Bilanciamento del rotore — Procedure, Tipi e standard
La guida completa all'equilibratura di macchinari rotanti: statica vs. dinamica (a piano singolo e a due piani), metodo del coefficiente di influenza, tolleranze ISO 21940, equilibratura sul campo e tecniche di correzione.
Questa guida riflette la metodologia di bilanciamento in campo utilizzata da Vibromera, i cui strumenti Balanset a due piani implementano il metodo dei coefficienti di influenza descritto di seguito.
Per una visione orientata alla decisione d'acquisto sullo stesso argomento, vedi come scegliere un'equilibratrice portatile.
Bilanciamento statico vs. dinamico
I due tipi fondamentali di bilanciamento, determinati dalla geometria del rotore e dal tipo di squilibrio presente
| Criterio | Piano singolo | Due piani |
|---|---|---|
| Tipo di squilibrio corretto | Solo statico | Statico + coppia (dinamica) |
| Geometria del rotore | L/D < 0,5 (a forma di disco) | L/D > 0,5 (allungato) |
| Numero di misurazioni | 2 (iniziale + prova) | 3–4 (iniziale + 2 prove, o cross-coupling) |
| Sensori richiesti | 1 accelerometro + tachimetro | 2 accelerometri + tachimetro |
| Modello di vibrazione del cuscinetto | In fase a 1× | La fase varia (non in fase, non di 180°) |
| Rotori tipici | Giranti per ventilatori, pulegge, mole abrasive | Motori, pompe, rulli, turbine, alberi |
| Raccomandazione del piano ISO | Rotori stretti secondo ISO 1940-1 §4.3 | Standard per tutti i rotori allungati |
| Modalità Balanset-1A | F2 | F3 |
La procedura di bilanciamento
Metodo del coefficiente di influenza (peso di prova) — l'approccio standard per il bilanciamento sul campo e in officina
Perché bilanciare? — I vantaggi
Lo squilibrio è la principale fonte di vibrazioni nelle macchine rotanti. La correzione produce risultati misurabili.
Che cos'è il bilanciamento del rotore?
Bilanciamento del rotore è il processo di miglioramento della distribuzione della massa di un corpo rotante in modo che il suo centro di massa coincida con l'asse geometrico di rotazione. Ciò riduce al minimo le forze centrifughe, riducendo le vibrazioni, cuscinetto carichi, rumore e consumo energetico. La correzione viene effettuata aggiungendo o rimuovendo peso in punti e angoli specifici, sulla base di misurazioni delle vibrazioni e analisi di fase. Il criterio di accettazione è definito da Norma ISO 1940-1 (ISO 21940-11) gradi G. I due tipi sono statico (monopiano) per rotori a disco e dinamico (a due piani) per rotori allungati.
Squilibrio è la fonte più comune di vibrazioni nelle macchine rotanti. Quando la distribuzione della massa è imperfetta – a causa di tolleranze di fabbricazione, disomogeneità del materiale, corrosione, accumulo di depositi o danni – si generano forze centrifughe che aumentano con il quadrato della velocità. Un piccolo squilibrio a bassa velocità può diventare distruttivo ad alta velocità.
Il bilanciamento affronta questo problema misurando iterativamente la risposta alle vibrazioni e regolando la distribuzione della massa fino al residuo squilibrio rientra nella tolleranza. Si tratta sia di un processo di fabbricazione (su macchine equilibratrici da officina) sia di un processo di manutenzione (equilibratura sul campo su apparecchiature installate).
Il metodo del coefficiente di influenza
L'equilibratura moderna, sia su macchine dedicate che sul campo, utilizza l' metodo del coefficiente di influenza (peso di prova). Il principio fisico: se sappiamo come una massa nota in una posizione nota modifica la vibrazione, possiamo calcolare la massa e la posizione necessarie per annullare lo squilibrio originale.
Per il bilanciamento a due piani, il sistema diventa una matrice 2×2 (quattro coefficienti di influenza che tengono conto dell'accoppiamento incrociato tra i piani), ma il principio è identico. Balanset-1A risolve automaticamente il problema: l'operatore deve solo azionare la macchina e applicare i pesi di prova.
