Vibrazioni lineari e non lineari, le loro caratteristiche e metodi di bilanciamento
I meccanismi rotanti ci circondano ovunque, dalle ventole in miniatura nei computer alle turbine giganti nelle centrali elettriche. Il loro funzionamento affidabile ed efficiente dipende direttamente dal bilanciamento, il processo di eliminazione degli squilibri di massa che portano a vibrazioni indesiderate. Le vibrazioni, a loro volta, non solo riducono le prestazioni e la durata delle apparecchiature, ma possono anche causare gravi incidenti e lesioni. Pertanto, il bilanciamento è una procedura cruciale nella produzione, nel funzionamento e nella manutenzione delle apparecchiature rotanti.
Un bilanciamento di successo richiede la comprensione di come un oggetto reagisce all'aggiunta o alla rimozione di massa. In questo contesto, i concetti di oggetti lineari e non lineari svolgono un ruolo chiave. Comprendere se un oggetto è lineare o non lineare consente la selezione della strategia di bilanciamento corretta e aiuta a ottenere il risultato desiderato.
Gli oggetti lineari occupano un posto speciale in questo campo grazie alla loro prevedibilità e stabilità. Consentono l'uso di metodi diagnostici e di bilanciamento semplici e affidabili, rendendo il loro studio un passo importante nella diagnostica delle vibrazioni.
Cosa sono gli oggetti lineari?
Un oggetto lineare è un sistema in cui la vibrazione è direttamente proporzionale all'entità dello squilibrio.
Un oggetto lineare, nel contesto del bilanciamento, è un modello idealizzato caratterizzato da una relazione direttamente proporzionale tra l'entità dello squilibrio (massa non bilanciata) e l'ampiezza della vibrazione. Ciò significa che se lo squilibrio raddoppia, anche l'ampiezza della vibrazione raddoppierà, a condizione che la velocità di rotazione del rotore rimanga costante. Al contrario, riducendo lo squilibrio si ridurranno proporzionalmente le vibrazioni.
A differenza dei sistemi non lineari, in cui il comportamento di un oggetto può variare in base a molti fattori, gli oggetti lineari consentono un elevato livello di precisione con il minimo sforzo.
Inoltre, servono come base per la formazione e la pratica per i bilanciatori. La comprensione dei principi degli oggetti lineari aiuta a sviluppare competenze che possono essere applicate in seguito a sistemi più complessi.
Rappresentazione grafica della linearità
Immagina un grafico in cui l'asse orizzontale rappresenta la grandezza della massa non bilanciata (squilibrio) e l'asse verticale rappresenta l'ampiezza della vibrazione. Per un oggetto lineare, questo grafico sarà una linea retta che passa per l'origine (il punto in cui sia la grandezza dello squilibrio che l'ampiezza della vibrazione sono zero). La pendenza di questa linea caratterizza la sensibilità dell'oggetto allo squilibrio: più ripida è la pendenza, maggiori sono le vibrazioni per lo stesso squilibrio.
Grafico 1: Relazione tra ampiezza di vibrazione (µm) e massa sbilanciata (g)
Il grafico 1 illustra la relazione tra l'ampiezza della vibrazione (µm) di un oggetto di bilanciamento lineare e la massa non bilanciata (g) del rotore. Il coefficiente di proporzionalità è 0,5 µm/g. Semplicemente dividendo 300 per 600 si ottiene 0,5 µm/g. Per una massa non bilanciata di 800 g (UM=800 g), la vibrazione sarà 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Si noti che ciò si applica a una velocità costante del rotore. A una diversa velocità di rotazione, il coefficiente sarà diverso.
Questo coefficiente di proporzionalità è chiamato coefficiente di influenza (coefficiente di sensibilità) e ha una dimensione di µm/g o, nei casi che coinvolgono lo squilibrio, µm/(g*mm), dove (g*mm) è l'unità di squilibrio. Conoscendo il coefficiente di influenza (IC), è anche possibile risolvere il problema inverso, vale a dire, determinare la massa sbilanciata (UM) in base all'entità della vibrazione. Per fare ciò, dividere l'ampiezza della vibrazione per l'IC.
Ad esempio, se la vibrazione misurata è 300 µm e il coefficiente noto è IC=0,5 µm/g, dividere 300 per 0,5 per ottenere 600 g (UM=600 g).
Coefficiente di influenza (IC): parametro chiave degli oggetti lineari
Una caratteristica critica di un oggetto lineare è il coefficiente di influenza (IC). È numericamente uguale alla tangente dell'angolo di inclinazione della linea sul grafico di vibrazione rispetto allo squilibrio e indica quanto cambia l'ampiezza della vibrazione (in micron, µm) quando un'unità di massa (in grammi, g) viene aggiunta in uno specifico piano di correzione a una specifica velocità del rotore. In altre parole, l'IC è una misura della sensibilità dell'oggetto allo squilibrio. La sua unità di misura è µm/g, o, quando lo squilibrio è espresso come prodotto di massa e raggio, µm/(g*mm).
