Comprensione della risonanza di montaggio
Risonanza di montaggio è un risonanza condizione in cui il sistema di montaggio — isolatori antivibranti, guide di montaggio, staffe, pattini o l'intero gruppo macchina appoggiato sui propri supporti — vibra a una delle proprie frequenze naturali in risposta all'eccitazione generata dall'apparecchiatura rotante che sostiene. Quando ciò accade, l'intera macchina oscilla, dondola o rotola come un corpo rigido sui propri supporti, con ampiezze di gran lunga superiori a quelle che la stessa forza produrrebbe su una fondazione rigida. Si tratta di un fenomeno ben noto nelle macchine dotate di isolatori di vibrazioni, ma può verificarsi anche in un'installazione fissata in modo convenzionale con bulloni, ogni volta che la struttura portante non dispone di rigidità. In ogni caso, si tratta di un aspetto fondamentale nella progettazione degli impianti di isolamento, che deve essere risolto in fase di progettazione o gestito attivamente, piuttosto che emergere durante l'esercizio.
1. Definizione: che cos'è la risonanza di montaggio?
La chiave per comprendere la risonanza di montaggio sta nel considerare la macchina e i suoi supporti come un sistema massa-molla a sé stante. La macchina rappresenta la massa; gli isolatori o la flessibilità della struttura di supporto costituiscono la molla. Come ogni sistema di questo tipo, anche questo insieme presenta delle frequenze naturali e, se la velocità di funzionamento — o una delle sue armoniche — coincide con una di esse, il vibrazione forzata viene amplificata. Ciò che distingue la risonanza dei supporti da quella del rotore o dell'albero è il fatto che l'intera macchina si muove più o meno come un unico blocco: la vibrazione misurata sui supporti supera di gran lunga quella del rotore stesso. Questa caratteristica è l'indizio che il problema risiede nei supporti, non nel rotore. È strettamente correlata a risonanza del telaio e risonanza strutturale, che descrivono lo stesso effetto di amplificazione che si verifica nel telaio della macchina o nella struttura circostante.
2. Frequenze naturali del sistema di montaggio
Modalità a corpo rigido sugli isolatori
Una macchina appoggiata su isolatori antivibranti si comporta come un corpo rigido montato su molle, e un corpo rigido nello spazio ha sei gradi di libertà — quindi presenta sei frequenze naturali di corpo rigido.
Modalità traslazionali (tre)
- Rimbalzo verticale: movimento alternato, solitamente alla frequenza più bassa — circa 5–15 Hz per i comuni sistemi di isolamento.
- Traslazioni orizzontali (X e Y): movimenti laterali, solitamente pari a circa 1,5–2 volte la frequenza di oscillazione verticale.
Modi di rotazione (tre)
- Rollio: rotazione attorno all'asse longitudinale.
- Beccheggio: rotazione attorno all'asse trasversale.
- Imbardata: rotazione attorno all'asse verticale.
- Frequenze: in genere 10–30 Hz, a seconda delle dimensioni della macchina e della posizione del suo centro di gravità.
Modalità accoppiate
- Se gli isolatori non sono disposti simmetricamente, oppure se il centro di gravità non è centrato su di essi, i modi si accoppiano.
- La traslazione e la rotazione avvengono quindi contemporaneamente.
- Il risultato è uno schema di movimento complesso.
- Tali modi accoppiati sono più difficili da analizzare e correggere rispetto ai casi semplici, in cui non vi è accoppiamento.
3. Quando si verifica la risonanza di montaggio
Risonanza del sistema di isolamento
Lo scenario più comune, e anche piuttosto ironico, dato che deriva proprio dagli isolatori destinati a ridurre le vibrazioni:
- Intento progettuale: gli isolatori vengono scelti in modo tale che la loro frequenza naturale sia compresa tra circa un terzo e un quinto della velocità di funzionamento, portando così la macchina ben all'interno della regione di isolamento.
- Problema: se la macchina funziona a una velocità inferiore a quella di progetto, o semplicemente attraversa la frequenza dell'isolatore durante l'avvio, la forza esercitata coincide con quella frequenza naturale.
- Sintomo: Vibrazioni intense a velocità prossime alla frequenza naturale dell'isolatore
- Durata: limitato a una banda di velocità specifica, solitamente ristretta.
