Analisi di fase: rendere più facile l’analisi delle vibrazioni

L’analisi delle vibrazioni è principalmente un’abilità appresa. Si basa per il 70% sull’esperienza e per il 30% sulla formazione in aula e sullo studio autonomo. Ci vogliono anni per diventare un analista di vibrazioni fiducioso e competente. Quando l’analisi è errata, anche le raccomandazioni per la riparazione saranno errate. Nessun analista di vibrazioni vuole fare la chiamata sbagliata. In questo business, la credibilità si guadagna a piccoli passi e si perde in grandi pezzi.

Un sensore di vibrazione posizionato su un alloggiamento del cuscinetto e collegato a un analizzatore di vibrazioni fornisce informazioni su tempo, frequenza e ampiezza sotto forma di forma d’onda e spettro (Figura 1). Questi dati sono la base per l’analisi delle vibrazioni. Contiene le firme di quasi tutti i difetti meccanici ed elettrici presenti sulla macchina.

Figura 1. Forma d’onda e spettro delle vibrazioni

Il processo di analisi delle vibrazioni comporta la determinazione della gravità delle vibrazioni, l’identificazione delle frequenze e dei modelli, l’associazione dei picchi e dei modelli con componenti meccanici o elettrici, la formazione di conclusioni e, se necessario, la formulazione di raccomandazioni per la riparazione.

Tutti coloro che si occupano di analisi delle vibrazioni sanno che l’analisi delle vibrazioni non è facile né automatizzata. Vi siete mai chiesti perché? Ecco alcuni motivi:

1) Le macchine hanno più errori: I modelli di vibrazione che impariamo in allenamento e leggiamo nei libri non hanno lo stesso aspetto nel mondo reale. Impariamo come i guasti meccanici ed elettrici appaiono nella forma più pura-come se ci fosse sempre un solo problema sulla macchina che causa vibrazioni. Le macchine di solito hanno più di un guasto che produce vibrazioni. Come minimo, tutte le macchine hanno un certo squilibrio e disallineamento. Quando si sviluppano altri difetti, la forma d’onda e lo spettro diventano rapidamente complicati e difficili da analizzare. I dati non corrispondono più ai modelli di guasto che abbiamo imparato.

2) Vibrazione di causa ed effetto: per ogni azione, c’è una reazione. Alcune delle vibrazioni che misuriamo sono l’effetto di altri problemi. Ad esempio, la forza causata dallo squilibrio del rotore può far sembrare la macchina fuori allineamento, sciolta o sfregata. Considerare tutte le cose che scuotono e sonaglio sulla vostra auto quando un pneumatico va fuori equilibrio.

3) Molti tipi di guasto hanno modelli simili: Poiché i rotori della macchina ruotano a una velocità particolare e la vibrazione è una forza ciclica, molti guasti meccanici ed elettrici presentano modelli di frequenza simili che rendono difficile distinguere un guasto da un altro.

Imparare ad analizzare le vibrazioni richiede solo tempo. Sono disponibili corsi di formazione, pubblicazioni tecniche e altre risorse come risorse online e materiale di autoapprendimento commerciale che possono migliorare le capacità di analisi e accorciare la curva di apprendimento.

C’è una tecnica diagnostica che arriva rapidamente alla fonte della maggior parte dei problemi di vibrazione. È forse il più potente di tutte le tecniche diagnostiche di vibrazione. È stato in giro fino a quando l’analisi delle vibrazioni stessa non ha ancora ricevuto molta attenzione, ed è raro trovare buone informazioni sull’argomento. Cos’è questa tecnica? Si chiama analisi di fase.

Che cos’è la fase?
La fase è la posizione di una parte rotante in qualsiasi istante rispetto a un punto fisso. La fase ci dà la direzione di vibrazione. La messa a punto di un motore di un’auto utilizzando una luce di temporizzazione e un sensore induttivo è un’applicazione dell’analisi di fase (Figura 2).

Figura 2. La messa a punto del motore utilizzando una luce di temporizzazione è l’analisi di fase.

Uno studio di fase è una raccolta di misure di fase effettuate su una macchina o una struttura e valutate per rivelare informazioni sul movimento relativo tra i componenti. Nell’analisi delle vibrazioni, la fase viene misurata utilizzando tecniche assolute o relative.

La fase assoluta viene misurata con un sensore e un contagiri che fanno riferimento a un segno sull’albero rotante (Figura 3). Ad ogni punto di misurazione, l’analizzatore calcola il tempo tra il grilletto del contagiri e la successiva vibrazione di picco della forma d’onda positiva. Questo intervallo di tempo viene convertito in gradi e visualizzato come fase assoluta (Figura 4). La fase può essere misurata alla frequenza di rotazione dell’albero o a qualsiasi numero intero multiplo della velocità dell’albero (frequenze sincrone). La fase assoluta è richiesta per equilibrare il rotore.