L'IC è essenzialmente la caratteristica "passaporto" di un oggetto lineare, che consente di prevedere il suo comportamento quando viene aggiunta o rimossa massa. Conoscere l'IC consente di risolvere sia il problema diretto, ovvero determinare l'entità della vibrazione per un dato squilibrio, sia il problema inverso, ovvero calcolare l'entità dello squilibrio dalla vibrazione misurata.
Problema diretto:
• Ampiezza di vibrazione (µm) = IC (µm/g) * Massa non bilanciata (g)
Problema inverso:
• Massa non bilanciata (g) = Ampiezza di vibrazione (µm) / CI (µm/g)
Fase di vibrazione negli oggetti lineari
Oltre all'ampiezza, la vibrazione è caratterizzata anche dalla sua fase, che indica la posizione del rotore al momento della massima deviazione dalla sua posizione di equilibrio. Per un oggetto lineare, anche la fase della vibrazione è prevedibile. È la somma di due angoli:
- L'angolo che determina la posizione della massa complessiva non bilanciata del rotore. Questo angolo indica la direzione in cui è concentrato lo squilibrio primario.
- L'argomento del coefficiente di influenza. Questo è un angolo costante che caratterizza le proprietà dinamiche dell'oggetto e non dipende dalla grandezza o dall'angolo dell'installazione di massa sbilanciata.
Pertanto, conoscendo l'argomento IC e misurando la fase di vibrazione, è possibile determinare l'angolo dell'installazione di massa sbilanciata. Ciò consente non solo il calcolo della grandezza di massa correttiva, ma anche il suo posizionamento preciso sul rotore per ottenere un equilibrio ottimale.
Bilanciamento di oggetti lineari
È importante notare che per un oggetto lineare, il coefficiente di influenza (IC) determinato in questo modo non dipende dalla grandezza o dall'angolo dell'installazione della massa di prova, né dalla vibrazione iniziale. Questa è una caratteristica fondamentale della linearità. Se l'IC rimane invariato quando i parametri della massa di prova o la vibrazione iniziale vengono modificati, si può affermare con sicurezza che l'oggetto si comporta linearmente entro l'intervallo di squilibri considerato.
Passaggi per bilanciare un oggetto lineare
- Misurazione della vibrazione iniziale:
Il primo passo è misurare la vibrazione nel suo stato iniziale. Vengono determinati l'ampiezza e l'angolo di vibrazione, che indicano la direzione dello squilibrio. - Installazione di una massa di prova:
Una massa di peso noto è installata sul rotore. Ciò aiuta a capire come l'oggetto reagisce a carichi aggiuntivi e consente di calcolare i parametri di vibrazione. - Nuova misurazione delle vibrazioni:
Dopo aver installato la massa di prova, vengono misurati nuovi parametri di vibrazione. Confrontandoli con i valori iniziali, è possibile determinare in che modo la massa influisce sul sistema. - Calcolo della massa correttiva:
Sulla base dei dati di misurazione, vengono determinati la massa e l'angolo di installazione del peso correttivo. Questo peso viene posizionato sul rotore per eliminare lo squilibrio. - Verifica finale:
Dopo aver installato il peso correttivo, la vibrazione dovrebbe essere notevolmente ridotta. Se la vibrazione residua supera ancora il livello accettabile, la procedura può essere ripetuta.
Gli oggetti lineari servono come modelli ideali per studiare e applicare praticamente i metodi di bilanciamento. Le loro proprietà consentono a ingegneri e diagnostici di concentrarsi sullo sviluppo di competenze di base e sulla comprensione dei principi fondamentali del lavoro con i sistemi di rotori. Sebbene la loro applicazione nella pratica reale sia limitata, lo studio degli oggetti lineari rimane un passo importante nel progresso della diagnostica delle vibrazioni e del bilanciamento.
Questi oggetti costituiscono la base per lo sviluppo di metodi e strumenti che vengono poi adattati per lavorare con sistemi più complessi, inclusi oggetti non lineari. In definitiva, comprendere il funzionamento degli oggetti lineari aiuta a garantire prestazioni stabili e affidabili delle apparecchiature, a ridurre al minimo le vibrazioni e a prolungarne la durata utile.
Oggetti non lineari: quando la teoria diverge dalla pratica
Che cosa è un oggetto non lineare?
Un oggetto non lineare è un sistema in cui l'ampiezza della vibrazione non è proporzionale alla grandezza dello squilibrio. A differenza degli oggetti lineari, in cui la relazione tra vibrazione e massa dello squilibrio è rappresentata da una linea retta, nei sistemi non lineari questa relazione può seguire traiettorie complesse.
