Shaft Alignment Tolerances: What They Are, Why They Matter, and How To Achieve Alignment Within Tolerance

Un allineamento macchina corretto è fondamentale per prolungarne la longevità, migliorare l'affidabilità e ridurre i costi di manutenzione. Tuttavia, ottenere un allineamento perfetto al 100% è pressoché impossibile in alcuni setup; per questa ragione, la maggior parte delle macchine e dei giunti presenta tolleranze di allineamento che permettono una gamma ridotta di allineamenti consentiti.

Questa guida spiega esattamente cosa sono le tolleranze di allineamento e perché sono così importanti durante l'esecuzione degli allineamenti. Fornisce inoltre indicazioni pratiche su come ottenere l'allineamento entro le tolleranze e sul motivo per cui potrebbe essere importante ridurre le tolleranze per particolari apparecchiature.

Cosa sono le tolleranze di allineamento alberi?

Le tolleranze di allineamento corrispondono all'entità del disallineamento consentito, angolare od offset, tra alberi accoppiati che non compromette l'affidabilità. Le tolleranze offrono un intervallo entro il quale la macchina può ancora funzionare alla massima efficienza e con danni minimi ai componenti.

Le tolleranze di allineamento alberi sono spesso determinate dalla velocità di rotazione della macchina. Valori RPM più elevati richiedono tolleranze più strette, mentre le macchine che si muovono più lentamente possono avere tolleranze maggiori.

Gli standard di allineamento alberi sono fissati da organismi quali l'American National Standards Institute (ANSI) e l'American Petroleum Institute (API). Sono inoltre specificati dall'International Organization for Standardization (ISO). Tuttavia, le singole macchine possono avere le proprie tolleranze di allineamento specificate del produttore dell'attrezzatura originale (OEM).

L'importanza delle tolleranze di allineamento alberi

Un allineamento alberi corretto entro le tolleranze è fondamentale per garantire la longevità e l'efficienza delle macchine rotanti. Quando gli alberi sono disallineati oltre i limiti accettabili, vengono trasmesse forze eccessive a cuscinetti, guarnizioni e altri componenti, con conseguente aumento delle vibrazioni, del calore e dell'usura. Ciò può portare a guasti prematuri delle apparecchiature, a costosi tempi di fermo e all'aumento dei costi della manutenzione. Rispettando rigorosamente le tolleranze di allineamento alberi si riducono al minimo tali sollecitazioni, prolungando la vita utile della macchina e dei suoi componenti.

Inoltre, l'allineamento preciso migliora l'efficienza operativa. Il disallineamento degli alberi può causare perdite di energia a causa dell'aumento dell'attrito e delle vibrazioni, riducendo le prestazioni complessive del sistema e aumentando i costi delle utenze. Per i giunti, l'allineamento alberi corretto ne garantisce il funzionamento entro i limiti di progettazione, evitando usura eccessiva o guasti.

Oltre ai danni alle attrezzature, il disallineamento degli asset critici può comportare rischi per la sicurezza, quali guasti imprevisti nelle turbine ad alta velocità o nei compressori, cosicché l'allineamento preciso è essenziale per la sicurezza dei lavoratori.

Infine, facendo in modo che l'allineamento rientri nella tolleranza si migliorano anche gli indicatori chiave delle prestazioni come MTBF (tempo medio tra i guasti) ed MTTR (tempo medio di riparazione), ottimizzando le prestazioni e riducendo al minimo i costi operativi.

Tipi di disallineamento degli alberi

Il disallineamento si presenta in due forme: offset (noto anche come parallelo, quando gli alberi sono spostati tra loro) e angolare (quando gli alberi sono inclinati relativamente l'uno rispetto all'altro). Le tolleranze di allineamento forniscono il valore consentito massimo per entrambi i tipi di disallineamento.

La tolleranza di disallineamento parallela o di offset si misura in unità estremamente piccole, note come mil. Un mil è un millesimo (o 0,001) di pollice ed equivale circa alla larghezza di un capello umano. Questa piccola quantità potrebbe non essere percepibile a occhio nudo, ma solo pochi mil possono significare la differenza tra una macchina allineata entro la tolleranza e una disallineata.

Il disallineamento angolare si misura in mil per pollice, che descrive l'entità dell'inclinazione degli alberi tra loro su una determinata distanza. Ad esempio, un disallineamento angolare di 1 mil/pollice indica che la distanza tra le mezzerie degli alberi aumenta di 1 mil ogni pollice di lunghezza.

Altri fattori che incidono sulle tolleranze

Come accennato in precedenza, le tolleranze di allineamento alberi dipendono dalla velocità di rotazione della macchina e dal comportamento della stessa mentre è in funzione. Le tabelle delle tolleranze di allineamento alberi basate sulla velocità forniscono linee guida per un disallineamento accettabile in base alla velocità di rotazione delle macchine. Queste tabelle, spesso fornite dai produttori o dagli standard industriali, assicurano che l'allineamento corrisponda alle richieste della macchina, riducendo l'usura di cuscinetti, guarnizioni e giunti.

Le macchine inoltre subiscono modifiche durante il funzionamento a causa della crescita termica e dei carichi operativi. Il calore provoca l'espansione dei componenti metallici, facendo variare l'allineamento alberi, mentre forze come la coppia o le sollecitazioni delle tubazioni possono causare ulteriori movimenti. Per contrastare questo problema, i tecnici eseguono l'allineamento a freddo, impostando intenzionalmente gli alberi con un lieve disallineamento per tenere conto delle variazioni attese in modo che si allineino perfettamente quando la macchina è in funzione. Ad esempio, se un motore si alza di 4 mil quando è caldo, viene allineato a 4 mil più in basso quando è freddo. I moderni strumenti di allineamento laser semplificano queste regolazioni tenendo conto dei dati di crescita termica.

