L’analisi delle vibrazioni consente di monitorare e rilevare i problemi utilizzando i dati sulle vibrazioni. Leggi la metodologia di analisi delle vibrazioni, gli strumenti e le tecniche, i metodi di misurazione dell’analisi delle vibrazioni e altro ancora.

Che cos’è l’analisi delle vibrazioni?

L’analisi delle vibrazioni è definita come un processo per misurare i livelli e le frequenze delle vibrazioni delle macchine e quindi utilizzare tali informazioni per analizzare la salute delle macchine e dei loro componenti. Mentre i meccanismi interni e le formule utilizzate per calcolare varie forme di vibrazione possono complicarsi, tutto inizia con l’utilizzo di un accelerometro per misurare le vibrazioni. Ogni volta che un pezzo di macchina è in esecuzione, sta facendo vibrazioni. Un accelerometro collegato alla macchina genera un segnale di tensione che corrisponde alla quantità di vibrazione e alla frequenza di vibrazione che la macchina sta producendo, di solito quante volte al secondo o al minuto si verifica la vibrazione.

Tutti i dati raccolti dall’accelerometro vanno direttamente in un data collector (software), che registra il segnale sia come ampiezza vs. tempo (noto come forma d’onda del tempo), ampiezza vs. frequenza (noto come trasformata di Fourier veloce), o entrambi. Tutti questi dati vengono analizzati da algoritmi di programmi per computer, che a loro volta vengono analizzati da ingegneri o analisti di vibrazioni addestrati per determinare lo stato della macchina e identificare possibili problemi imminenti come scioltezza, squilibrio, disallineamento, problemi di lubrificazione e altro ancora. L’analisi delle vibrazioni può rilevare problemi come:

• Squilibrio
• la rottura dei Cuscinetti
• Meccanica scioltezza
• Disallineamento
• di Risonanza, e le frequenze naturali
• motore Elettrico difetti
• Piegato alberi
• Cambio errori
• spazio Vuoto o bolle (cavitazione) nelle pompe
• velocità Critica

Distributore e manutenzione fornitore di formazione VibrAlign usa l’esempio di assunzione di un ventilatore, la rimozione di una pala del ventilatore e il suo avvio. Come previsto, la ventola vibra a causa di una ruota della ventola sbilanciata. Questa forza sbilanciata si verificherà una volta per giro della ventola. Un altro esempio potrebbe essere una pista del cuscinetto danneggiata che causa un rullo del cuscinetto per generare la vibrazione ogni volta che contatta lo spall (simile ad una buca su un’autostrada). Se tre rulli portanti colpiscono lo spall per giro, si dovrebbe vedere un segnale di vibrazione pari a tre volte la velocità di marcia della ventola.

Metodologia di analisi delle vibrazioni

Mentre gli accelerometri sono ancora lo strumento più comune utilizzato per raccogliere dati sulle vibrazioni, la tecnologia moderna e la tecnologia dei sensori migliorata hanno consentito sensori laser ad alta velocità senza contatto in grado di rilevare problemi che gli accelerometri non possono rilevare. Ciò consente un’analisi più accurata e L’analisi delle vibrazioni è generalmente suddivisa in quattro principi e ciascun principio fornisce informazioni specifiche sulle condizioni di lavoro e sulle caratteristiche delle parti vibranti.

