Grado di qualità dell'equilibrio (G-Grade): Definizione, scopo e applicazione
Che cos'è il Balance Quality Grade (G-Grade)?
A Grado di qualità dell'equilibrio, Il grado G, comunemente chiamato “G”, è una classificazione standardizzata definita nelle norme ISO 1940-1 e ISO 21940-11 che specifica lo squilibrio residuo massimo ammissibile per un rotore. In altre parole, il grado G indica la precisione con cui un rotore deve essere bilanciato. Non misura direttamente i livelli di vibrazione, ma definisce piuttosto una tolleranza di squilibrio basata sulla massa del rotore e sulla sua velocità massima di funzionamento.
Il numero che segue la lettera G (ad esempio, G6.3, G2.5) corrisponde alla velocità massima di vibrazione del centro di massa del rotore, espressa in millimetri al secondo (mm/s). Ad esempio, il grado G6.3 significa che il centro di massa del rotore non deve subire vibrazioni superiori a 6,3 mm/s alla massima velocità operativa, mentre il grado più severo G2.5 limita questa velocità a 2,5 mm/s. Più basso è il numero G, più severi sono i requisiti di bilanciamento: minore tolleranza di sbilanciamento e maggiore precisione di bilanciamento.
Lo scopo del sistema G-Grade
Il sistema G-grade è stato sviluppato per stabilire uno standard universale che definisca il grado di bilanciamento di un rotore. Invece di affermazioni vaghe come “il rotore deve essere ben bilanciato”, i tecnici possono specificare un obiettivo preciso e verificabile come “bilanciamento a G6.3”. Questo standard fornisce un linguaggio comune per i produttori, i tecnici dell'assistenza e i clienti, garantendo che le apparecchiature soddisfino gli standard di affidabilità e sicurezza richiesti. Gli obiettivi principali del sistema G-grade sono:
Limitare le vibrazioni da sbilanciamento a livelli accettabili. Lo squilibrio provoca forze centrifughe e vibrazioni che possono causare rumori, rotture per fatica e incidenti. Applicando gradi di bilanciamento standard, queste vibrazioni possono essere controllate entro limiti di sicurezza.
Ridurre al minimo i carichi dinamici sui cuscinetti e prolungarne la durata. Le vibrazioni continue agiscono sui cuscinetti come un martello, accelerandone l'usura. Limitando lo squilibrio attraverso il grado G richiesto, si riducono le forze che agiscono sui cuscinetti, prolungandone la durata.
Garantire il funzionamento sicuro del rotore alla massima velocità di progetto. Più alta è la velocità di rotazione, più forte è l'effetto anche di un piccolo squilibrio. Un grado di bilanciamento rigoroso garantisce che il rotore non subisca vibrazioni distruttive alla sua velocità di funzionamento. Questo è particolarmente importante per le macchine ad alta velocità (turbine, compressori, ecc.), dove uno sbilanciamento eccessivo può portare a guasti.
Fornire un criterio di accettazione chiaro e misurabile. La presenza di uno standard di grado G consente di verificare, durante la produzione e la riparazione, se è stato raggiunto il livello di bilanciamento richiesto. Se lo squilibrio residuo dopo l'equilibratura non supera il valore consentito per il determinato grado G, si considera che il rotore abbia superato l'ispezione. Questo approccio trasforma l'equilibratura da un'arte a una scienza precisa con criteri verificabili.
Come vengono determinati i gradi di qualità dell'equilibrio?
Le norme ISO contengono raccomandazioni per la selezione dei gradi G per centinaia di rotori e macchine tipiche. Le tabelle standard (ad esempio, ISO 1940-1, ora sostituita da ISO 21940-11) elencano i gradi G raccomandati per varie categorie di apparecchiature. La scelta di un grado specifico dipende da diversi fattori:
Tipo e scopo della macchina. Una turbina ad alta velocità o un mandrino di precisione richiedono un bilanciamento molto più preciso (G inferiore) rispetto a un meccanismo agricolo a bassa velocità. I progettisti tengono conto della sensibilità alle vibrazioni di un determinato tipo di macchina e delle conseguenze che può avere uno sbilanciamento.
Massa e dimensioni del rotore. I rotori più leggeri sono generalmente più sensibili allo squilibrio e possono avere requisiti più severi. La massa del rotore entra direttamente nel calcolo dello squilibrio ammissibile: un rotore più pesante può “tollerare” uno squilibrio assoluto maggiore senza aumentare le vibrazioni rispetto a uno più leggero.
Velocità massima di rotazione. Questo è uno dei fattori chiave: maggiore è la velocità, più severo deve essere il bilanciamento. A parità di entità dello squilibrio, le forze aumentano proporzionalmente al quadrato della velocità di rotazione. Pertanto, per i rotori ad alta velocità si sceglie un grado G inferiore per compensare l'effetto della velocità.
Struttura di supporto e condizioni di montaggio. Un rotore montato su supporti flessibili (elastici) richiede in genere un bilanciamento più accurato rispetto a uno montato su una base rigida, poiché un sistema flessibile smorza le vibrazioni in modo meno efficace. Ad esempio, allo stesso albero a gomiti possono essere applicate classi diverse (G16 vs G40) a seconda che il motore sia montato su isolatori di vibrazioni elastici o rigidi.
