Comprensione della risonanza strutturale
Definizione: Che cos'è la risonanza strutturale?
Risonanza strutturale è una condizione in cui il vibrazione frequenza da macchinari rotanti (come 1× velocità di funzionamento, 2× da disallineamento, o frequenza di passaggio della lama) corrisponde a un frequenza naturale della struttura di supporto non rotante, compreso il telaio della macchina, la piastra di base, piedistalli, fondamenta o anche strutture vicine. Quando si verifica questa corrispondenza di frequenza, risonanza amplifica le vibrazioni strutturali a livelli di gran lunga superiori a quelli sperimentati dai componenti rotanti stessi.
La risonanza strutturale è particolarmente problematica perché può far apparire una macchina ben bilanciata e correttamente allineata come se avesse gravi problemi di vibrazione. L'elevata vibrazione è nella struttura, e non indica necessariamente problemi al rotore, ma il movimento strutturale può ripercuotersi sul comportamento del rotore e causare danni meccanici nel tempo.
Come avviene la risonanza strutturale
Il meccanismo di risonanza
- Fonte di eccitazione: I macchinari rotanti generano forze periodiche (da sbilanciare, disallineamento, ecc.)
- Trasmissione della forza: Queste forze vengono trasmesse attraverso i cuscinetti alla struttura di supporto
- Corrispondenza di frequenza: Se la frequenza di eccitazione ≈ frequenza naturale strutturale
- Accumulo di energia: La struttura assorbe energia su più cicli
- Amplificazione: L'ampiezza delle vibrazioni aumenta, limitata solo dalla struttura smorzamento
- Effetto osservato: La struttura vibra ad un'ampiezza 5-50 volte superiore a quella che normalmente produrrebbe la forza di input
Intervalli di frequenza tipici
- Modalità di fondazione: Di solito 5-30 Hz per le tipiche fondamenta industriali
- Modalità della piastra di base: 20-100 Hz a seconda delle dimensioni e della costruzione
- Modalità piedistallo: 30-200 Hz per supporti tipici dei cuscinetti
- Modalità cornice/copertina: 50-500 Hz per pannelli e coperture in lamiera
Scenari di risonanza comuni
1X Risonanza della velocità di corsa
- Esempio: Macchina funzionante a 1800 giri/min (30 Hz), frequenza naturale di base a 28-32 Hz
- Sintomo: Vibrazioni molto elevate nonostante un buon equilibrio
- Effetto: Anche un piccolo squilibrio residuo crea un grande movimento strutturale
- Soluzione: Modificare la rigidità della fondazione, aggiungere smorzamento o modificare la velocità operativa
Risonanza 2X (frequenza di disallineamento)
- Il disallineamento genera un'eccitazione di frequenza 2×
- Se 2× corrisponde alla modalità strutturale, si verifica l'amplificazione
- Le vibrazioni elevate possono essere erroneamente diagnosticate come un grave disallineamento
- Il miglioramento dell'allineamento aiuta ma non elimina la risonanza
Risonanza di frequenza di passaggio lama/paletta
- Ventilatori, pompe, turbine generano una frequenza di passaggio delle pale (N × RPM, dove N = numero di pale)
- Spesso nell'intervallo 50-500 Hz
- Può eccitare modalità strutturali in questo intervallo di frequenza
- Crepitio o ronzio ad alta frequenza
Identificazione diagnostica
Sintomi di risonanza strutturale
- Vibrazione sproporzionata: Vibrazione della struttura molto più elevata della vibrazione del cuscinetto
- Intervallo di velocità ristretto: Elevata vibrazione solo a velocità specifica (±5-10%)
- Dipendenza direzionale: Grave in una direzione, minimo in direzione perpendicolare (forma modale corrispondente)
- Dipendenza dalla posizione: La vibrazione varia notevolmente sulla superficie della struttura (antinodi vs. nodi)
- Effetto cuscinetto minimo: I cuscinetti e il rotore possono mostrare vibrazioni accettabili mentre la struttura è severa
Test diagnostici
1. Test di impatto (Bump Test)
- Colpire la struttura con il martello, misurare la risposta
- Identifica tutte le frequenze naturali strutturali
