Eliminazione delle vibrazioni eccessive delle apparecchiature rotanti: Guida diagnostica UNITEC-D

1. Problema e ambito di applicazione

Le vibrazioni eccessive delle apparecchiature rotanti sono un indicatore critico di potenziali malfunzionamenti che possono portare a interruzioni non pianificate della produzione, perdite finanziarie significative, peggioramento della qualità del prodotto e, soprattutto, minacce alla sicurezza del personale. Questo manuale UNITEC-D è progettato per diagnosticare ed eliminare sistematicamente le principali cause dell'aumento delle vibrazioni coprendo un'ampia gamma di apparecchiature rotanti industriali, tra cui pompe, ventilatori, motori elettrici, compressori, riduttori e turbine utilizzate nell'industria ucraina.

Classificazione della gravità delle vibrazioni secondo DSTU ISO 10816-1:2004:

• Critico: il livello di vibrazione che supera i limiti superiori dei valori consentiti (Zona D) richiede l'arresto immediato dell'apparecchiatura e la risoluzione dei problemi.
• Significativo: il livello di vibrazione nella zona C richiede un arresto pianificato dell'apparecchiatura per la diagnosi e la riparazione. Il funzionamento a lungo termine in quest'area riduce la durata dei componenti.
• Minore: il livello di vibrazione nella zona B indica la presenza di un malfunzionamento che potrebbe progredire. Si raccomanda un monitoraggio rafforzato.

L'identificazione tempestiva e accurata della causa principale delle vibrazioni è la chiave per un funzionamento affidabile e sicuro dell'apparecchiatura.

2. Precauzioni

Prima di iniziare qualsiasi lavoro diagnostico o di riparazione con apparecchiature rotanti, è necessario seguire rigide regole di sicurezza. Ignorare queste precauzioni potrebbe provocare lesioni gravi o mortali.

LA SICUREZZA DEL PERSONALE È LA NOSTRA PRIORITÀ

• Lockout/Tagout (LOTO): isolare e bloccare SEMPRE tutte le fonti di alimentazione (elettrica, idraulica, pneumatica) delle apparecchiature. Utilizzare le procedure LOTO standard in conformità con i regolamenti interni dell'azienda. Controllare la tensione e la pressione residua.
• Energia immagazzinata: fai attenzione all'energia potenzialmente immagazzinata nelle molle, negli accumulatori idraulici, nei volani e nei gas pressurizzati. Assicurarsi che tutte queste fonti di energia siano scariche o bloccate in modo sicuro.
• Dispositivi di protezione individuale (DPI): Utilizzare DPI adeguati: occhiali di sicurezza (DSTU EN 166), guanti (DSTU EN 388), scarpe protettive (DSTU EN ISO 20345), protezione dell'udito (DSTU EN 352).
• Superfici calde e alta pressione: maneggiare con cura le apparecchiature che funzionano a temperature o pressioni elevate. Utilizzare termocamere e manometri per valutare le condizioni.
• Parti rotanti: NON lavorare MAI vicino a parti rotanti senza coperture protettive.
• Consultare: in caso di dubbi sulla sicurezza, consultare un ingegnere senior o uno specialista in salute e sicurezza sul lavoro.

3. Strumenti diagnostici necessari

Una diagnosi efficace delle vibrazioni richiede un determinato insieme di strumenti. La loro corretta applicazione consente di ottenere dati accurati per l'analisi.

4. Lista di controllo per la valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi dettagliata è necessario raccogliere quante più informazioni possibili sulle condizioni di funzionamento e sulla storia dell'apparecchiatura. Ciò restringerà la gamma delle potenziali cause.

5. Flusso sistematico della diagnostica

La diagnosi delle vibrazioni richiede un approccio sistematico, partendo dalla misurazione del livello generale e procedendo ad un'analisi spettrale dettagliata per identificare le frequenze dominanti.