1. Dominio del tempo: quando un segnale di vibrazione viene prelevato da un trasduttore (dispositivo che converte una quantità fisica in un segnale elettrico) e visualizzato sullo schermo di un oscilloscopio, viene chiamato forma d’onda. Questo segnale è nel dominio del tempo. Il dominio del tempo è l’ampiezza tracciata contro il tempo. Mentre la maggior parte dei problemi di vibrazione della macchina vengono rilevati utilizzando l’analisi dello spettro, alcuni tipi sono più facilmente visibili nella forma d’onda.
2. Dominio della frequenza: quando la forma d’onda discussa in precedenza viene sottoposta all’analisi dello spettro, il risultato finale è un’immagine della frequenza rispetto a ampiezza, nota come spettro. Lo spettro è nel dominio della frequenza come la vibrazione è nel dominio del tempo. L’analisi più approfondita delle vibrazioni delle macchine viene eseguita nel dominio della frequenza o utilizzando l’analisi dello spettro.
3. Dominio congiunto: poiché i segnali di vibrazione variano nel tempo, può essere utile calcolare più di uno spettro contemporaneamente. Per fare ciò, è possibile utilizzare una tecnica di tempo congiunta chiamata Gabor-Wigner-Wavelet. Questa tecnica viene utilizzata per calcolare le variazioni della trasformata di Fourier veloce (discussa di seguito), inclusa la trasformata di Fourier a breve termine (STFT).
4. Analisi modale: L’analisi modale prende le funzioni di risposta in frequenza misurate di un pezzo di macchinario e le mette in un modello di computer. Il modello del computer può essere visualizzato con animazioni di tutte le diverse modalità di vibrazione. Il modello può essere regolato aggiungendo o togliendo cose come massa o rigidità per vedere gli effetti.

Al di fuori di questi quattro principi di base si trovano numerose forme di analisi, calcoli e algoritmi utilizzati per determinare diversi aspetti dell’analisi delle vibrazioni. Questi includono:

• Forma d’onda temporale: una forma d’onda temporale è l’accelerazione rispetto a tempo visualizzato come tabelle e grafici. Le forme d’onda temporali mostrano un breve campione di vibrazioni grezze, rivelando indizi sulle condizioni delle macchine non sempre chiare nello spettro di frequenza. Un metodo di impiegare segnali di vibrazione della forma d’onda del tempo come strumento di analisi delle vibrazioni è utilizzando FFT.



• Trasformata di Fourier veloce (FFT): FFT è definito come un algoritmo utilizzato per calcolare uno spettro da una forma d’onda temporale. In altre parole, è un calcolo destinato a scomporre un segnale in tutte le sue frequenze. Se ricordi il dominio del tempo e il dominio della frequenza discussi sopra, FFT converte un segnale dal dominio del tempo nel dominio della frequenza. La trasformata di Fourier veloce viene spesso utilizzata per rilevare guasti della macchina come disallineamento o squilibrio.
• Misurazione della fase: quando si parla di analisi delle vibrazioni, la fase è una differenza di tempo relativa tra due segnali misurati in unità di angolo rispetto al tempo. Funziona solo se i due segnali confrontati sono della stessa frequenza. La misura di fase è utilizzata in tandem con FFT per decifrare gli errori a macchina come le parti sciolte, il disallineamento e lo squilibrio.
• Analisi degli ordini: l’analisi degli ordini è una variazione dell’analisi FFT ed è principalmente utilizzata per quantificare le vibrazioni delle macchine con giri al minuto variabili (RPM). In altre parole, l’analisi degli ordini è l’analisi della frequenza in cui l’asse di frequenza dello spettro è mostrato in ordini di RPM piuttosto che in hertz. Il termine “ordini” si riferisce a una frequenza che è un multiplo di una velocità di rotazione di riferimento. Ad esempio, se un segnale di vibrazione è uguale al doppio della frequenza della rotazione del motore, l’ordine è due.
• Densità spettrale di potenza (PSD): La densità spettrale di potenza viene calcolata moltiplicando l’ampiezza della FFT per le sue diverse forme per normalizzarla con la larghezza del contenitore di frequenza (la larghezza del contenitore si riferisce ai valori dell’asse x raggruppati). Pensa al PSD come a vibrazioni o movimenti” casuali ” a molte frequenze diverse. PSD confronta accuratamente i segnali di vibrazione casuali che hanno lunghezze di segnale diverse.



