vibrație transversală, fiind de departe cea mai des măsurată și analizată formă de vibrații în cazul mașinilor rotative — primul indicator pe care îl analizează un tehnician specializat în fiabilitate și cel pe care se bazează majoritatea standardelor internaționale. În practică, acesta se măsoară în două direcții perpendiculare la fiecare rulment, astfel încât să poată fi reconstituită traiectoria completă a arborelui în spațiu.
1. Definiție și instrucțiuni de măsurare
Deoarece un arbore se poate deplasa în orice direcție în planul perpendicular pe axa sa, un singur senzor nu oferă niciodată o imagine completă. Două sonde montate la un unghi de 90° una față de cealaltă la fiecare rulment înregistrează imaginea radială completă, iar valorile măsurate sunt de obicei raportate atât separat, cât și combinate.
Vibrații radiale orizontale
Vibrația orizontală este mișcarea de la o parte la alta a arborelui:
- Perpendicular pe axa puțului și paralel cu podeaua.
- Adesea, acesta este cel mai ușor accesibil punct de măsurare pe o mașină orizontală.
- Rezultă din asimetria dintre gravitație și rigiditatea fundației, precum și din funcțiile de forțare orizontală.
- Orientarea standard de măsurare pentru majoritatea programelor de monitorizare de rutină.
Vibrație radială verticală
Vibrația verticală este mișcarea de sus în jos a arborelui:
- Perpendicular pe axa puțului și perpendicular pe podea.
- Influențat direct de gravitație și de greutatea statică a rotorului.
- De obicei, amplitudinea este mai mare decât cea orizontală, deoarece greutatea rotorului generează o rigiditate asimetrică a structurii de susținere.
- Este esențial pentru diagnosticarea mașinilor orientate vertical, cum ar fi pompele și motoarele verticale, unde termenii „orizontal” și „vertical” își pierd sensul obișnuit, iar cele două axe radiale sunt pur și simplu ortogonale.
Vibrația radială generală
Mișcarea radială totală este suma vectorială a celor două componente măsurate:
Total radial = √(Orizontală² + Verticală²)
- Reprezintă amplitudinea reală a mișcării, indiferent de direcție.
- Util pentru evaluarea gravității pe o singură treaptă și pentru setarea alarmei.
- Deoarece cele două axe ating rar punctul maxim în același moment, traiectoria descrisă de arbore este de obicei o elipsă, nu un cerc — un aspect care capătă importanță în analiza traiectoriei.
2. Cauzele principale ale vibrațiilor radiale
Vibrațiile radiale sunt generate de orice forță care acționează perpendicular pe axa arborelui. Identificarea frecvenței dominante reprezintă esența diagnosticului, deoarece fiecare defecțiune lasă o amprentă caracteristică.
1. Dezechilibrul (cauza principală)
Dezechilibra este cea mai frecventă sursă de vibrații radiale la echipamentele rotative:
- It creates a forță centrifugă care se rotește odată cu arborele, apărând la viteză de rulare (1X).
- Forța crește proporțional cu masa dezechilibrată, cu raza acesteia și — în mod decisiv — cu pătratul vitezei, astfel încât un punct mic și greu devine o problemă serioasă pe măsură ce turația crește.
- Are o formă aproximativ circulară sau eliptică orbita arborelui.
- Aceasta poate fi remediată prin echilibrare, singura dintre aceste defecțiuni care poate fi, de obicei, remediată fără a fi necesară înlocuirea pieselor.
2. Nealiniere
Nealinierea arborelui între mașinile cuplate generează atât forțe radiale, cât și vibrații axiale:
- Se manifestă în principal sub forma unei vibrații radiale de tip 2X (de două ori pe rotație).
- De asemenea, generează multiplicatori de 1X, 3X și mai mari armonice.
- Vibrațiile axiale intense care însoțesc semnalul radial constituie un indiciu important.
- The fază Relația dintre cele două rulmenți indică dacă dezalinierea este unghiulară, paralelă (decalaj) sau ambele.
3. Defecte mecanice
Mai multe probleme mecanice generează modele radiale caracteristice:
- Defecte ale rulmentului: impacturi de înaltă frecvență la frecvențele defectelor rulmenților.
- Arbore îndoit sau curbat: O vibrație de tip 1X care seamănă cu un dezechilibru, dar care se manifestă chiar și la viteze mici — vezi arcul arborelui.
- Slăbiciune: armonici multiple (1X, 2X, 3X și mai mult) cu un comportament neliniar, adesea direcțional.
- Crăpături: Vibrații de 1X și 2X care se modifică la pornire și oprire — o caracteristică distinctivă a unui rotor crăpat.
- Frecări: un amestec de componente subsincrone și sincrone, caracteristic pentru frecare rotor.