Selezione del peso di prova
Il peso di prova dovrebbe produrre una variazione significativa delle vibrazioni (idealmente 10–30% rispetto al livello iniziale) senza creare carichi pericolosi. Una stima iniziale utile:
Quando bilanciare: la firma delle vibrazioni
Come fai a sapere che la vibrazione è causata da uno squilibrio piuttosto che disallineamento, gioco meccanico o difetti dei cuscinetti?
Frequenza: Picco dominante esattamente a 1× RPM (velocità di rotazione) nel FFT spettro.
Direzione: Principalmente radiale (orizzontale e verticale). La componente assiale è piccola.
Fase: Angolo di fase stabile e ripetibile a 1×. La fase non varia nel tempo.
Dipendenza dalla velocità: L'ampiezza aumenta con il quadrato della velocità (proporzionale a ω²).
Contrasto con disallineamento: Il disallineamento produce componenti 2× e/o assiali 1× significativi. I difetti dei cuscinetti producono frequenze non sincrone.
Prima di effettuare il bilanciamento, verificare sempre la diagnosi. Il Balanset-1A analizzatore di spettro (modalità F1) mostra l'intero FFT spettro, consentendo di confermare che 1× domina prima di procedere al bilanciamento.
Metodi di correzione
Aggiunta di massa
- Pesi a clip: Pesi a molla in zinco o acciaio. Comune per ventilatori e ruote. Rapido, non permanente.
- Pesi avvitabili: Pesi di precisione fissati con bulloni in fori filettati o cave a T. Standard per rotori e turbine di grandi dimensioni.
- Pesi saldati: Piastre o barre di acciaio saldate a punti al rotore. Permanente. Comune per ventilatori industriali pesanti e rotori di frantoi.
- Epossidico/stucco: Adesivo bicomponente con riempitivo metallico. Adatto a superfici irregolari. Limitato a temperature moderate.
- Viti di fermo: Filettati in fori radiali. Comune su mozzi e perni di accoppiamento. Regolabili.
Rimozione di massa
- Perforazione: Rimuovere il materiale dal punto pesante. Controllo preciso della massa rimossa (massa = densità × volume). Irreversibile.
- Fresatura/rettifica: Rimuovere il materiale dal cerchio o dalla superficie. Comune su turbine e rotori dei freni.
Divisione del peso
Quando l'angolo calcolato esatto cade tra posizioni accessibili (ad esempio, tra i fori dei bulloni su un giunto), la correzione viene divisa tra le due posizioni adiacenti utilizzando la decomposizione vettoriale. Balanset-1A include un calcolatore automatico della suddivisione del peso.
Bilanciamento sul campo (in situ)
Il bilanciamento sul campo significa bilanciare un rotore senza rimuoverlo dalla macchina. In questo modo si eliminano i tempi di fermo dovuti allo smontaggio e si tiene conto delle effettive condizioni operative (allineamento, precarico dei cuscinetti, effetti delle fondamenta) che l'equilibratura in officina non è in grado di replicare.
Balanset-1A è un sistema completo di bilanciamento portatile sul campo: analizzatore di vibrazioni a 2 canali, tachimetro laser, integrato ISO 1940 Calcolatore di tolleranza, modalità di bilanciamento a piano singolo (F2) e a due piani (F3), suddivisione automatica del peso e generazione di report di bilanciamento formale (F6). Precisione di misura: velocità ±5%, fase ±1°. Adatto per G 16 fino a G 2,5.
Balanset-4 si estende a 4 canali per rotori multi-cuscinetto complessi o per il monitoraggio simultaneo di più macchine.
Vantaggi del bilanciamento sul campo
- Nessun smontaggio: Consente di risparmiare ore o giorni di fermo macchina per macchine di grandi dimensioni.
- Condizioni operative reali: Include allineamento, precarico dei cuscinetti, stato termico, effetti delle fondamenta.