• Analisi della busta: L’analisi dell’inviluppo è una forma di analisi delle vibrazioni in grado di rilevare impatti con energia molto bassa spesso nascosti da altri segnali di vibrazione. È uno strumento diagnostico popolare per i denti danneggiati dell’ingranaggio ed i cuscinetti a rulli.
• Orbita: L’orbita è definita come un diagramma della linea centrale di un giornale del cuscinetto a manicotto. Viene misurato posizionando due sonde nell’alloggiamento del cuscinetto a 90 gradi di distanza. I dati di queste sonde possono essere visualizzati digitalmente e utilizzati per rilevare le vibrazioni dell’albero causate dal vortice dell’olio – l’olio che gira all’interno, causando lo spostamento del giornale.
• Analisi di risonanza: L’analisi di risonanza identifica tutte le vibrazioni e le frequenze naturali nelle macchine. La presenza di risonanza significa vibrazioni elevate, che potrebbero raggiungere livelli dannosi.

Categorie di misurazione delle vibrazioni

• Livello generale di vibrazione: Si può pensare di controllare il livello generale di vibrazione come un “controllo approssimativo” su una macchina. Sentendo una macchina con la mano, è possibile determinare un senso generale di se è in esecuzione all’incirca su una banda di frequenza larga. Questo controllo iniziale è migliore su macchine rotanti, in particolare macchine ad alta velocità. Di solito non è applicabile alle macchine alternative.
• Analisi spettrale della vibrazione: l’analisi spettrale è il processo di trasformazione di un segnale dal dominio del tempo al dominio della frequenza. È spesso fatto usando FFT. Il segnale viene analizzato per determinare eventuali frequenze sostanziali provenienti dai componenti della macchina. Dove c’è un picco nel segnale di frequenza, che è la probabile fonte di vibrazione. Le applicazioni comuni per l’analisi spettrale includono la velocità di rotazione di un albero o la frequenza con cui si verifica la dentatura su una coppia di ruote dentate.
• Monitoraggio della frequenza discreta: Se è necessario monitorare un componente specifico all’interno di una macchina, il monitoraggio a frequenza discreta misura il livello di vibrazione generato a una particolare frequenza che tale componente dovrebbe generare. Ad esempio, se si desidera esaminare un determinato albero in una macchina, si girerebbe il monitoraggio alla velocità di rotazione di quella macchina. La frequenza discreta viene calcolata utilizzando l’algoritmo FFT.
• Shock pulse monitoring: Shock pulse monitoring è una tecnica di manutenzione predittiva che monitora i cuscinetti a rotolamento con uno strumento portatile. Lo strumento portatile emette una frequenza naturale eccitata da urti o vibrazioni generate dai cuscinetti volventi. In altre parole, quando due pezzi di metallo si toccano mentre sono in movimento, le onde d’urto si sviluppano dall’impatto, che viaggia attraverso il metallo. Questa onda d’urto viene utilizzata nel monitoraggio degli impulsi d’urto.
• Kurtosis misura: Kurtosis ti dà una misura della “spikedness” di un segnale casuale. I segnali con un valore di curtosi più alto hanno più picchi che sono maggiori di tre volte il valore RMS (Root Mean Square) del segnale. Nell’analisi delle vibrazioni, la curtosi viene utilizzata per monitorare lo sviluppo della fatica nei cuscinetti volventi con uno strumento semplice.
• Media del segnale: poiché i segnali cambiano con il tempo, la media del segnale è importante nell’analisi dello spettro perché determina il livello del segnale ad ogni frequenza. È particolarmente importante per le misurazioni a bassa frequenza perché hanno bisogno di un tempo medio più lungo per ottenere una stima staticamente accurata dello spettro. La media del segnale viene spesso utilizzata nel monitoraggio di un ingranaggio in relazione alla sua velocità di rotazione. In questo esempio, la media del segnale ti mostrerà l’azione ciclica di ciascun dente nell’ingranaggio. Se un dente ha una grande crepa, sarebbe rilevato a causa della sua maggiore flessibilità.
• Analisi Cepstrum: Originariamente inventato per caratterizzare echi sismici prodotti da terremoti ed esplosioni di bombe, cepstrum è usato per guardare i modelli ripetuti in uno spettro. I pattern ripetuti nello spettro vengono rilevati come uno o due componenti nel cepstrum con più set di bande laterali, il che può essere fonte di confusione. Il cepstrum separa quelle bande laterali come il modo in cui lo spettro separa i modelli temporali ripetitivi nella forma d’onda. L’analisi Cepstrum viene spesso utilizzata per esaminare le interazioni tra la frequenza di rotazione dei rotori a pale e la frequenza di passaggio della lama. Un altro esempio è l’esame delle frequenze di ingranamento dei denti degli ingranaggi e delle velocità di rotazione degli ingranaggi.