Figura 3. Misurazione della fase assoluta

La fase relativa viene misurata su un analizzatore di vibrazioni multicanale utilizzando due o più sensori di vibrazione (di tipo simile). L’analizzatore deve essere in grado di misurare la fase cross-channel. Un sensore ad asse singolo funge da riferimento fisso e viene posizionato da qualche parte sulla macchina (in genere su un alloggiamento del cuscinetto). Un altro sensore monoasse o triassiale viene spostato in sequenza su tutti gli altri punti di prova (Figura 5). Ad ogni punto di prova, l’analizzatore confronta le forme d’onda tra i sensori fissi e quelli mobili. La fase relativa è la differenza di tempo tra le forme d’onda a una frequenza specifica convertita in gradi (Figura 6). La fase relativa non richiede un tachimetro, quindi la fase può essere misurata a qualsiasi frequenza.

Figura 5. Misurazione della fase relativa

Figura 6. Fase relativa Calcolata tra due forme d’onda di vibrazione

Entrambi i tipi di misure di fase sono facili da fare. Fase relativa è il modo più conveniente per misurare la fase su una macchina perché la macchina non ha bisogno di essere fermato per installare nastro riflettente sull’albero. La fase può essere misurata a qualsiasi frequenza. La maggior parte degli analizzatori di vibrazioni a canale singolo può misurare la fase assoluta. Gli analizzatori di vibrazioni multicanale come il VibXpert di Pruftechnik illustrato nella Figura 7 hanno funzioni standard per misurare sia la fase assoluta che quella relativa.

Figura 7. Pruftechnik VibXpert Analizzatore di vibrazioni a 2 canali

Quando utilizzare l’analisi di fase
Tutti hanno bisogno di analisi di fase. Uno studio di fase dovrebbe essere effettuato su macchine problematiche quando la fonte della vibrazione non è chiara o quando è necessario confermare fonti sospette di vibrazione. Uno studio di fase può includere punti misurati solo sui cuscinetti della macchina o può includere punti su tutta la macchina dalla fondazione fino ai cuscinetti. Di seguito sono riportati esempi di come la fase può aiutare ad analizzare le vibrazioni.

Piede morbido
Il termine piede morbido viene utilizzato per descrivere la distorsione del telaio della macchina. Può essere causato da una condizione in cui il piede di un motore, pompa o altro componente non è piatto, quadrato e stretto al suo montaggio, o molte altre cose, come errori di lavorazione, piedi piegati o ritorti e superfici di montaggio non piatte. Piede morbido aumenta le vibrazioni e mette eccessivo stress su cuscinetti, guarnizioni e giunti. Piede morbido su un motore distorce l’alloggiamento dello statore creando un rotore non uniforme al traferro dello statore con conseguente vibrazione a due volte la frequenza di linea.

Un buon sistema di allineamento albero laser deve essere utilizzato per verificare piede morbido allentando i piedi della macchina uno alla volta.

Fase può essere utilizzato per identificare piede morbido mentre la macchina è in funzione. Misurare la fase verticale tra il piede e la sua superficie di montaggio. Se il giunto è stretto, l’angolo di fase è lo stesso tra le superfici. Se l’angolo di fase è diverso da più di 20 gradi, il piede è allentato o il telaio della macchina è rotto o fragile. La figura 8 è un esempio dello sfasamento su un piede morbido.

Figura 8. Uno sfasamento tra il piede e il supporto può indicare piede morbido.

Cuscinetti armati e alberi piegati
La fase viene utilizzata per rilevare cuscinetti armati e alberi piegati. Misurare la fase in quattro posizioni assiali attorno all’alloggiamento del cuscinetto. Se il cuscinetto è armato o l’albero è piegato attraverso il cuscinetto, la fase sarà diversa in ogni posizione. Se l’albero è dritto e il cuscinetto non si attorciglia, la fase sarà la stessa in ogni posizione (Figura 9).

Figura 9. Fase identifica in piano o torsione movimento del cuscinetto.

Conferma squilibrio
Una vibrazione radiale una volta per giro di solito significa squilibrio del rotore. Usa la fase per dimostrare che lo squilibrio è il problema. Per confermare lo squilibrio, misurare la fase orizzontale e verticale su un albero o un alloggiamento del cuscinetto. Se la differenza tra i valori di fase è di circa 90 gradi, il problema è lo squilibrio del rotore (Figura 10). Se la differenza di fase è più vicina a zero o 180 gradi, la vibrazione è causata da una forza di reazione. Un disallineamento eccentrico della puleggia e dell’albero sono esempi di forze di reazione.