1. Misurare il livello generale di vibrazione:
   • Utilizzare un analizzatore di vibrazioni per misurare la velocità di vibrazione (mm/s RMS) sugli alloggiamenti dei cuscinetti in tre direzioni (orizzontale, verticale, assiale).
   • Confrontare i valori ottenuti con le soglie consentite secondo DSTU ISO 10816-1 per la classe della macchina corrispondente.
   • Se il livello di vibrazione totale supera la zona B (guasto minore) o C (guasto significativo): Vai al passaggio 2.
   • Altrimenti: probabilmente il problema non è legato alle vibrazioni meccaniche, oppure il suo livello è trascurabile. Monitoraggio migliorato.
2. Esegui l'analisi dello spettro (FFT) e l'analisi del segnale temporale:
   • Raccogli gli spettri di vibrazione (grafico dell'ampiezza della vibrazione rispetto alla frequenza) e il segnale temporale (grafico dell'ampiezza rispetto al tempo) su ciascun gruppo cuscinetto in tutte e tre le direzioni.
   • Determinare la velocità di rotazione dell'apparecchiatura (1X RPM) utilizzando un tachimetro.
   • Analizzare gli spettri per la presenza di frequenze dominanti e delle loro armoniche:
   • 1. IF è dominato da 1X RPM (velocità di rotazione del rotore) con ampiezza elevata:
        • THEN Controlla lo squilibrio:
          • IF l'ampiezza di 1X RPM è elevata nelle direzioni radiali (orizzontale/verticale) e varia proporzionalmente con la velocità.
          • POI Probabile causa: Squilibrio. Vai alla diagnosi squilibrio (paragrafo 7.1).
        • QUINDI controlla il disallineamento:
          • SE l'ampiezza di 1X RPM è alta nella direzione assiale o se 1X RPM e 2X RPM sono alti nelle direzioni radiali.
          • QUINDI Causa probabile: mancata corrispondenza. Vai alla diagnosi di mancata corrispondenza (paragrafo 7.2).
     2. SE dominato da 2X RPM (due volte la velocità del rotore) con ampiezza elevata:
        • THEN Controlla il disallineamento (angolare/parallelo):
          • SE l'ampiezza di 2X RPM è molto superiore a 1X RPM in direzioni radiali o se 2X RPM è elevato in direzione assiale.
          • QUINDI Causa probabile: mancata corrispondenza. Vai alla diagnosi di mancata corrispondenza (paragrafo 7.2).
     3. SE sono presenti armoniche alte (3X, 4X RPM e superiori) o subarmoniche (0,5X RPM):
        • QUINDI controlla l'allentamento:
          • SE le ampiezze armoniche non sono lineari o compaiono subarmoniche, così come rumore nel segnale di temporizzazione.
          • POI Probabile causa: Allentamento meccanico. Vai alla diagnosi dell'allentamento (paragrafo 7.5).
     4. SE sono presenti frequenze caratteristiche dei cuscinetti (BPFI, BPFO, FTF, BSF) o alte frequenze modulate in ampiezza:
        • QUINDI verificare la presenza di difetti dei cuscinetti:
          • Utilizzare l'analisi degli impulsi d'urto (SPM, PeakVue) o un rilevatore a ultrasuoni per confermare.
          • QUINDI Causa probabile: Difetti nei cuscinetti. Vai alla diagnosi dei difetti nei cuscinetti (punto 7.3).
     5. SE vibrazioni di ampiezza elevata a una frequenza che non è un'armonica della velocità di rotazione, ma è vicina ad essa o costante:
        • QUINDI verificare la risonanza:
          • Eseguire un run-up/coast-down o un test di shock per determinare le frequenze naturali.
          • QUINDI Causa probabile: Risonanza. Vai alla diagnostica della risonanza (paragrafo 7.4).

6. Matrice "Causa-guasto"

Questa matrice fornisce una rapida panoramica dei sintomi comuni delle vibrazioni, delle loro probabili cause e dei test diagnostici.

7. Analisi della causa principale di ogni malfunzionamento

7.1. Squilibrio del rotore

Perché si verifica: lo squilibrio è una distribuzione non uniforme della massa del rotore rispetto al suo asse di rotazione. Ciò può essere causato da difetti di fabbricazione, accumulo irregolare di contaminanti (ad esempio polvere sulla ventola, incrostazioni sul rotore della pompa), erosione o corrosione del materiale e riparazione o sostituzione imprecisa di componenti senza ulteriore bilanciamento. Ad esempio, riparare la pala di un ventilatore senza ripristinare l'equilibrio iniziale.

Come confermare: L'indicatore principale è una vibrazione dominante a 1X RPM in direzione radiale, che aumenta proporzionalmente con la velocità di rotazione. L'analisi di fase mostra una fase di vibrazione stabile. L'esecuzione di un giro di prova con l'aggiunta di una massa di prova e l'analisi della variazione delle vibrazioni consente di determinare quantitativamente l'entità e l'angolo dello squilibrio.