Risonanza di binario o pattino
- Le guide di montaggio e i basamenti portattrezzature presentano modi di flessione propri.
- Le frequenze tipiche variano tra i 15 e i 50 Hz, a seconda della campata e della rigidità.
- L'intero insieme oscilla sulle rotaie flessibili.
- Questo è un fenomeno comune nelle apparecchiature modulari e preassemblate che vengono spedite come un unico insieme.
Risonanza di supporto o staffa
- Le apparecchiature montate a parete o a soffitto su staffe sono particolarmente esposte.
- La staffa o il braccio di supporto ha una propria frequenza naturale.
- Il movimento della macchina risulta amplificato quando la velocità di marcia coincide con essa.
- Il movimento amplificato può quindi trasmettere vibrazioni alla struttura dell'edificio stesso.
4. Identificazione diagnostica
Indicatori chiave
- Amplificazione: La vibrazione rilevata sul supporto è di gran lunga superiore a quella della macchina: questo è il segno distintivo di tale condizione.
- Oscillazione o rimbalzo: movimento visibile dell'intera macchina.
- Sensibilità alla velocità: grave solo in un ristretto intervallo di velocità.
- Bassa frequenza: in genere da 5 a 30 Hz per i sistemi isolati.
- Relazioni di fase: tutti i punti di fissaggio si muovono in fase per la modalità a rimbalzo, oppure sfasati per la modalità a dondolio.
Procedura diagnostica
- Determinare la frequenza di risonanza dal picco nel spettro di vibrazione.
- Eseguire la prova di percussione sui supporti: un test di urto rivela la frequenza naturale del supporto indipendentemente dal funzionamento della macchina.
- Confrontare: Se la frequenza di risonanza operativa coincide con la frequenza naturale del supporto misurata, si conferma la presenza di risonanza del supporto.
- Misurare in diversi punti per stabilire le fase relazioni tra i punti di fissaggio.
- Valutare la forma modale: stabilire se il movimento sia di rimbalzo, di dondolio o di modo accoppiato.
Un primo passo fondamentale nella diagnosi consiste nel distinguere un problema di supporto da un problema del rotore. Il quadro sopra descritto — ampio movimento dei supporti, movimento modesto del rotore, con il picco fissato su una frequenza strutturale piuttosto che sulla velocità di tracciamento — indica chiaramente che il problema risiede nel supporto. Occorre inoltre prestare attenzione a non confondere la risonanza dei supporti con un piede zoppo, dove un supporto non poggia in piano e deforma il telaio; i due possono coesistere ed entrambi aumentano le vibrazioni.
5. Soluzioni
Per la risonanza del sistema di isolamento
Modifica la rigidità dell'isolatore
- Isolatori più rigidi aumentare la frequenza naturale al di sopra della velocità di esercizio.
- Isolatori più morbidi ridurla al di sotto dell'intervallo di avvio, se l'apparecchiatura è in grado di sopportare una deflessione statica maggiore.
- Regola di selezione: la frequenza dell'isolatore dovrebbe essere inferiore a un terzo della velocità minima di funzionamento.
Aggiungi smorzamento
- Utilizzare isolatori con smorzamento — supporti elastomerici al posto delle molle in acciaio nudo.
- Aggiungere smorzatori viscosi o a frizione in parallelo agli isolatori.
- Lo smorzamento riduce il picco di risonanza anche quando non è possibile eliminare la coincidenza di frequenza.
Migliorare l'installazione dell'isolatore
- Assicurarsi che ogni isolatore sia caricato correttamente: nessuno deve essere inclinato, bloccato o privo di carico.
- Verificare che gli isolatori siano adeguati al peso effettivo dell'apparecchiatura, non a quello ipotizzato.
- Verificare la presenza di isolatori grippati o deteriorati che abbiano perso la rigidità prevista.
- Verificare che il posizionamento sia simmetrico rispetto al centro di gravità per evitare modalità accoppiate.
Per risonanza di montaggio strutturale
Irrigidire la struttura di montaggio
- Aggiungere rinforzi alle guide o ai pattini.
- Aumentare lo spessore delle staffe o aggiungere rinforzi.
- Accorciare le campate non sostenute.
- Collegare tra loro i punti di fissaggio separati in modo che agiscano come un unico elemento.
Modificare la configurazione di montaggio
- Aggiungere dei sostegni intermedi per ridurre la campata.
