Come viene misurata la vibrazione?
In questa sezione risponderemo a queste domande.Dopo aver letto questa sezione si sarà in grado di:
- Riconoscere quali macchine devono essere monitorate
- Capire come devono essere montati i sensori di vibrazione
- Determinare come impostare i parametri di misurazione
- Effettuare misurazioni in modo sistematico
Quali macchine devono essere monitorate?
Al momento di decidere quali macchine monitorare, le macchine critiche dovrebbero avere la priorità rispetto ad altre macchine. Questo è più o meno lo stesso del monitoraggio della salute delle persone. È inappropriato monitorare da vicino la salute di persone perfettamente sane e quindi abbandonare il monitoraggio di altri che ne hanno veramente bisogno. Lo stesso vale per il monitoraggio delle condizioni delle macchine.
In generale, i seguenti tipi critici di macchine devono essere monitorati regolarmente al fine di evitare problemi imprevisti e costosi:
(a) Macchine che richiedono costosi, lunghi o difficili riparazioni in caso di rottura down
(b) le Macchine che sono fondamentali per la produzione o l’impianto generale operazioni
(c) Macchine noto che spesso subiscono danni
(d) Macchine che vengono valutati per la loro affidabilità
(e) Macchine che influenzano umana o per l’ambiente di sicurezza
Come Funziona lo Strumento di Lavoro?
Prima di eseguire una misurazione delle vibrazioni, è necessario collegare un sensore in grado di rilevare il comportamento delle vibrazioni alla macchina da misurare. Vari tipi di sensori di vibrazione sono disponibili, ma un tipo chiamato accelerometro è normalmente utilizzato in quanto offre vantaggi rispetto ad altri sensori. Un accelerometro è un sensore che produce un segnale elettrico proporzionale all’accelerazione del componente vibrante a cui è collegato l’accelerometro.
Qual è l’accelerazione di un componente vibrante? È una misura di quanto velocemente la velocità del componente sta cambiando.
Il segnale di accelerazione prodotto dall’accelerometro viene trasmesso allo strumento che a sua volta converte il segnale in un segnale di velocità. A seconda della scelta dell’utente, il segnale può essere visualizzato come una forma d’onda di velocità o uno spettro di velocità. Uno spettro di velocità è derivato da una forma d’onda di velocità mediante un calcolo matematico noto come trasformata di Fourier veloce o FFT.
Lo schema seguente è una spiegazione molto semplicistica di come vengono acquisiti i dati sulle vibrazioni. Si potrebbe desiderare di consultare altra letteratura come la Guida di riferimento strumento vbSeries per ulteriori informazioni.
Come viene montato l’accelerometro?
La maggior parte delle macchine comporta meccanismi rotanti. Motori, pompe, compressori, ventilatori, nastri trasportatori, riduttori, tutti coinvolgono meccanismi rotanti e sono frequentemente utilizzati nelle macchine.
La maggior parte dei meccanismi rotanti a sua volta ha cuscinetti che supportano il peso delle parti rotanti e sopportano le forze associate al movimento rotatorio e alle vibrazioni. In generale, grandi quantità di forza sono sopportate dai cuscinetti. Non sorprende che i cuscinetti siano spesso il luogo in cui si verifica il danno e dove si sviluppano i sintomi.
Le misurazioni delle vibrazioni sono quindi di solito effettuate sui cuscinetti delle macchine, con accelerometri montati in corrispondenza o vicino ai cuscinetti.
Poiché le conclusioni relative alle condizioni della macchina – e quindi se il denaro e la sicurezza umana siano rischiosi o meno-dipendono dall’accuratezza delle misurazioni, dobbiamo essere molto attenti a come vengono effettuate le misurazioni. È importante ricordare sempre che il modo in cui montiamo l’accelerometro determina molto l’accuratezza delle misurazioni.
Come dovrebbero essere montati gli accelerometri per garantire che le misurazioni siano accurate e come possiamo farlo in modo sicuro? Ecco alcune linee guida:
(a) Montare il più vicino possibile al cuscinetto
Immagina un medico che abbia ascoltato il tuo cuore attraverso indumenti spessi e abbia posizionato lo stetoscopio più vicino al tuo rene che al tuo cuore. Probabilmente dubitereste della sua diagnosi in quanto la baserebbe su suoni distorti da ostruzione indebita e rumore proveniente da altri organi.
Quando misuriamo le vibrazioni dobbiamo sempre attaccare l’accelerometro il più vicino possibile al cuscinetto. Più specificamente, dobbiamo attaccarlo il più vicino possibile alla linea centrale del cuscinetto per evitare di captare segnali distorti.