Analisi delle vibrazioni Parametri di misurazione

Tutte queste tecniche di analisi delle vibrazioni aiutano a identificare tre parametri principali: accelerazione, velocità (RMS) e spostamento. Ognuno di questi parametri enfatizza determinati intervalli di frequenza a modo loro e possono essere analizzati insieme per diagnosticare i problemi. Diamo un’occhiata a ogni parametro.

• Accelerazione: L’accelerazione attribuisce maggiore importanza alle alte frequenze. Un segnale di accelerazione non è esclusivo, tuttavia. Il segnale di accelerazione può essere convertito in velocità o spostamento.
• Spostamento: Proprio come l’accelerazione dà maggiore importanza alle alte frequenze, lo spostamento guarda alle basse frequenze. Le misure di spostamento sono generalmente utilizzate solo quando si esamina il quadro generale delle vibrazioni meccaniche. È possibile utilizzare lo spostamento per scoprire lo squilibrio in una parte rotante a causa di una quantità significativa di spostamento alle frequenze di rotazione dell’albero della macchina.
• Velocità: La velocità è correlata alla forza distruttiva della vibrazione, rendendola il parametro più importante. Attribuisce uguale importanza alle frequenze alte e basse. Di solito, il valore RMS della velocità (misurato nell’intervallo da 10 a 10.000 Hz) mostra il miglior segno di gravità delle vibrazioni. L’RMS viene calcolato moltiplicando l’ampiezza del picco per 0,707.

Di seguito è riportato un esempio di accelerazione, spostamento e velocità sullo stesso segnale. È possibile vedere alcuni picchi alle stesse frequenze, ma ognuno ha diverse ampiezze. Questa è una buona visuale di come ogni parametro assegna un’importanza diversa alle gamme di frequenza.

Strumenti e tecnologia di analisi delle vibrazioni

La tecnologia avanzata, in particolare i progressi nella tecnologia wireless, ha notevolmente migliorato il modo in cui gli analisti delle vibrazioni raccolgono, interpretano e condividono i dati. Oggi, gli analizzatori di vibrazioni sono estremamente portatili, comunicano con smartphone e tablet in tempo reale e possono generare FFT in altissima risoluzione. Molte aziende di strumenti di vibrazione sviluppano le proprie app per comunicare tra loro.

Un’altra forma di tecnologia avanzata che vedrai con gli strumenti di interpretazione dell’analisi delle vibrazioni è la simulazione 3D di Deflection shapes (ODS) delle vibrazioni delle macchine. In poche parole, questo tipo di software esagera i movimenti indotti dalle vibrazioni in un modello 3D in modo da poter visualizzare le forze che incidono sulla macchina mentre è in funzione.

Alcune aziende di strumenti di analisi delle vibrazioni offrono database con migliaia di frequenze di guasto dei cuscinetti precaricate per aiutarti a identificare determinate frequenze di guasto per i tuoi cuscinetti. Alcuni software possono monitorare continuamente la geometria dei corpi volventi e avvisare l’utente quando si possono verificare possibili guasti prematuri.

Come con la maggior parte delle tecnologie avanzate, la maggior parte dei dati di analisi delle vibrazioni viene caricata automaticamente nel cloud ed è disponibile sul tuo dispositivo mobile, computer o direttamente dal tuo browser. Ciò è particolarmente utile se stai eseguendo analisi delle vibrazioni come consulente di terze parti, in modo da poter condividere liberamente gli spettri con i tuoi clienti.