4. Forțe aerodinamice și hidraulice
Forțele de proces din interiorul pompelor, ventilatoarelor și compresoarelor exercită o forță radială proprie:
- Frecvența de trecere a lamei (numărul de pale × turația).
- Dezechilibru hidraulic cauzat de un debit asimetric.
- Formarea de vârtejuri și turbulența fluxului.
- Funcționarea în regim de recirculare și în condiții de funcționare neconforme cu specificațiile, inclusiv cavitație in pumps.
5. Condiții de rezonanță
Când utilajul funcționează în apropierea unui viteză critică, vibrația radială se amplifică dramatic:
- O frecvență naturală coincide cu o frecvență de forțare, condiția clasică pentru rezonanţă.
- Amplitudinea este limitată atunci doar de sistemul amortizare.
- Nivelurile pot atinge valori catastrofale într-un interval restrâns de viteză.
- Prin urmare, proiectarea necesită marje de siguranță adecvate între viteza de funcționare și vitezele critice.
3. Standarde și parametri de măsurare
Unități de măsură
Vibrațiile radiale pot fi exprimate prin trei parametri corelați, fiecare fiind adecvat pentru un interval de frecvență diferit:
- Deplasare: distanța efectivă parcursă (micrometri µm sau mils). Se utilizează pentru utilajele cu viteză redusă și sondă de proximitate dimensiunile arborelui.
- Viteză: rata de variație a deplasării (mm/s, in/s). Cel mai frecvent utilizat parametru pentru utilajele industriale generale și baza standardelor ISO privind severitatea.
- Accelerare: rata de variație a vitezei (m/s², g). Se utilizează în aplicații de înaltă frecvență, cum ar fi detectarea defectelor la rulmenți.
Alegerea este importantă deoarece aceeași mișcare fizică poate părea inofensivă într-un sistem și alarmantă în altul — viteza tinde să uniformizeze spectrul în banda de frecvențe medii, unde se regăsesc majoritatea defectelor echipamentelor rotative, motiv pentru care aceasta stă la baza limitelor ISO.
Standarde internaționale
The ISO 20816 Seria prezintă limitele de intensitate ale vibrațiilor radiale. (Aceasta înlocuiește vechea serie ISO 10816 și standardul anterior ISO 2372; se va face referire la ISO 20816 ca sursă oficială.)
- ISO 20816-1: orientări generale privind evaluarea vibrațiilor echipamentelor.
- ISO 20816-3: criterii specifice pentru mașinile industriale cu o putere mai mare de 15 kW.
- Zone de severitate: A (bun), B (acceptabil), C (nesatisfăcător), D (inacceptabil)
- Locul măsurării: de obicei pe carcasele rulmenților, în direcție radială.
Standarde specifice industriei
- API 610: Limitele vibrațiilor radiale pentru pompele centrifuge.
- API 617: criterii privind vibrațiile pentru compresoarele centrifuge.
- API 684: proceduri de analiză a dinamicii rotorului pentru previzionarea vibrațiilor radiale.
- NEMA MG-1: limitele de vibrații pentru motoarele electrice.
4. Tehnici de monitorizare și diagnosticare
Monitorizare de rutină
Programele standard monitorizează vibrațiile radiale conform unui program prestabilit:
- Colectare pe traseu: citiri periodice la intervale fixe (lunar, trimestrial).
- Tendințe la nivel general: urmărind creșterea amplitudinii totale în timp.
- Alarm limits: stabilite de standardele ISO sau de standardele specifice echipamentului.
- Comparaţie: current versus linie de bază, precum și pe orizontală față de verticală.
Analiză avansată
Atunci când se suspectează existența unei probleme, instrumentele mai avansate îi dezvăluie natura:
- Analiza FFT: a frequency spectru descompunerea vibrației în componentele sale.
- Formă de undă temporală: semnalul brut în funcție de timp, evidențiind tranziențele și modulația.
- Analiza fazelor: relațiile temporale dintre punctele de măsurare.
- Analiza orbitei: traiectoria axului central care se suprapune direct peste măsurătorile radiale.
- Analiza anvelopei: demodularea de înaltă frecvență pentru detectarea timpurie a defectelor la rulmenți.
Monitorizare continuă
Echipamentele critice sunt, de obicei, monitorizate permanent:
- Senzori de proximitate pentru măsurarea directă a mișcării arborelui.
- Montat definitiv accelerometre pe carcasele rulmenților.
- Tendințe și alerte în timp real.
- Integrare cu sistemul automat protecția utilajelor sisteme.
