Nozioni di base e tecnologia

Una vibrazione armonica può essere descritta da una funzione sinusoidale. Esistono diverse variabili rilevanti per la carettizzazione della vibrazione:

Periodo T indica l'intervallo di tempo dopo il quale un processo si è ripetuto completamente. Il reciproco di un periodo è chiamato frequenza (f = 1/T). Con una velocità del motore di 3.000 giri al minuto, la rotazione viene ripetuta ogni 20 ms (periodo T), che corrisponde a una frequenza di 50 Hz.

Ampiezza A indica lo spostamento massimo di una vibrazione dalla posizione zero. Esistono diversi termini che possono essere utilizzati in relazione all'ampiezza. Oltre al classico valore di picco (= ampiezza, Peak), altri due termini comuni sono il valore efficace (= valore RMS) e l'ampiezza (= 2x ampiezza, Peak-Peak).

Fase indica la funzione angolare o l’offset temporale di un processo periodico, ad esempio una funzione sinusoidale rispetto a un riferimento (ad esempio l’impulso di un encoder). Nel nostro caso, la fase è una variabile importante nell’equilibratura di un sistema rotante, per determinare la posizione del contrappeso di bilanciamento.

Nella pratica, si sovrappongono molte vibrazioni armoniche diverse, motivo per cui le singole funzioni sinusoidali di solito non sono più riconoscibili nel segnale temporale.

Intervallo di tempo

Quando si effettua l’analisi nell’intervallo di tempo, il segnale di vibrazione complesso sovrapposto viene visualizzato e analizzato nel corso del tempo. La presenza di segnali o modelli dominanti e transitori nel segnale temporale consente di trarre conclusioni sul danno.
Ad esempio, i danni ai cuscinetti nelle fasi iniziali in cui vengono danneggiati generano ampiezze periodiche aghiformi nel segnale temporale.

Nell’intervallo temporale, i valori caratteristici dello stato vengono tipicamente calcolati come valore efficace (RMS) o valore di picco (Peak).
Nel campo del monitoraggio delle vibrazioni, ad esempio, il valore efficace della velocità di vibrazione (v-RMS) viene utilizzato per disequilibrio, allineamento errato e allentamento, mentre il valore efficace dell’accelerazione della vibrazione (a-RMS) viene utilizzato per attriti o lubrificazione insufficiente di trasmissioni o cuscinetti.
Un valore caratteristico diffuso per i valori di picco è il cosiddetto valore di picco dell’accelerazione della vibrazione (a-Peak), che rappresenta eventi transitori, ad esempio in seguito a danni a un cuscinetto o a un improvviso crash della macchina.

Intervallo di frequenza

Quando si analizza nell’intervallo di frequenza, il segnale temporale complesso sovrapposto viene scomposto nelle sue componenti di frequenza e nelle sue ampiezze utilizzando una Trasformata di Fourier veloce (=FFT). Ciò consente di riconoscere rapidamente e chiaramente le frequenze dominanti, ad esempio la frequenza di disequilibrio, nell’insieme di vibrazioni.

Una forma speciale di FFT è lo spettro della curva di inviluppo (= H-FFT). Gli impulsi d'urto periodici (ad esempio dovuti a danni ai cuscinetti), che eccitano la frequenza propria del sistema, vengono demodulati e pre-filtrati di conseguenza. L'analisi della curva d'inviluppo ha il vantaggio, soprattutto nel caso di cuscinetti o di una cinematica complessa della macchina (ad esempio le trasmissioni), di poter riconoscere chiaramente le frequenze ricorrenti degli impulsi d'urto del componente danneggiato.

Misurazione a banda larga

In una misurazione a banda larga viene registrato e analizzato l'intero intervallo di frequenza di un segnale, comprese tutte le componenti della frequenza. Le misurazioni vengono effettuate su un ampio intervallo di frequenza (ad esempio 2...1.000 Hz) e da queste vengono calcolati indicatori di stato (ad esempio il valore efficace della velocità di vibrazione v-RMS), che vengono trasmessi in tempo reale per consentire il monitoraggio delle condizioni.

Misurazione a banda stretta

In una misurazione a banda stretta, il rilevamento si concentra su un intervallo di frequenza ristretta o su singole frequenze all'interno dello spettro complessivo. Le misurazioni a banda stretta sono spesso utilizzate quando l'interesse si concentra su una componente di frequenza specifica (ad esempio le frequenze di un cuscinetto) o su un determinato intervallo di frequenza.

