Analisi vibrazionale delle macchine rotanti

In questo breve articolo spiegheremo intuitivamente i fenomeni vibratori tipici delle macchine rotanti.

Consideriamo un generico riduttore industriale, al suo interno ci sono componenti come ruote dentate e cuscinetti volventi che una volta messi in rotazione scambiano tra loro delle forze.

Le forze in generale variano nel tempo e nella maggior parte dei casi sono periodiche, questa ipotesi è fondamentale per l’analisi. Le forze si trasmettono in tutto il macchinario e poiché la struttura che sostiene i vari alberi e ingranaggi non è infinitamente rigida ci sono dei lievi spostamenti, anche in questo caso periodici. Le ampiezze di spostamento sono molto spesso esigue (pochi micrometri), tuttavia con uno strumento come l’accelerometro potremmo misurare accuratamente le accelerazioni, ed eventualmente ricavare gli spostamenti con procedimenti matematici. Risulta importante notare che la misura di accelerazione conserva l’andamento periodico dello spostamento, cambia solo l’ampiezza.

Vediamo con un grafico un esempio di segnale periodico e il suo andamento nel tempo.

Esempio di riduttore

Diagramma cartesiano tempo-ampiezza di un ventilatore sbilanciato

Come avviene la misura dell’accelerazione?
Un sensore controllato da una scheda di acquisizione elettronica a intervalli regolari legge il valore di accelerazione dal sensore. Per l’analisi vibrazionale le misure vengono effettuate ogni 0,00002083 secondi, quindi la frequenza di campionamento è 48000 Hertz. Ciò significa che ogni secondo vengono raccolti 48000 valori.

Per analizzare questi dati, si potrebbe essere portati ad usare un diagramma cartesiano come il precedente.

Diagramma cartesiano tempo-ampiezza di un segnale proveniente da un cuscinetto con difetto

È evidente che questo tipo di grafico non è utile alla comprensione dei fenomeni vibratori se sono presenti molte vibrazioni.
Tuttavia ci viene in soccorso un’utile trasformazione matematica, la cosiddetta trasformata di Fourier. Grazie a questo strumento è possibile ottenere un grafico più intellegibile che si basa sugli stessi dati iniziali registrati dal sensore.

Spettro ottenuto dalla trasformata di Fourier dei dati precedenti

A prima vista questo grafico potrebbe sembrare poco informativo, in realtà è ricco di informazioni sullo stato di salute della nostra macchina. Le principali sono:

• Osservando la posizione dei picchi e la loro ampiezza è possibile determinare quali siano le vibrazioni emesse dalla macchina.

• Conoscendo i componenti installati sulla macchina possiamo calcolare quali sono le frequenze attese dei segnali di difetto.

• Confrontando le frequenze misurate con le frequenze calcolate siamo in grado di stabilire la presenza di un difetto.

• Analizzando le ampiezze dei picchi possiamo stimare il livello di criticità del segnale.

Infine è bene rammentare che molte altre informazioni si possono trarre con le dovute conoscenze matematiche e meccaniche.