Vantaggi del monitoraggio continuo delle vibrazioni

I metodi e gli strumenti discussi in questo articolo non solo sono ottimi per determinare cosa c’è di sbagliato in un pezzo di attrezzatura o macchinario (reattivo), ma possono anche essere utilizzati per rilevare problemi prima che causino tempi di inattività significativi (proattivo). L’analisi e il monitoraggio delle vibrazioni consentono di esaminare quantitativamente la debolezza o la scioltezza strutturale, la scioltezza dei componenti rotanti e la presenza di risonanza.

Se implementato correttamente, il monitoraggio continuo delle vibrazioni consente di ottimizzare le prestazioni dei macchinari. Con l’uso della tecnologia moderna, è possibile effettuare letture continue delle vibrazioni su varie apparecchiature in tempo reale e inviare i dati direttamente al proprio smartphone, tablet o desktop tramite il cloud.

• Monitorare apparecchiature critiche: Attrezzatura critica è qualsiasi pezzo di attrezzatura o macchina che potrebbe causare a prendere un grande successo finanziario se un guasto dovesse verificarsi. Il monitoraggio continuo delle vibrazioni consente di rilevare discrepanze nello spettro delle vibrazioni, che possono rivelare problemi di lubrificazione e difetti dei cuscinetti ben prima che compaiano problemi importanti.
• Monitorare le attrezzature molto utilizzate: Molti impianti operano 24/7, fermandosi solo mensilmente o trimestralmente per la manutenzione ordinaria. Fermarsi più di questo può costare alla pianta una notevole quantità di denaro. Il monitoraggio continuo delle vibrazioni online aiuta a monitorare le condizioni di macchinari molto usati o in difficoltà e invia avvisi quando tale condizione cambia.
• Monitorare apparecchiature di difficile accesso: eseguire la manutenzione su apparecchiature situate in luoghi difficili da raggiungere è difficile. Le macchine su tetti, torri di raffreddamento e quelle che operano in aree ad alta temperatura possono essere continuamente monitorate per anomalie delle vibrazioni, consentendo di eseguire la manutenzione in un momento conveniente. Ciò impedisce tempi di inattività non pianificati e impedisce al personale di manutenzione di accedere inutilmente a queste posizioni.

Caso di studio sull’analisi delle vibrazioni

Gli strumenti e le tecniche utilizzate nel processo di analisi delle vibrazioni possono essere un po ‘ confusi sulla carta, quindi diamo un’occhiata a un esempio reale di IVC Technologies. Questo caso di studio particolare esamina i test di un’unità di trattamento dell’aria in un impianto farmaceutico. L’unità è necessaria per eseguire due ventilatori di alimentazione alla capacità di soddisfare i requisiti di flusso d’aria chiusi. L’unità di trattamento aria ha due ventilatori accoppiati direttamente, ciascuno dotato di un motore da 150 cavalli. La valutazione iniziale dell’unità di ventilazione ha mostrato che l’unità funzionava normalmente quando una ventola era in funzione, ma una volta accesa la seconda ventola, si presentavano problemi di vibrazione in determinati set point.

L’analisi delle vibrazioni ha rivelato che una volta accesa la ventola n.2, si è verificato un leggero aumento dell’ampiezza delle vibrazioni in tutti e tre i punti di misurazione, mentre la ventola n. 1 è rimasta la stessa. I test hanno mostrato la massima ampiezza apparso nel motore fuoribordo verticale a 0,456 pollici al secondo, con un picco dominante a 841 cicli al minuto, secondo le tecnologie IVC. Ciò ha indicato che il problema potrebbe essere una vibrazione di risonanza strutturale, poiché i dati spettrali non hanno mostrato altri segni di problemi meccanici.

*Informazioni da IVC Technologies Air Handling Unit Case Study

In qualità di consulente, IVC Technologies ha raccomandato all’azienda di ispezionare la struttura del telaio e l’assorbitore dinamico del ventilatore n.2. È stato anche raccomandato un test di urto per individuare e analizzare ulteriormente la vibrazione di risonanza.