Figura 10. Orizzontale a sfasamento verticale di circa 90 gradi Conferma Squilibrio

Scioltezza, flessione o torsione
Fase viene utilizzato per rilevare giunti sciolti su strutture e flessione o torsione a causa di debolezza o risonanza. Per verificare la scioltezza, misurare la fase verticale ad ogni giunto meccanico come indicato dalle frecce nella Figura 11. Quando le articolazioni sono allentate, ci sarà uno sfasamento di circa 180 gradi. L’angolo di fase non cambierà attraverso un giunto stretto.

Figura 11. Uno sfasamento tra i giunti bullonati indica scioltezza.

Disallineamento dell’albero
Il disallineamento dell’albero è facilmente verificabile con la fase. Misurare ciascun cuscinetto nelle direzioni orizzontale, verticale e assiale. Registrare i valori in una tabella o in un diagramma a bolle come mostrato in Figura 12. Confrontare la fase orizzontale da cuscinetto a cuscinetto su ciascun componente e attraverso l’accoppiamento. Ripetere il confronto utilizzando i dati verticali e assiali. Un buon allineamento non mostrerà alcun sostanziale sfasamento tra i cuscinetti o attraverso l’accoppiamento. La macchina in Figura 12 ha uno sfasamento di 180 gradi attraverso l’accoppiamento nelle direzioni radiali. Le direzioni assiali sono in fase attraverso la macchina. I dati indicano un disallineamento dell’albero parallelo (offset).

Figura 12. I dati di fase indicano un disallineamento dell’albero parallelo

Forme di deflessione operativa
Invece di confrontare i numeri di fase e magnitudine da una tabella o da un diagramma a bolle, è possibile utilizzare il software Operational Deflection Shape (ODS) per animare un disegno della macchina. Un ODS è una tecnica di misura utilizzata per analizzare il movimento di apparecchiature e strutture rotanti durante il normale funzionamento. Un ODS è un’estensione dell’analisi di fase in cui un modello generato al computer della macchina è animato con dati di fase e magnitudine o forme d’onda temporali misurate simultaneamente. L’animazione viene analizzata visivamente per diagnosticare i problemi. Il test ODS è in grado di identificare un’ampia varietà di guasti meccanici e problemi di risonanza come scioltezza, piede morbido, saldature rotte, disallineamento, squilibrio, flessione o torsione da risonanza, debolezza strutturale e problemi di fondazione.

La figura 13 è un ODS semplice di tre alberi ad accoppiamento diretto. La fase e la magnitudine sono state misurate da sonde di spostamento X e Y montate in modo permanente su un generatore a turbina. I valori elencati nella tabella sono stati utilizzati nel software ODS per animare un disegno a figure stilizzate degli alberi delle turbine ad alta e bassa pressione e dell’albero del generatore. L’immagine a destra della tabella è una cattura dall’animazione ODS che mostra il modello di vibrazione di ciascun albero e il movimento relativo tra gli alberi a 3.600 cicli al minuto (velocità di rotazione).

Figura 13. Forma di deflessione operativa dell’albero

Molte macchine vibrano a causa di fondazioni deteriorate, scioltezza, risonanza della struttura di supporto e altri problemi che si verificano sotto i cuscinetti della macchina. Uno studio di fase potrebbe includere centinaia di punti di prova misurati su tutta la macchina e la fondazione. Un buon software ODS può semplificare l’analisi dei dati di fase e magnitudine da un gran numero di punti di prova. L’analisi di un ODS comporta l’osservazione e l’interpretazione della macchina in movimento. Figura 14 è un disegno struttura ODS di una pompa verticale.

Figura 14. Pompa verticale deflessione operativa Disegno della struttura di forma

Conclusione
La prova di vibrazione basata su condizione è una componente vitale di un programma di manutenzione basato sull’affidabilità. Sensori di vibrazione, strumenti e software sono in grado di fornire informazioni chiave sullo stato della macchina. L’anello debole della catena è la capacità dell’analista di interpretare i dati, diagnosticare con precisione il problema e trend il guasto fino a quando è il momento di raccomandare azioni correttive. L’analisi di fase è uno strumento diagnostico molto potente. Ogni analista di vibrazioni dovrebbe utilizzare la fase per migliorare la precisione dell’analisi delle vibrazioni.

Circa l’autore:
Tony DeMatteo è un analista di vibrazione ed istruttore tecnico di addestramento con 4X Diagnostics LLC, una società di formazione e di servizio che fornisce i servizi consultivi, mentoring e formazione nella misura diagnostica, nell’analisi, nella prova operativa di forma di deviazione e nell’analisi modale. Può essere raggiunto a 585-293-3234 o www.4xdiagnostics.com.