(b) Assicurarsi che l’accelerometro è saldamente attaccato
Per l’accelerometro per rilevare vero comportamento di vibrazione, ha bisogno di subire esattamente lo stesso movimento vibratorio come il componente vibrante. Un accelerometro deve quindi essere fissato saldamente al componente vibrante in modo che non oscilli o si muova indipendentemente dal componente. Un accelerometro montato liberamente produce segnali distorti dai propri movimenti indipendenti e quindi dà il messaggio sbagliato.
Esistono vari metodi di montaggio, ma il montaggio per mezzo di un magnete è il più popolare in quanto offre un equilibrio tra affidabilità di misura e convenienza per l’utente. Il montaggio magnetico fornito nel kit Commtest vb può essere fissato in modo molto fermo5, consentendo all’utente di misurare più macchine utilizzando lo stesso accelerometro, con il minimo tempo speso per attaccare e staccare l’accelerometro.
Per garantire che l’accelerometro sia saldamente fissato, deve essere bloccato su una superficie di montaggio magnetica uniforme. Il supporto magnetico deve stare saldamente sulla superficie con l’accelerometro posizionato nell’orientamento prescritto.
Affinché la superficie sia uniforme, deve essere priva di detriti, ruggine e vernice sfaldata.
La superficie di montaggio deve essere veramente magnetica (leghe di ferro, nichel o cobalto). Il montaggio magnetico non deve, ad esempio, essere fissato a una superficie di alluminio in virtù del ferro sotto la superficie di alluminio.
Per evitare la perdita di magnetismo, il montaggio magnetico non deve essere lasciato cadere o riscaldato. Bisogna anche fare attenzione a non togliere la filettatura sull’accelerometro e il montaggio magnetico.
(c) Assicurarsi che l’accelerometro sia orientato correttamente
Diverse situazioni richiedono che l’accelerometro sia orientato in modo diverso. Ad esempio, per rilevare il disallineamento parallelo l’accelerometro viene solitamente montato nella direzione radiale dei cuscinetti, ma per rilevare il disallineamento angolare l’accelerometro deve essere montato nella direzione assiale.
Il segnale prodotto dall’accelerometro dipende dall’orientamento in cui è montato l’accelerometro, poiché l’ampiezza (quantità) della vibrazione varia in direzioni diverse.
(d) Montare la Stessa Accelerometro nella Stessa Posizione
Per un particolare punto di misurazione è importante montare sempre l’accelerometro nella stessa posizione per ridurre al minimo la misurazione delle incongruenze che possono portare a conclusioni errate. Ove possibile, utilizzare sempre lo stesso accelerometro per un particolare punto di misurazione.
(e) Montare l’accelerometro su Qualcosa di sostanziale
L’accelerometro non deve mai essere montato su una parte molto flessibile della macchina in quanto lo spettro sarà distorto dallo sbattere della parte flessibile.
L’accelerometro non deve mai essere utilizzato su strutture molto leggere in quanto il peso dell’accelerometro e il montaggio magnetico distorcono il comportamento di vibrazione della struttura. In generale, il peso combinato dell’accelerometro e del montaggio magnetico deve essere inferiore al 10% del peso della struttura vibrante.
(f) Prendersi cura dell’accelerometro
Se l’accelerometro viene trattato approssimativamente, potrebbe produrre segnali inaffidabili. A causa della forza del supporto magnetico, è necessario fare attenzione quando si collega l’accelerometro a una superficie di montaggio. È possibile ottenere ciò avvicinandosi alla superficie di montaggio con il montaggio magnetico inclinato di un angolo. Quando si stacca il supporto magnetico, non è necessario utilizzare l’accelerometro come leva per rompere il contatto. Invece, il montaggio magnetico deve essere afferrato saldamente e quindi inclinato lateralmente per rompere il contatto.
Il cavo dell’accelerometro non deve mai essere attorcigliato acutamente, ma deve essere ancorato in modo da evitare che venga danneggiato. I cavi ritorti o liberamente oscillanti possono distorcere lo spettro misurato.
(g) Prendersi cura della sicurezza personale
È necessario gestire i pericoli in ogni momento. Quando si effettuano misurazioni delle vibrazioni, tre tipi di pericoli si distinguono per probabilità o gravità: lesioni da parti in movimento, scosse elettriche e danni indotti dal magnete.
In primo luogo, quando si monta l’accelerometro, è necessario fare attenzione a evitare che il cavo si impigli con macchine in movimento. Mentre il connettore a sgancio rapido riduce al minimo questo pericolo, non dovrebbe essere considerato un sostituto per una corretta installazione.