- Confronta con le frequenze operative della macchina
- Il test più definitivo per la risonanza strutturale
2. Confronto della posizione di misurazione
- Misurare le vibrazioni nell'alloggiamento del cuscinetto (vicino alla fonte)
- Misurare alla base del piedistallo, alla piastra di base, alla fondazione
- Se la vibrazione strutturale >> vibrazione del cuscinetto, indica risonanza strutturale
- Trasmissibilità > 2-3 suggerisce amplificazione della risonanza
3. Forma di deflessione operativa (ODS)
- Misurare le vibrazioni in più punti della struttura contemporaneamente
- Crea una visualizzazione animata del movimento strutturale
- Rivela quale modalità strutturale è attiva
- Identifica nodi e antinodi
Soluzioni e mitigazione
Separazione di frequenza
Cambiare la velocità operativa
- Se l'apparecchiatura è a velocità variabile, operare lontano dalla risonanza
- Modificare le dimensioni della puleggia del motore per regolare la velocità
- Utilizzare VFD per selezionare la velocità non risonante
- Potrebbe non essere pratico se la velocità è determinata dai requisiti del processo
Modifica la frequenza naturale strutturale
- Aggiungi massa: Abbassa la frequenza naturale (f ∝ 1/√m)
- Aggiungere rigidità: Aumenta la frequenza naturale (f ∝ √k)
- Rimuovere il materiale: In alcuni casi, la riduzione della massa può spostare la risonanza
- Modifica strutturale: Aggiungere rinforzi, rinforzi o rinforzi
Aggiunta di smorzamento
Smorzamento degli strati vincolati
- Materiale smorzante viscoelastico legato alla struttura
- Efficace per pannelli e telai in lamiera
- Riduce l'ampiezza del picco di risonanza
- Trattamenti di smorzamento disponibili in commercio
Smorzatori di massa sintonizzati
- Aggiungere un sistema massa-molla secondario sintonizzato sulla frequenza problematica
- Assorbe energia, riduce le vibrazioni della struttura principale
- Efficace ma richiede una progettazione e una messa a punto accurate
Materiali di smorzamento strutturale
- Cuscinetti in gomma o isolatori in posizioni strategiche
- Composti smorzanti applicati alle superfici
- Smorzatori di attrito nei giunti
Isolamento
- Installare isolatori di vibrazioni tra la macchina e la fondazione
- Disaccoppia le vibrazioni della macchina dalla struttura
- Efficace se la frequenza naturale dell'isolatore < 0,5× frequenza di eccitazione
- Richiede una progettazione attenta per evitare di creare nuovi problemi di risonanza
Ridurre l'eccitazione
- Migliorare qualità dell'equilibrio per ridurre l'eccitazione 1×
- Allineamento di precisione per ridurre l'eccitazione 2×
- Risolvere i problemi meccanici riducendo le ampiezze di forzatura
- Riduce i sintomi ma non elimina il potenziale di risonanza
Prevenzione nella progettazione
Criteri di progettazione delle fondamenta
- Frequenza naturale di fondazione > 2× frequenza operativa massima (evitare la risonanza sopra)
- O < 0,5× frequenza operativa minima (fondazione isolata)
- Evitare l'intervallo 0,5-2,0 dove è probabile la risonanza
- Includere l'analisi dinamica nella fase di progettazione
Progettazione strutturale
- Progettare per una rigidità adeguata rispetto alle frequenze di forzatura
- Evitare strutture leggermente caricate soggette a risonanza
- Utilizzare nervature e rinforzi per aumentare la frequenza
- Valutare l'aggiunta di smorzamento intrinseco (materiali compositi, giunti con attrito)
La risonanza strutturale può trasformare piccole sorgenti di vibrazioni in problemi più gravi attraverso effetti di amplificazione. L'identificazione delle risonanze strutturali attraverso test di impatto e misurazioni operative, combinata con adeguate strategie di mitigazione, è essenziale per raggiungere livelli di vibrazione accettabili nelle installazioni in cui le dinamiche strutturali influenzano significativamente il comportamento vibrazionale complessivo della macchina.
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