Esempi di comuni gradi di qualità dell'equilibrio
| Grado G | Max. Velocità (mm/s) | Applicazioni tipiche |
|---|---|---|
| G 40 | 40 mm/s | Ruote e cerchioni per auto; alberi a gomito per motori a combustione interna a bassa velocità (low-RPM). |
| G 16 | 16 mm/s | Parti per frantoi e macchine agricole; alberi di trasmissione (alberi cardanici); grandi componenti di macchine di uso generale con requisiti moderati. |
| G 6.3 | 6,3 mm/s | Grado standard per la maggior parte delle apparecchiature industriali: rotori di motori elettrici, giranti di pompe, ventilatori, turbocompressori a bassa velocità, macchinari di processo in generale. G6.3 è uno dei gradi più comunemente specificati. |
| G 2.5 | 2,5 mm/s | Rotori ad alta velocità e alta precisione: turbine a gas e a vapore, rotori di turbocompressori, azionamenti di macchine utensili, mandrini di alta precisione e macchine elettriche ad alta velocità. |
| G 1.0 | 1,0 mm/s | Bilanciamento molto preciso per meccanismi di precisione: azionamenti di rettificatrici, piccoli motori elettrici ad alta velocità e turbocompressori automobilistici. |
| G 0.4 | 0,4 mm/s | Massima precisione di bilanciamento per dispositivi eccezionalmente sensibili e ad alta velocità: giroscopi, mandrini di precisione (ad esempio, per lavorazioni meccaniche di precisione o apparecchiature microelettroniche), hard disk e altri componenti che richiedono vibrazioni minime. |
Nota: Il valore della velocità in mm/s nella denominazione del grado corrisponde al prodotto dell'eccentricità specifica e della velocità angolare: G = eper-ω. Il numero G indica quindi la velocità limite del movimento del centro di massa spostato durante il funzionamento del rotore. In pratica, la selezione del grado può variare di un livello in più o in meno a seconda dei requisiti specifici e delle condizioni operative.
Calcolo dello squilibrio residuo ammissibile
Conoscendo il grado G richiesto, è possibile calcolare lo squilibrio residuo massimo consentito, ossia la quantità di squilibrio che può rimanere dopo l'equilibratura senza superare il grado specificato. La norma ISO prevede la seguente formula:
Tuper (g-mm) = (9549 × G [mm/s] × m [kg]) / n [RPM]
Dove:
- Tuper - squilibrio residuo ammissibile in grammi-millimetri (g-mm)
- G — grado di qualità dell'equilibrio (mm/s)
- m - massa del rotore (kg)
- n - velocità massima di funzionamento (RPM)
Esempio: Per un rotore con una massa di 100 kg, che ruota a una velocità massima di 3000 giri/minuto e che deve essere bilanciato secondo il grado G6.3, lo squilibrio residuo ammissibile è:
Tuper = (9549 × 6.3 × 100) / 3000 ≈ 2005 g-mm
Ciò significa che per questo rotore è consentito uno sbilanciamento totale di circa 2005 g-mm senza superare G6.3. In pratica, questo squilibrio residuo viene distribuito tra i piani di correzione. Per il bilanciamento a due piani (dinamico), il valore calcolato di Uper è suddiviso tra i piani in modo uguale o proporzionale alla configurazione del rotore. In questo modo, il tecnico di bilanciamento riceve un obiettivo numerico specifico da raggiungere.
Bilanciamento pratico e attrezzature
Per ottenere il grado di bilanciamento richiesto nella pratica, si utilizzano apparecchiature specializzate. In condizioni di produzione, si utilizzano in genere macchine di bilanciamento stazionarie, in cui il rotore viene fatto girare e corretto finché lo squilibrio residuo non rientra nella norma per il grado G selezionato.
Tuttavia, in condizioni di campo (ad esempio, quando si verificano vibrazioni in un ventilatore o in una pompa già installati), è possibile utilizzare strumenti di bilanciamento portatili. Un esempio è il Balanset-1A un vibrometro-bilanciatore portatile a due canali. Consente il bilanciamento dinamico su uno o due piani direttamente sull'apparecchiatura in-situ (in loco, senza rimuovere il rotore).
Fig. 1: Vibrometro-bilanciatore portatile Balanset-1A collegato a un computer portatile. Questo dispositivo compatto comprende un modulo di misura elettronico, due sensori di vibrazione e un tachimetro laser, con controllo e calcolo dello squilibrio eseguiti dal software del PC.
Fig. 1: Finestra di calcolo della tolleranza di bilanciamento nel software Balanset. Il programma include un calcolatore integrato che calcola automaticamente lo squilibrio residuo ammissibile secondo gli standard ISO 1940 in base alla massa del rotore, alla velocità di funzionamento e al grado G selezionato.
Il dispositivo si collega a un computer portatile, misura le vibrazioni e la fase di squilibrio utilizzando sensori e un tachimetro ottico, dopodiché il software calcola automaticamente i pesi di correzione necessari. Tra le caratteristiche di Balanset-1A c'è il calcolo automatico dello squilibrio ammissibile secondo la norma ISO 1940 (gradi G): il dispositivo stesso determina a quale livello devono essere ridotte le vibrazioni per ottenere, ad esempio, il grado G6,3 o G2,5.
I moderni strumenti di equilibratura, come il Balanset-1A, consentono di raggiungere il grado di equilibratura richiesto in modo più rapido e affidabile. Grazie alla terminologia standard dei gradi G e ai calcoli di tolleranza incorporati, ingegneri e tecnici conoscono esattamente i criteri per un'equilibratura di successo. La standardizzazione della qualità dell'equilibratura attraverso i gradi G ha permesso di creare un linguaggio comune per descrivere la “fluidità” di un determinato rotore e per raggiungere questo livello di affidabilità delle vibrazioni con metodi comprensibili e verificabili in tutto il mondo.
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