Danni se non corretti: uno squilibrio prolungato comporta un aumento dello stress su cuscinetti e guarnizioni, che ne riduce la durata, causa guasti agli elementi di fissaggio, affaticamento strutturale del telaio e della base e può portare a guasti dell'albero e altri guasti catastrofici. Le vibrazioni di 15-20 mm/s RMS per le macchine standard di medie dimensioni sono già critiche.

7.2. Disallineamento degli alberi (accoppiamento)

Perché si verifica: Il disallineamento è una deviazione dei centri degli alberi o degli angoli dei loro assi dall'allineamento ideale. Può essere parallelo (spostamento dei centri), angolare (spostamento degli angoli) o combinato. Le cause tipiche sono: installazione inadeguata, deformazione del telaio o della fondazione sotto carico, dilatazione termica dei componenti durante il funzionamento, "appoggio molle" (contatto irregolare tra il supporto e la fondazione) e cedimento della fondazione.

Come confermare: gli indicatori principali sono ampiezze di vibrazione elevate a 1X RPM e 2X RPM. Il disallineamento parallelo è spesso dominato da 1X RPM nella direzione radiale, mentre il disallineamento angolare è spesso dominato da 2X RPM nella direzione radiale e/o 1X RPM nella direzione assiale. La misurazione con un sistema di livellamento laser (più preciso degli indicatori di tipo orologio) consente di quantificare la deviazione e il tipo di disallineamento. Una deviazione superiore a 0,05 mm non è accettabile per la maggior parte delle macchine industriali.

Danni se non corretti: il disallineamento provoca sollecitazioni cicliche su cuscinetti, giunti e guarnizioni, con conseguente usura accelerata, surriscaldamento e guasti prematuri. Inoltre aumenta il consumo energetico del motore e può causare danni agli alberi.

7.3. Difetti dei cuscinetti volventi

Perché si verifica: i difetti dei cuscinetti sono una delle cause più comuni di vibrazione. Possono essere causati da affaticamento del materiale (scheggiatura), installazione errata (carichi d'urto, disallineamento), lubrificazione insufficiente o eccessiva, contaminazione del lubrificante con particelle estranee, erosione elettrica (corrente che passa attraverso il cuscinetto), carico eccessivo o surriscaldamento.

Come confermarlo: Una caratteristica è la comparsa nello spettro di vibrazione di frequenze specifiche di difetti dei cuscinetti: BPFI (difetto della pista dell'anello interno), BPFO (difetto della pista dell'anello esterno), FTF (difetto del separatore), BSF (difetto del corpo volvente). Queste frequenze vengono calcolate in base alla geometria del cuscinetto e alla velocità di rotazione. Per il rilevamento tempestivo sono efficaci i metodi di analisi degli impulsi d'urto (SPM, PeakVue) o il monitoraggio a ultrasuoni, che rilevano gli impulsi ad alta frequenza generati quando gli elementi volventi entrano in contatto con i difetti. Un livello SPM superiore a 15-20 dB rispetto al livello di base è allarmante.

Danni se non corretti: La progressione dei difetti dei cuscinetti porta ad un aumento delle vibrazioni, al surriscaldamento, al guasto del separatore, al grippaggio dei cuscinetti e, di conseguenza, al guasto dell'albero o del rotore.

7.4. Risonanza

Perché si verifica: La risonanza si verifica quando la frequenza di eccitazione (ad es. velocità di funzionamento, frequenza lama/dente, frequenza elettrica) corrisponde a una delle frequenze naturali (naturali) del sistema o del suo componente (telaio, albero, fondazione). Ciò porta ad un aumento significativo dell'ampiezza della vibrazione anche con una forza di eccitazione relativamente piccola. Motivi: cambiamento della rigidezza o della massa della struttura, scelta errata della velocità operativa, cambiamento delle caratteristiche dinamiche della fondazione.

Come confermare: vibrazione ad ampiezza elevata a una frequenza specifica che potrebbe essere inarmonica fino a 1X RPM. Per conferma, viene utilizzato un test di salita/discesa, durante il quale l'apparecchiatura viene accelerata o fermata dolcemente e la vibrazione viene registrata. Un picco di vibrazione significativo ad una certa velocità di rotazione indica il passaggio della frequenza di risonanza. Viene inoltre utilizzata una prova d'urto (Impact Test) per determinare le frequenze proprie della struttura.