Ampiezza della vibrazione d

L’ampiezza della vibrazione è l'effettivo percorso di movimento di un punto di misura dalla sua posizione di riposo, per cui è possibile registrare i movimenti ciclici di un'applicazione, ad esempio il movimento di un trasportatore o lo stato degli elementi di smorzamento di un trasportatore a vibrazione. In genere, l’ampiezza della vibrazione viene registrata in un intervallo di frequenza inferiore a 500 Hz.

Velocità di vibrazione v

La velocità di vibrazione, in particolare il valore efficace, è un buon indicatore della quantità di energia che agisce su una macchina. In particolare, il disequilibrio, gli allentamenti, gli allineamenti errati o i problemi della cinghia possono provocare un aumento del valore v-RMS. In genere, queste applicazioni si collocano in un intervallo di frequenza 2...1.000 Hz (secondo ISO 10816-3 o ISO 20816-3).

Accelerazione di vibrazione a

I valori caratteristici ad alta frequenza e a banda larga, come a-Peak oppure a-RMS, sono un indicatore comprovato di danni ai cuscinetti, processi di sfregamento, attrito o cavitazione. I picchi di accelerazione ad alta frequenza non sono coperti nell’intervallo di frequenza ISO 20816, soprattutto nelle prime fasi del danno. Ciò rende l'accelerazione di vibrazione un buon indicatore di allarme precoce per gli impulsi d'urto brevi e transitori di un imminente danno ai cuscinetti o di un guasto ai denti degli ingranaggi.

Crest Factor

Un particolare valore caratteristico dell'accelerazione di vibrazione è il cosiddetto Crest Factor, definito il quoziente del valore di picco e del valore efficace:
Crest = a−Peak / a−RMS

Il Crest Factor è un parametro comprovato per la valutazione dei danni ai cuscinetti. Soprattutto nelle fasi iniziali del danneggiamento del cuscinetto, si verificano singoli impulsi d'urto durante il passaggio periodico di un pitting. Questi impulsi d’urto provocano un aumento del valore a-Peak. In questa fase, tuttavia, il valore a-RMS rimane relativamente basso. Con il progredire del danno, aumenta la frequenza dei pitting e l’intensità degli impulsi d’urto, con conseguente aumento del valore a-RMS. Soprattutto in questa fase iniziale tra valori a-Peak elevati e valori a-RMS bassi, il Crest Factor è un utile indicatore di stato aggiuntivo per identificare precocemente i danni ai cuscinetti, poiché anche il Crest Factor deve essere elevato in questa fase e diminuisce gradualmente con l’aumento dei valori a-RMS.

Misurazione a un asse o a più assi

Nella maggior parte delle applicazioni, è sufficiente la misurazione delle vibrazioni a un asse, poiché la vibrazione principale è in direzione radiale rispetto all'albero.
Tuttavia, una misurazione a 3 assi può significare vantaggi decisivi in termini di funzionalità, flessibilità e anche di costi.

Ad esempio, la rigidità delle macchine può variare in intensità o manifestarsi in modo diverso a seconda della cinematica e della costruzione, sia axialmente, orizzontalmente che verticalmente. Una misurazione a 3 assi offre flessibilità in termini di installazione e rileva tutte e tre le dimensioni quindi anche diverse sollecitazioni in modo mirato.
Inoltre, alcune geometrie della macchina e alcuni schemi di guasto hanno una notevole influenza sulla tipologia del danno. Ad esempio, un disallineamento dell’albero può essere predominante in direzione assiale o radiale, oppure il disequilibrio o gli urti possono manifestarsi più intensamente in diverse direzioni in presenza di determinate geometrie della macchina.

La frequenza propria è la frequenza specifica di un sistema complessivo, che provoca vibrazioni di grande ampiezza anche con le più piccole eccitazioni. Se la frequenza di eccitazione o un suo multiplo intero è vicina alla frequenza propria del sistema, si parla di risonanza.

Un sistema complessivo ha diverse frequenze proprie, per cui l’eccitazione può generare più volte la risonanza. Ad esempio, un sistema complessivo composto da un motore elettrico e da un sensore di vibrazioni ha frequenze proprie diverse, quindi il segnale di accelerazione del sensore può contenere la risonanza del motore, ma anche la propria risonanza.
La frequenza propria del sistema è definita dalla massa e dalla rigidità. Lo smorzamento di un sistema determina l'amplificazione dell'eccitazione a una frequenza propria.