5. Diferențe între orientarea orizontală și cea verticală
Relații tipice de amplitudine
Pe multe aparate, valoarea pe axa verticală este mai mare decât cea pe axa orizontală:
- Efectul gravitației: Greutatea rotorului generează o deformare statică care conferă rigiditate în direcție verticală.
- Rigiditate asimetrică: fundamentele și structurile de susținere sunt adesea mai rigide pe plan orizontal.
- Raport tipic: Este frecventă o vibrație verticală de 1,5–2 ori mai mare decât cea orizontală.
- Efectul de echilibrare: greutățile de corecție amplasate în partea inferioară a rotorului (punctul de acces cel mai ușor) tind să reducă în mod preferențial vibrațiile verticale.
Diferențe diagnostice
- Dezechilibra: poate indica mai puternic într-o anumită direcție, în funcție de locul în care se află punctul de greutate.
- Slăbiciune: își manifestă adesea mai clar caracterul neliniar pe direcția verticală.
- Probleme legate de fundație: Vibrațiile verticale sunt mai sensibile la deteriorarea fundației.
- Nealiniere: pot apărea diferit în cazul citirilor orizontale față de cele verticale, în funcție de tipul de nealiniere.
6. Legătura cu dinamica rotorului
Vibrația radială se află în centrul dinamica rotorului analiză, deoarece comportamentul la încovoiere radială al unui arbore determină modul — și locul — în care acesta va prezenta defecte de funcționare.
Viteze critice
- Frecvențele naturale radiale determină vitezele critice.
- Viteza critică inițială corespunde, de obicei, primului mod de încovoiere radială.
- Diagrame Campbell să prevadă comportamentul radial în funcție de viteză.
- Marjele de separare față de vitezele critice mențin sub control vibrațiile radiale.
Forme de mod
- Fiecare mod radial are o caracteristică forma de deformare.
- Primul mod: un arc simplu.
- Al doilea mod: o curbă în formă de S cu o punct nodal.
- Moduri superioare: modele din ce în ce mai complexe.
Considerații de echilibrare
- Echilibrarea vizează reducerea vibrațiilor radiale la frecvența 1X.
- Coeficienți de influență corelează fiecare coeficient de corecție cu variația rezultată a vibrației radiale.
- The best planul de corecție pozițiile decurg din formele modale radiale.
7. Corectarea, controlul și exercițiile practice
Pentru dezechilibru
- Echilibrare pe teren folosind un analizor portabil. Un instrument cu două canale, cum ar fi Balanset-1A măsoară amplitudinea și faza radială 1X la fiecare rulment, calculează coeficienții de influență și permite inginerului să echilibreze rotorul în propriile rulmenți la viteza de funcționare — fără demontare și fără mașină de echilibrare. Pentru a transforma o valoare măsurată într-o masă de echilibrare, puteți utiliza, de asemenea, calculator pentru greutatea de probă.
- Plan unic sau echilibrare pe două planuri proceduri, alese în funcție de geometria rotorului.
- Echilibrare de precizie în atelier pe un mașină de echilibrat pentru componentele cele mai importante.
Pentru probleme mecanice
- Aliniere de precizie pentru corectarea deformațiilor.
- Înlocuirea rulmentului în cazul defectării acestuia.
- Strângerea componentelor slăbite.
- Reparații la fundație pentru probleme structurale.
- Îndreptarea arborilor sau înlocuirea arborilor îndoiți.
Pentru probleme de rezonanță
- Modificări ale vitezei pentru a evita intervalele de viteză critică.
- Modificări ale rigidității (diametrul arborelui, modificări ale poziției rulmentului)
- Îmbunătățiri ale sistemului de amortizare, cum ar fi amortizoare cu peliculă de compresie sau alegerea unui rulment adecvat.
- Modificări ale masei pentru a îndepărta frecvențele naturale de viteza de funcționare.
8. Importanța în întreținerea predictivă
Monitorizarea vibrațiilor radiale reprezintă piatra de temelie a mentenanță predictivă:
- Detectarea timpurie a defectelor: Modificările vibrațiilor radiale preced defecțiunile cu săptămâni sau luni
- În tendințe: Creșterile treptate indică apariția unei probleme.
- Diagnosticarea defecțiunilor: Conținutul de frecvență identifică tipul specific de defecțiune.
- Evaluarea severității: Amplitudinea indică gravitatea și urgența problemei.
- Programarea lucrărilor de întreținere: activitatea se desfășoară în funcție de condițiile existente, nu de calendar.
- Cost savings: se evită defecțiunile grave și se optimizează intervalele de întreținere.
Fiind principala măsurătoare a vibrațiilor la utilajele rotative, vibrațiile radiale oferă informații esențiale privind starea echipamentelor, fiind astfel indispensabile pentru funcționarea fiabilă, sigură și eficientă a echipamentelor industriale rotative.