Confronto tra tolleranze di allineamento alberi e tolleranze di allineamento giunti

È inoltre importante notare che è presente una distinzione tra le tolleranze di allineamento alberi e le tolleranze di allineamento giunti. Le tolleranze di allineamento alberi proteggono la macchina in sé, unitamente a componenti quali cuscinetti e guarnizioni. Le tolleranze di allineamento giunti proteggono il giunto; pertanto le tolleranze di allineamento giunti possono differire dalle tolleranze di allineamento alberi.

Le tolleranze di allineamento giunti sono spesso superiori alle tolleranze di allineamento macchina, in particolare per i giunti flessibili. Tuttavia, per alcuni tipi di giunti rigidi, il giunto potrebbe avere tolleranze più strette rispetto all'albero. L'allineamento degli stessi alberi in genere fa sì che l'allineamento dei giunti rientri bene nelle relative tolleranze di allineamento.

Cosa fare quando "entro la tolleranza" non basta

Le tolleranze di allineamento sono solitamente espresse come un numero che rappresenta l'offset massimo che può essere ancora considerato entro la tolleranza. Ad esempio, una tolleranza per una macchina può essere 8 mil di offset e 0,5 mil/pollice di tolleranza di disallineamento angolare. Ciò significa che, mentre 8 mil e 0,5 mil/pollice rientrano nella tolleranza, anche qualsiasi valore inferiore rientra nella tolleranza.

Nella maggior parte dei casi, tanto minore è il disallineamento, tanto meglio la macchina funziona. Quindi, mentre un allineamento con un offset di soli 8 mil potrebbe rientrare nella tolleranza, un allineamento di 6 mil, 2 mil inferiore alla tolleranza dichiarata sarebbe ancora più ottimale.

Per molte macchine, il rispetto delle tolleranze pubblicate dai produttori o dagli standard industriali garantisce un funzionamento affidabile. Queste tolleranze sono pensate per applicazioni generiche in cui un disallineamento di lieve entità non incide in modo significativo sulle prestazioni. Bilanciano la precisione con considerazioni pratiche come il tempo e il costo dell'allineamento, cosicché sono indicate per asset non critici o condizioni operative standard.

Tuttavia, per gli asset critici come i compressori centrifughi nelle raffinerie, i generatori nelle centrali elettriche o i mandrini ad alta velocità nella produzione, specifiche di allineamento più rigorose possono migliorare significativamente la longevità e ridurre al minimo i tempi di fermo. Le apparecchiature critiche spesso funzionano a RPM elevati o in condizioni ostili (ad esempio funzionamento continuo, coppia elevata o in ambienti difficili), in cui anche lievi disallineamenti possono amplificare le vibrazioni, sottoporre a sollecitazioni i cuscinetti e le guarnizioni o causare guasti catastrofici. Ridurre le tolleranze oltre gli standard pubblicati diminuisce ulteriormente questi rischi, aumentando l'affidabilità e la sicurezza.

Decidere quando ridurre le tolleranze implica soppesare i vantaggi di un allineamento più preciso rispetto all'impegno necessario per ottenere e mantenere l'allineamento.

Il modo più semplice per allineare entro le tolleranze

I tecnici ottengono l'allineamento utilizzando strumenti come comparatori a quadrante, che misurano il disallineamento durante la rotazione degli alberi, o avanzati sistemi di allineamento laser, che forniscono dati in tempo reale e indicazioni automatizzate per regolazioni precise.

Gli strumenti di allineamento a laser singolo Pruftechnik sono forniti con tabelle di tolleranza di allineamento integrate per facilitare la conformità alle tolleranze di specifica standard ANSI. È sufficiente selezionare il tipo di giunto, il formato del giunto, il diametro e il valore RPM della macchina affinché il sistema di allineamento fornisca una tabella che riporta tre livelli di allineamento: minimo, standard e precisione. L'allineamento minimo rientra appena nei limiti di tolleranza, mentre l'allineamento di precisione supera gli standard di tolleranza ed è l'allineamento più preciso possibile.

Successivamente, è sufficiente effettuare le misurazioni ruotando l'albero, ottenere risultati in tempo reale e seguire il flusso di lavoro guidato automatico fino a portare l'allineamento entro la tolleranza.

Nel caso delle macchine che richiedono tolleranze più strette rispetto allo standard, gli strumenti Pruftechnik consentono inoltre agli utenti di definire tolleranze personalizzate, tolleranze asimmetriche incluse, per ottenere l'allineamento necessario per la specifica applicazione. I tecnici possono utilizzare un tag RFID per etichettare la macchina e gli strumenti Pruftechnik possono leggere il tag RFID, connettersi al cloud e recuperare dati di allineamento storici, incluse le tolleranze specificate dall'utente, per allineamenti di precisione più rapidi.

Le tolleranze di allineamento indicano ai tecnici quanto devono essere stretti gli allineamenti, ma gli strumenti Pruftechnik rendono più semplice portare l'allineamento entro le tolleranze, anche per i tecnici privi di esperienza. Ulteriori informazioni sugli strumenti di allineamento alberi al laser Pruftechnik sono disponibili qui.