Altre cose che potrebbero groviglio con macchine in movimento includono abiti larghi, capelli lunghi, cavi di trasferimento dati e cinghie.
In secondo luogo, non si deve mai collegare l’accelerometro a qualsiasi superficie ad alta tensione in quanto ciò potrebbe causare scosse elettriche.
In terzo luogo, non si deve mai portare il supporto magnetico vicino a oggetti sensibili al magnete come pacemaker, carte di credito, floppy disk, videocassette, cassette e orologi poiché questi elementi possono essere danneggiati da campi magnetici.
Ci sono altri possibili pericoli. Si consiglia di leggere e comprendere a fondo la Guida di riferimento dello strumento vbSeries prima di utilizzare lo strumento o i suoi accessori di accompagnamento.
Come vengono impostati i parametri?
Quali sono i parametri di misurazione?
I parametri di misurazione sono i dettagli che specificano come deve essere eseguita una misurazione. Specificando i parametri di misurazione, specifichiamo come i dati devono essere raccolti ed elaborati prima che vengano presentati a noi. Prima di eseguire una misurazione delle vibrazioni è necessario specificare quali parametri verranno utilizzati.
I parametri per la misurazione delle vibrazioni possono essere paragonati ai dettagli “cosa e come” che un medico deve specificare prima di eseguire un test medico.
Vedremo ora come vengono impostati i parametri di misurazione quando misuriamo uno spettro. Per il resto di questa sezione, useremo lo strumento Commtest vb come strumento di monitoraggio delle vibrazioni per le nostre discussioni, in quanto è uno strumento particolarmente semplice da usare. Ad esempio, i valori dei parametri di misurazione predefiniti (ad eccezione del valore Fmax predefinito) sono adatti per la maggior parte delle misurazioni delle vibrazioni, in modo che nella maggior parte delle situazioni pochi o nessuno dei valori dei parametri predefiniti richieda la regolazione. Questi parametri sono quelli visualizzati nella schermata Imposta parametri dello strumento vb, con’ dominio ‘impostato su’frequenza’.
Quali sono alcuni di questi valori dei parametri di misurazione e cosa significano?I parametri utilizzati per misurare gli spettri di vibrazione possono essere suddivisi in quattro classi; vale a dire, i parametri che determinano:
(a) Come vengono raccolti i dati
(b) Quanto o quanto velocemente vengono raccolti i dati
(c) Come vengono elaborati i dati
(d) Come vengono visualizzati i dati
(a) Come vengono raccolti i dati
I parametri che determinano le modalità di raccolta dei dati sono “Tipo di trigger” e i parametri elencati in “Configurazione del sensore”.
‘Tipo di trigger’ è il parametro che indica allo strumento come iniziare la misurazione. Se impostato su “Free run”, lo strumento eseguirà le misurazioni in modo continuo. Se impostato su “Singolo”, avrà luogo un solo ciclo di misurazione. Nella maggior parte dei casi lo strumento può essere impostato su “Free run”.
I parametri sotto ‘Configurazione del sensore’ informano lo strumento che tipo di accelerometro viene utilizzato per effettuare misurazioni. Se si utilizza l’accelerometro di tipo ICP ® fornito nel kit vb, la “Corrente di azionamento” deve essere attivata e la “Sensibilità” dell’accelerometro deve corrispondere a quella specificata nella scheda di garanzia della qualità vb. “Tempo di assestamento” è il tempo necessario affinché l’accelerometro e lo strumento si stabilizzino prima che le misurazioni possano essere eseguite con precisione. È necessario utilizzare il valore predefinito ‘Tempo di assestamento’ (che varia con il valore Fmax) per garantire la precisione della misurazione.
(b) Quanto o quanto velocemente vengono raccolti i dati
I parametri che determinano la quantità o la velocità di raccolta dei dati sono i parametri ‘Fmax’, ‘Linee spettrali’ e ‘Percentuale di sovrapposizione’.
Nella Sezione 2, abbiamo notato che più alto è il Fmax, maggiore è la gamma di frequenze oltre la quale le informazioni6 possono essere ottenute dallo spettro.
Pertanto, se il valore Fmax è alto, i dati vengono visualizzati fino a frequenze di vibrazione elevate. Per acquisire informazioni sulle alte frequenze di vibrazione, anche la frequenza di misurazione – o la velocità dei dati di campionamento – deve essere elevata. Di conseguenza, più alto è il Fmax, più veloce sarà la misurazione.
Più linee spettrali ha uno spettro, più informazioni possono essere ottenute da esso. Ciò significa che più linee spettrali ci sono, più dati devono essere raccolti per generare le informazioni aggiuntive, e quindi più lunga sarà la misurazione.