Danno se non corretto: la risonanza porta a un rapido affaticamento strutturale, cedimento di saldature, elementi di fissaggio, allentamento di bulloni, crepe nel telaio e nelle fondamenta, che possono causare guasti catastrofici alle apparecchiature.

7.5. Allentamento meccanico

Perché si verifica: l'allentamento meccanico è una perdita di rigidità o affidabilità del fissaggio di un componente, che gli consente di "battere" o vibrare in modo non lineare. Ciò può essere causato da bulloni di montaggio allentati (fondazione, gruppi di cuscinetti, alloggiamenti), crepe nel telaio o nella fondazione, sedi dei cuscinetti usurate o giochi eccessivi nei cuscinetti a strisciamento. Spesso è una conseguenza di altri malfunzionamenti (squilibrio, mancanza di consapevolezza) che sono progrediti.

Come confermarlo: i sintomi di vibrazione nello spettro delle vibrazioni spesso includono la presenza di subarmoniche (0,5X RPM), armoniche alte (2X, 3X RPM e superiori) e cambiamenti nell'ampiezza delle vibrazioni a seconda del carico. L'analisi del segnale temporale mostra esplosioni o interruzioni di impulsi nel segnale. Un'ispezione visiva degli elementi di fissaggio, il loro serraggio e l'uso di una prova d'urto con martello possono aiutare a individuare la fonte dell'allentamento. Una termocamera può rilevare il surriscaldamento nelle aree di maggiore attrito.

Danni se non corretti: l'allentamento porta all'usura progressiva, alla deformazione dei componenti, al cedimento degli elementi di fissaggio, al disallineamento degli alberi e, di conseguenza, al cedimento di guarnizioni, cuscinetti, alberi e altri componenti critici.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

8.1. Eliminazione dello squilibrio

1. Preparazione: Isolare le apparecchiature (LOTO). Ispezionare visivamente il rotore per rilevare eventuali impurità, danni e parti mancanti. Pulire il rotore.
2. Misurazione: misura la vibrazione iniziale a 1X RPM.
3. Bilanciamento: applicare il metodo del bilanciamento dinamico in loco (secondo DSTU ISO 1940-1). Per la maggior parte delle macchine industriali è accettabile la classe di qualità G6.3, per le macchine ad alta precisione G2.5 o G1.0.
4. Prova di funzionamento: aggiungi la massa di prova, misura la variazione delle vibrazioni.
5. Correzione: calcola la massa di correzione necessaria e la sua posizione. Installare la massa sul rotore.
6. Verifica: misura nuovamente la vibrazione. Il livello di velocità di vibrazione dovrebbe essere inferiore a 4,5 mm/s RMS per una macchina di medie dimensioni (Classe II).

8.2. Eliminazione dell'inconsapevolezza

1. Preparazione: Isolare le apparecchiature (LOTO). Pulire le superfici di appoggio, verificare l'usura degli accoppiamenti.
2. Controllo gamba morbida: controllare tutte le gambe del motore/pompa utilizzando un comparatore o un sistema laser. Se la deviazione durante il serraggio del bullone supera 0,05 mm, regolare la "zampa morbida" utilizzando distanziali calibrati.
3. Allineamento: utilizza un sistema di allineamento alberi laser per regolare con precisione la posizione del motore rispetto alla pompa/riduttore. Rispettare le tolleranze specificate dal produttore del giunto o consigliate dalle norme (ad esempio 0,02-0,05 mm per la maggior parte dei giunti a 1500 giri/min).
4. Verifica: dopo l'allineamento, serrare tutti i bulloni alla coppia specificata nella documentazione e misurare nuovamente la vibrazione. Le ampiezze a 1X e 2X RPM nelle direzioni radiale e assiale dovrebbero essere significativamente ridotte.