Nel mondo reale, non tutti gli oggetti si comportano in modo lineare. Gli oggetti non lineari mostrano una relazione tra squilibrio e vibrazione che non è direttamente proporzionale. Ciò significa che il coefficiente di influenza non è costante e può variare a seconda di diversi fattori, come:
- Entità dello squilibrio: L'aumento dello squilibrio può modificare la rigidità dei supporti del rotore, provocando variazioni non lineari nelle vibrazioni.
- Velocità di rotazione: A diverse velocità di rotazione possono essere eccitati diversi fenomeni di risonanza, con conseguente comportamento non lineare.
- Presenza di spazi e fessure: In determinate condizioni, i giochi e gli spazi nei cuscinetti e in altri collegamenti possono causare bruschi cambiamenti nelle vibrazioni.
- Temperatura: Le variazioni di temperatura possono influenzare le proprietà dei materiali e, di conseguenza, le caratteristiche vibrazionali dell'oggetto.
- Carichi esterni: I carichi esterni che agiscono sul rotore possono alterarne le caratteristiche dinamiche e dare origine a un comportamento non lineare.
Perché gli oggetti non lineari sono una sfida?
La non linearità introduce molte variabili nel processo di bilanciamento. Un lavoro di successo con oggetti non lineari richiede più misurazioni e analisi più complesse. Ad esempio, i metodi standard applicabili agli oggetti lineari non sempre producono risultati accurati per i sistemi non lineari. Ciò richiede una comprensione più approfondita della fisica del processo e l'uso di metodi diagnostici specializzati.
Segnali di non linearità
Un oggetto non lineare può essere identificato dai seguenti segni:
- Variazioni non proporzionali delle vibrazioni: All'aumentare dello squilibrio, la vibrazione può aumentare più velocemente o più lentamente del previsto per un oggetto lineare.
- Spostamento di fase nella vibrazione: La fase di vibrazione può cambiare in modo imprevedibile in caso di variazioni di squilibrio o di velocità di rotazione.
- Presenza di armoniche e subarmoniche: Lo spettro delle vibrazioni può presentare armoniche superiori (multipli della frequenza di rotazione) e subarmoniche (frazioni della frequenza di rotazione), indicando effetti non lineari.
- Isteresi: L'ampiezza della vibrazione può dipendere non solo dal valore attuale dello squilibrio, ma anche dalla sua storia. Ad esempio, quando lo squilibrio aumenta e poi diminuisce fino a tornare al suo valore iniziale, l'ampiezza della vibrazione potrebbe non tornare al suo livello originale.
La non linearità introduce molte variabili nel processo di bilanciamento. Sono necessarie più misurazioni e analisi complesse per un funzionamento di successo. Ad esempio, i metodi standard applicabili agli oggetti lineari non sempre producono risultati accurati per i sistemi non lineari. Ciò richiede una comprensione più approfondita della fisica del processo e l'uso di metodi diagnostici specializzati.
Rappresentazione grafica della non linearità
In un grafico di vibrazione contro squilibrio, la non linearità è evidente nelle deviazioni da una linea retta. Il grafico può presentare curve, curvature, cicli di isteresi e altre caratteristiche che indicano una relazione complessa tra squilibrio e vibrazione.
Grafico 2. Oggetto non lineare
50g; 40μm (giallo),
100 g; 54,7 μm (blu).
Questo oggetto presenta due segmenti, due linee rette. Per squilibri inferiori a 50 grammi, il grafico riflette le proprietà di un oggetto lineare, mantenendo la proporzionalità tra lo squilibrio in grammi e l'ampiezza della vibrazione in micron. Per squilibri superiori a 50 grammi, la crescita dell'ampiezza della vibrazione rallenta.
Esempi di oggetti non lineari
Esempi di oggetti non lineari nel contesto del bilanciamento includono:
- Rotori con crepe: Le crepe nel rotore possono causare variazioni non lineari della rigidità e, di conseguenza, una relazione non lineare tra vibrazione e squilibrio.
- Rotori con giochi dei cuscinetti: In determinate condizioni, i giochi nei cuscinetti possono causare brusche variazioni delle vibrazioni.
- Rotori con elementi elastici non lineari: Alcuni elementi elastici, come gli smorzatori in gomma, possono presentare caratteristiche non lineari, influenzando la dinamica del rotore.
Tipi di non linearità
1. Non linearità morbido-rigida
In tali sistemi, si osservano due segmenti: soft e stiff. Nel segmento soft, il comportamento assomiglia alla linearità, dove l'ampiezza della vibrazione aumenta proporzionalmente alla massa di squilibrio. Tuttavia, dopo una certa soglia (punto di interruzione), il sistema passa a una modalità stiff, dove la crescita dell'ampiezza rallenta.