Quale valore Fmax deve essere usato?
Maggiore è la velocità operativa della macchina, maggiori saranno le sue frequenze di vibrazione e maggiore sarà la Fmax per catturare il comportamento delle vibrazioni a quelle alte frequenze.
Per le vibrazioni che non coinvolgono dita rotanti come denti degli ingranaggi, pale del ventilatore, palette della pompa e elementi portanti, un valore Fmax pari a 10 volte la velocità operativa è solitamente sufficiente per acquisire tutte le informazioni cruciali.
Ad esempio, se la velocità operativa è 10 000 rpm, è molto probabile che un valore Fmax di 100 000 cpm (100 kcpm) sia sufficiente.
Per le vibrazioni che coinvolgono elementi con dita come ingranaggi, ventole, pompe e cuscinetti a rulli, un valore Fmax pari a 3 volte il numero di dita moltiplicato per la velocità operativa è di solito sufficiente per acquisire tutte le informazioni cruciali.
Ad esempio, per un ingranaggio azionato da un pignone a 12 denti che ruota a 10 000 giri / min, è molto probabilmente sufficiente un valore Fmax di 360 000 cpm (360 kcpm).
Se il valore Fmax richiesto è molto grande la risoluzione dello spettro sarà bassa e le informazioni relative alle basse frequenze di vibrazione potrebbero essere perse. Potrebbe essere necessario prendere alcune misure basse Fmax in aggiunta alla misura alta Fmax.
Quante linee spettrali dovrebbero essere usate?
Nella maggior parte dei casi sono sufficienti 400 linee di risoluzione. Tuttavia, se viene utilizzato un valore Fmax elevato, le linee saranno distribuite su un ampio intervallo di frequenza, lasciando ampi spazi tra le linee. Pertanto, per valori Fmax di grandi dimensioni, potrebbero essere necessarie più linee spettrali per evitare la perdita di dettagli.
Tuttavia, va notato che più linee spettrali vengono utilizzate più lunga sarà la misurazione e più spazio di memoria dello strumento sarà occupato. Un valore Fmax elevato o un numero elevato di linee spettrali dovrebbero quindi essere utilizzati solo se necessario.
Quanta sovrapposizione dovrei usare?
I dati sovrapposti sono un mezzo per riutilizzare una percentuale di una forma d’onda precedentemente misurata per calcolare un nuovo spettro. Più alta è la “percentuale di sovrapposizione”, meno dati acquisiti di recente sono necessari per generare uno spettro, e quindi più velocemente lo spettro può essere visualizzato. la sovrapposizione del 50% è ideale per la maggior parte dei casi.
(c) Modalità di elaborazione dei dati
I parametri che determinano la modalità di elaborazione dei dati sono i parametri “Tipo medio”, “Numero di medie” e “Tipo di finestra”.
Immagina di dover misurare con precisione la larghezza delle pagine di questo libro. Poiché la larghezza può variare leggermente da una pagina all’altra, probabilmente misurerai non solo la larghezza di una pagina ma piuttosto quella di alcune pagine e quindi prenderai la media.
Allo stesso modo, quando viene misurata la vibrazione, vengono solitamente misurati diversi spettri e quindi calcolati in media per produrre uno spettro medio. Lo spettro medio rappresenta meglio il comportamento delle vibrazioni in quanto il processo di media riduce al minimo l’effetto di variazioni casuali o picchi di rumore inerenti alle vibrazioni della macchina.
Il parametro ‘Tipo medio’ determina la media degli spettri. La media ‘lineare’ è raccomandata per la maggior parte dei casi. La media “esponenziale” viene solitamente utilizzata solo se il comportamento delle vibrazioni varia significativamente nel tempo. ‘Peak hold’ in realtà non comporta la media, ma provoca l’ampiezza peggiore (più grande) per ogni linea spettrale da visualizzare.
Il parametro ‘Numero di medie’ determina il numero di spettri consecutivi utilizzati per la media. Maggiore è il numero di spettri utilizzati per la media, più i picchi di rumore vengono attenuati e più accuratamente vengono rappresentati i veri picchi spettrali.
Tuttavia, maggiore è il numero di medie, più dati devono essere raccolti e quindi più tempo ci vuole per ottenere lo “spettro medio”. Un’ Numero di medie ‘ di 4 è sufficiente per la maggior parte dei casi.
I dati raccolti di solito non vengono utilizzati direttamente per generare uno spettro, ma spesso vengono modificati in anticipo per soddisfare alcune limitazioni del processo FFT (il processo che trasforma i dati in uno spettro). I dati vengono solitamente modificati moltiplicando con una finestra di correzione. Ciò impedisce alle linee spettrali di “spalmarsi” o “fuoriuscire” l’una nell’altra.