8.3. Eliminazione dei difetti dei cuscinetti

1. Preparazione: Isolare le apparecchiature (LOTO). Garantire la pulizia dell'area di lavoro.
2. Rimozione: rimuovere con attenzione il gruppo cuscinetto utilizzando uno strumento speciale (estrattori) per evitare danni all'albero e all'alloggiamento.
3. Ispezione: ispezionare attentamente l'albero, l'alloggiamento dei cuscinetti, le sedi per verificare che non siano usurati, corrosi o bavati.
4. Installazione di un nuovo cuscinetto:
   • Utilizzare solo cuscinetti UNITEC-D originali o certificati.
   • L'installazione viene eseguita mediante riscaldamento (riscaldatore a induzione) o con una pressa, utilizzando appositi strumenti di installazione. Non colpire MAI la pista esterna o interna di un cuscinetto senza un mandrino appropriato.
   • Assicurarsi che il gioco radiale e assiale sia corretto secondo le raccomandazioni del produttore del cuscinetto.
5. Lubrificazione: riempire il cuscinetto con il lubrificante appropriato secondo le raccomandazioni del produttore (tipo, quantità). Utilizzare le siringhe e i dispenser consigliati.
6. Verifica: dopo la sostituzione e la lubrificazione, avviare l'attrezzatura, monitorare le vibrazioni e la temperatura. Il livello della velocità di vibrazione e degli impulsi d'urto deve corrispondere ai valori normativi, la temperatura deve stabilizzarsi entro l'intervallo normale (normalmente < 70°C).

8.4. Eliminazione della risonanza

1. Preparazione: Isolare le apparecchiature (LOTO).
2. Determinazione della frequenza naturale: Eseguire una prova d'urto (Impact Test) in vari punti della struttura per determinare le frequenze naturali.
3. Modifica del design:
   • Modifica della rigidità: Aggiungere o rafforzare elementi di supporto, aumentare lo spessore delle piastre, installare controventi aggiuntivi. L'obiettivo è allontanare la frequenza naturale dalla frequenza di eccitazione operativa (minimo del 20%).
   • Modifica massa: aggiungi o riduci la massa del componente risonante. Ciò cambierà anche la frequenza naturale.
   • Modifica della velocità operativa: Se possibile ed economicamente giustificato, modificare la velocità operativa dell'apparecchiatura per evitare sovrapposizioni con la frequenza naturale.
4. Verifica: dopo aver apportato le modifiche, ripetere il test di shock e il test di accelerazione/inerzia per confermare la modifica delle frequenze naturali. Avviare l'attrezzatura e controllare il livello di vibrazione.

8.5. Eliminazione dello scuotimento meccanico

1. Preparazione: Isolare le apparecchiature (LOTO).
2. Localizzazione: utilizzando un analizzatore di vibrazioni, un test di impatto e un'ispezione visiva, individuare la fonte della scossa.
3. Serraggio degli elementi di fissaggio: serrare tutti i bulloni e i dadi allentati alla coppia specificata nella documentazione tecnica (ad esempio, 120 Nm per bulloni M16 con classe di resistenza 8.8).
4. Riparazione dei danni:
   • Se si riscontrano crepe nel telaio/fondazione: saldare, rinforzare la struttura secondo calcoli e norme ingegneristiche.
   • Se le sedi dei cuscinetti sono usurate: ripristinare le sedi (spruzzi, boccole) oppure sostituire la sede/albero.
   • Se i giochi nei cuscinetti di scorrimento sono eccessivi: regolare i giochi o sostituire le boccole.
5. Verifica: mettere in funzione l'apparecchiatura e ripetere le misurazioni delle vibrazioni, prestando particolare attenzione alle armoniche e al segnale temporale. La vibrazione dovrebbe corrispondere alla norma.

9. Misure preventive

La manutenzione preventiva è la chiave per un funzionamento lungo e affidabile delle apparecchiature rotanti.

10. Parti di ricambio e componenti

UNITEC-D GmbH è un fornitore affidabile di pezzi di ricambio di alta qualità per apparecchiature rotanti. L'utilizzo di componenti certificati è fondamentale per garantire l'affidabilità e la durata della riparazione. Di seguito sono riportati i gruppi tipici di pezzi di ricambio.

Per ordinare e ricevere informazioni dettagliate sulla gamma di ricambi UNITEC-D, visita il nostro Catalogo elettronico UNITEC-D.

11. Collegamenti

• DSTU ISO 10816-1:2004 Vibrazioni meccaniche. Valutazione delle vibrazioni della macchina in base ai risultati delle misurazioni su parti non rotanti.
• DSTU ISO 1940-1:2007 Vibrazioni. Requisiti per la qualità del bilanciamento dei rotori solidi.
• DSTU ISO 15243:2009 Cuscinetti volventi. Danni e rinunce. Terminologia, classificazione e illustrazioni.
• EN 15417-1:2008 Allineamento delle macchine. Parte 1: Metodi e tolleranze.
• Manuali di uso e manutenzione dei produttori di apparecchiature (OEM).
• Standard interni UNITEC-D per la diagnostica e la riparazione delle apparecchiature.