- Spostare i punti di fissaggio su parti più rigide della struttura.
- Utilizzare elementi di fissaggio più resistenti.
Poiché tutte queste operazioni agiscono modificando una frequenza naturale, la struttura portante rigidità della fondazione è la leva che azionano; un calcolatore della frequenza naturale delle fondamenta aiuta a confermare che una modifica di irrigidimento sposti effettivamente la frequenza al di fuori della velocità di marcia.
Soluzioni operative
- Limite di velocità: evitare il funzionamento prolungato alla velocità di risonanza.
- Accelerazione rapida: attraversare rapidamente la risonanza durante l'avvio, in modo che si accumuli poca energia.
- Ridurre l'eccitazione: migliorare bilanciamento per ridurre la forzante alla frequenza di risonanza.
6. Progettazione dell'isolamento e apparecchiature accoppiate
Progettazione dell'isolamento antivibrante
Una corretta progettazione dell'isolamento antivibrante previene anzitutto la risonanza del supporto, mantenendo le velocità operative ben lontane dalle frequenze naturali del supporto stesso:
- Rapporto di frequenza: la frequenza dell'isolatore deve essere pari a fisolatore < 0.3 × fminimo operativo.
- Trasmissibilità: esattamente al punto di risonanza trasmissibilità può superare i 10 — il supporto amplifica anziché isolare, il contrario di quanto dovrebbe fare.
- Campo operativo: per garantire un isolamento efficace, tutte le frequenze operative devono essere superiori a 2–3 volte la frequenza dell'isolatore.
- Avviamento: È accettabile un breve passaggio ad alta ampiezza attraverso la risonanza durante la fase di accelerazione, purché sia di breve durata.
La scelta di isolatori che soddisfino questi requisiti è una semplice operazione di dimensionamento; un Calcolatore per la scelta dei supporti antivibranti adegua la rigidità del supporto alla massa e alla velocità della macchina, e un calcolatore per l'isolamento dalle vibrazioni delle macchine stima l'efficienza di isolamento risultante.
Attrezzatura accoppiata
Le apparecchiature motorizzate montate su una piastra di base comune comportano ulteriori complicazioni:
- L'intero gruppo presenta modalità di corpo rigido sui propri supporti.
- Il motore e la macchina azionata trasmettono le loro vibrazioni attraverso la piastra di base comune.
- Una risonanza può essere eccitata da entrambe le macchine, indipendentemente da quale sia la sorgente più rumorosa.
- Deve quindi essere considerato come un unico sistema completo, non come due macchine indipendenti.
7. Strumenti di misurazione e analisi
Analisi modale
- Analisi modale descrive in modo esaustivo ogni modalità del sistema di montaggio.
- Indica la frequenza, lo smorzamento e la forma modale di ciascuno.
- Questi dati vengono utilizzati direttamente per apportare modifiche al progetto.
- Può essere realizzato sperimentalmente con test d'impatto oppure previsto mediante l'analisi agli elementi finiti.
Forma di deflessione operativa (ODS)
- Analisi ODS visualizza l'andamento effettivo del movimento mentre la macchina è in funzione.
- Distingue chiaramente la risonanza di montaggio dalla risonanza del rotore.
- Indica quale modalità è attiva: rimbalzo, oscillazione o accoppiata.
- Indica esattamente dove inserire i rinforzi per ottenere il massimo risultato.
Sul campo, lo stesso strumento portatile utilizzato per il bilanciamento di routine è di grande aiuto in gran parte di questo lavoro. Un analizzatore a due canali come il Balanset-1A rileva l'ampiezza e la fase in diversi punti dei supporti, mentre la sua funzione di "bump test" misura direttamente la frequenza naturale del supporto, consentendo all'ingegnere di confermare un sospetto di risonanza del supporto, decidere se la soluzione sia un supporto più rigido o un migliore bilanciamento e verificare l'efficacia della correzione una volta apportata.
La risonanza dei supporti può causare forti vibrazioni anche su macchinari ben mantenuti e ben bilanciati, semplicemente perché il problema risiede nei supporti stessi piuttosto che nel rotore. Comprendere le frequenze naturali dei sistemi di supporto — in particolare degli isolatori di vibrazioni — e mantenerle ben distanziate dalle velocità operative è fondamentale per un efficace controllo delle vibrazioni in qualsiasi impianto con apparecchiature rotanti.