‘Tipo di finestra’ è il parametro che determina il tipo di finestra utilizzata. Di solito viene utilizzata la finestra “Hanning”. Se viene utilizzata la finestra “rettangolare”, i dati non verranno modificati.
(d) Modalità di visualizzazione dei dati
I parametri che determinano la modalità di visualizzazione dello spettro sono elencati in “Unità di visualizzazione”.
Per specificare come deve essere visualizzato lo spettro, è necessario specificare la scala dello spettro. La scala dello spettro determina la facilità con cui i dettagli spettrali possono essere visti ed è definita dai parametri “Scala di ampiezza”, “Riferimento vdB”, “Intervallo di log” e ” Velocità max.
Nella maggior parte dei casi, la ‘Scala di ampiezza’ può essere ‘Lineare’. Se viene utilizzata una scala di ampiezza lineare, i parametri “riferimento vdB” e “Intervallo di log” non hanno alcuna conseguenza (e quindi non devono essere impostati).
In generale, è necessario impostare ‘Velocity max’ su ‘Automatic’ per consentire allo strumento di selezionare automaticamente una scala di ampiezza ideale che consenta di vedere chiaramente i picchi spettrali.
Per specificare come deve essere visualizzato lo spettro, è necessario specificare anche il “tipo di ampiezza” da utilizzare. Nella Sezione 2 (pagina 18), abbiamo definito due tipi di ampiezza: ampiezza di picco e ampiezza rms.
Se si utilizza l’ampiezza “Ø-peak” (o “peak”), lo spettro mostrerà la velocità massima raggiunta dal componente vibrante alle varie frequenze di vibrazione.
D’altra parte, se si utilizza l’ampiezza ‘rms’, verrà visualizzata invece una quantità indicativa dell’energia di vibrazione alle varie frequenze.
Per gli spettri di vibrazione, l’ampiezza di picco ad una particolare frequenza è esattamente √2 volte (circa 1,4 volte) l’ampiezza rms a quella frequenza. Pertanto, quale tipo di ampiezza viene utilizzato non è molto importante poiché le conversioni di amplitude 7 possono essere prontamente eseguite.
Si consiglia di utilizzare sempre lo stesso tipo di ampiezza per un particolare punto di misurazione per evitare interpretazioni errate. Un passaggio dall’ampiezza rms all’ampiezza del picco provoca un apparente aumento dell’ampiezza della vibrazione che potrebbe essere erroneamente interpretato come deterioramento della macchina. D’altra parte, un passaggio dall’ampiezza di picco all’ampiezza rms potrebbe nascondere un vero aumento dell’ampiezza della vibrazione.
Infine, è necessario specificare anche le unità di ampiezza e frequenza da utilizzare nello spettro. Quali unità dovrebbero essere utilizzate è davvero una questione di scelta personale, o più spesso, posizione geografica.
In Nord America, l’unità di velocità solitamente utilizzata (per le scale di velocità lineare8) è in/s e un’unità di frequenza comunemente utilizzata è kcpm (kilocicli al minuto).
In altre parti del mondo, l’unità di velocità e l’unità di frequenza solitamente utilizzate sono rispettivamente mm/s e Hz. Di seguito vengono riportate le relazioni tra le units9:
5 Quando tirato perpendicolarmente distanza dalla superficie di montaggio, vb accelerometro magnetico montaggio resiste con una forza di 22 kgf (48.4 lbf)
6 Una maggiore Fmax non causare ulteriori dati per essere raccolti, ma fa sì che i dati che si estendono su una più ampia gamma di frequenze.
7 Per uno spettro, l’ampiezza di picco è l’ampiezza rms. Questa relazione non è generalmente valida per le forme d’onda.
8 Molti analisti delle vibrazioni preferiscono l’unità di velocità logaritmica vdB. Tuttavia, la discussione su scale e unità logaritmiche va oltre lo scopo di questo libro.
9 Abbiamo arrotondato la conversione in/s ø-peak, mm / s rms a 18. Il rapporto corretto è 17,96.
Dalla Guida per principianti alle vibrazioni della macchina, copyright © Commtest 1999, 2006.
Revised 28/06/06
Per scoprire come impostare il proprio programma di monitoraggio delle vibrazioni della macchina, contattare Commtest Instruments Ltd o uno dei nostri rappresentanti per una dimostrazione di un sistema di monitoraggio delle vibrazioni vbSeries. Per l’indirizzo del rappresentante più vicino si prega di visitare il nostro sito web a http://www.commtest.com