2. Non linearità elastica
Le variazioni nella rigidità dei supporti o dei contatti all'interno del sistema rendono complessa la relazione vibrazione-squilibrio. Ad esempio, la vibrazione può aumentare o diminuire improvvisamente quando si superano specifiche soglie di carico.
3. Non linearità indotta dall'attrito
Nei sistemi con attrito significativo (ad esempio, nei cuscinetti), l'ampiezza della vibrazione può essere imprevedibile. L'attrito può ridurre la vibrazione in un intervallo di velocità e amplificarla in un altro.
Bilanciamento di oggetti non lineari: un compito complesso con soluzioni non convenzionali
Il bilanciamento di oggetti non lineari è un compito impegnativo che richiede metodi e approcci specializzati. Il metodo standard della massa di prova, sviluppato per oggetti lineari, può produrre risultati errati o essere del tutto inapplicabile.
Metodi di bilanciamento per oggetti non lineari
- Bilanciamento passo dopo passo:
Questo metodo comporta la riduzione graduale dello squilibrio mediante l'installazione di pesi correttivi a ogni fase. Dopo ogni fase, vengono effettuate misurazioni delle vibrazioni e viene determinato un nuovo peso correttivo in base allo stato attuale dell'oggetto. Questo approccio tiene conto delle modifiche nel coefficiente di influenza durante il processo di bilanciamento. - Equilibrio a più velocità:
Questo metodo affronta gli effetti dei fenomeni di risonanza a diverse velocità di rotazione. Il bilanciamento viene eseguito a diverse velocità prossime alla risonanza, consentendo una riduzione delle vibrazioni più uniforme nell'intera gamma di velocità operative. - Utilizzando modelli matematici:
Per oggetti non lineari complessi, possono essere impiegati modelli matematici che descrivono la dinamica del rotore tenendo conto degli effetti non lineari. Questi modelli aiutano a prevedere il comportamento dell'oggetto in varie condizioni e a determinare parametri di bilanciamento ottimali.
L'esperienza e l'intuizione di uno specialista svolgono un ruolo cruciale nel bilanciamento di oggetti non lineari. Un bilanciatore esperto può riconoscere i segnali di non linearità, selezionare un metodo appropriato e adattarlo alla situazione specifica. L'analisi degli spettri di vibrazione, l'osservazione dei cambiamenti di vibrazione al variare dei parametri operativi dell'oggetto e la considerazione delle caratteristiche di progettazione del rotore aiutano tutti a prendere le decisioni giuste e a ottenere i risultati desiderati.
Come bilanciare oggetti non lineari utilizzando uno strumento progettato per oggetti lineari
Questa è una buona domanda. Il mio metodo personale per bilanciare tali oggetti inizia con la riparazione del meccanismo: sostituzione dei cuscinetti, crepe di saldatura, serraggio dei bulloni, controllo degli ancoraggi o degli isolatori di vibrazioni e verifica che il rotore non sfreghi contro elementi strutturali fissi.
Successivamente, identifico le frequenze di risonanza, poiché è impossibile bilanciare un rotore a velocità prossime alla risonanza. Per farlo, utilizzo il metodo di impatto per la determinazione della risonanza o un grafico di coast-down del rotore.
Poi determino la posizione del sensore sul meccanismo: verticale, orizzontale o obliqua.
Dopo le prove, il dispositivo indica l'angolo e il peso dei carichi correttivi. Dimezzo il peso del carico correttivo ma utilizzo gli angoli suggeriti dal dispositivo per il posizionamento del rotore. Se la vibrazione residua dopo la correzione supera ancora il livello accettabile, eseguo un'altra prova del rotore. Naturalmente, questo richiede più tempo, ma i risultati a volte sono stimolanti.
L'arte e la scienza dell'equilibratura delle apparecchiature rotanti
Il bilanciamento di apparecchiature rotanti è un processo complesso che combina elementi di scienza e arte. Per oggetti lineari, il bilanciamento comporta calcoli relativamente semplici e metodi standard. Tuttavia, lavorare con oggetti non lineari richiede una profonda comprensione della dinamica del rotore, la capacità di analizzare i segnali di vibrazione e l'abilità di scegliere le strategie di bilanciamento più efficaci.
Esperienza, intuizione e continuo miglioramento delle competenze sono ciò che rende un bilanciatore un vero maestro del suo mestiere. Dopo tutto, la qualità del bilanciamento non solo determina l'efficienza e l'affidabilità del funzionamento dell'attrezzatura, ma garantisce anche la sicurezza delle persone.
IT 
EN 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
EL 
HU 
ID 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UK 
HI 
VI
0 Commenti