- Bilanciamento di rifinitura: Corregge lo squilibrio introdotto dall'assemblaggio che il bilanciamento in officina non riesce a risolvere.
- Verifica post-manutenzione: Controllo rapido dopo la sostituzione della girante, la sostituzione del giunto o la revisione dei cuscinetti.
Standard e tolleranze
Il bilanciamento non è "il migliore possibile", ma "entro i limiti di tolleranza". La tolleranza è definita da standard internazionali:
| Standard | Oggetto | Contenuto chiave |
|---|---|---|
| ISO 1940-1 / ISO 21940-11 | Gradi di qualità dell'equilibratura (gradi G) | Scala G 0,4–G 4000. Formula: Uper = (9 549×G×M)/n. G 6.3 = standard per ventilatori, pompe, motori. |
| ISO 1940-2 / ISO 21940-2 | Vocabolario | Definizioni: tipi di squilibrio, classificazioni dei rotori, tipi di macchine, termini di qualità. |
| Norma ISO 14694 | Ventilatori industriali | Categorie di applicazione BV dei ventilatori, gradi di equilibratura e guida ai limiti di vibrazione specifici per i ventilatori industriali. |
| ISO 10816 / ISO 20816 | Valutazione delle vibrazioni della macchina | Misura il risultato della qualità dell'equilibrio. Classificazione zona A/B/C/D. |
| ISO 21940-12 | Rotori flessibili | Procedure multivelocità e multipiano per rotori al di sopra della prima velocità critica di flessione. |
| ISO 21940-14 | Procedure di bilanciamento | Procedure generali per l'equilibratura su più piani. |
| API 610 / API 617 | Pompe/compressori per petrolio | Per i requisiti di bilanciamento del rotore, fare riferimento ai gradi G della norma ISO 1940. |
Esempi svolti
Macchina: Ventilatore centrifugo da 22 kW, 1.460 giri/min, massa della girante 38 kg. Vibrazioni eccessive: 8,2 mm/s RMS sul cuscinetto lato azionamento. La FFT conferma un picco dominante 1× con fase stabile.
Impostazione: Balanset-1A sensore sul cuscinetto DE, tachimetro laser sull'albero. Modalità F2 (piano singolo — L/D < 0,4).
Fase 1: Avvio iniziale: 8,2 mm/s a 47°.
Fase 2: Peso di prova: 15 g a 0° sul mozzo della ventola, R = 200 mm.
Fase 3: Avvio di prova: 5,9 mm/s a 112°.
Fase 4: Il software calcola: correzione = 22 g a 198°, R = 200 mm.
Fase 5: Installare il peso saldato da 22 g a 198°. Rimuovere il peso di prova.
Fase 6: Verifica: 0,9 mm/s. Tolleranza ISO G 6.3 → Uper = 1 570 g·mm. Ottenuto: ~180 g·mm. ✅ Superato.
Macchina: Motore da 45 kW + pompa centrifuga, 2.950 giri/min, massa del rotore 55 kg. Vibrazioni: cuscinetto DE 6,1 mm/s, cuscinetto NDE 4,8 mm/s. Sfasamento ~140° → squilibrio dinamico.
Impostazione: Balanset-1A due sensori (DE + NDE), modalità F3. Piani di correzione: mozzo di accoppiamento (piano 1) ed estremità ventola motore (piano 2).
Esecuzioni: Iniziale → piano di prova 1 (10 g a 0°) → piano di prova 2 (8 g a 0°).
Risultato: Il software risolve la matrice 2×2. Correzione: piano 1 = 18 g a 245°, piano 2 = 12 g a 68°.
Verifica: DE: 0,7 mm/s, NDE: 0,5 mm/s. Limite G 6.3: 1 122 g·mm. ✅ Entrambi i piani sono ampiamente entro la tolleranza.
Macchina: Frantoio a martelli, 980 giri/min, massa del rotore 420 kg. Dopo la sostituzione dei martelli, le vibrazioni sono aumentate a 14,5 mm/s.
Specifiche: G 16 (condizioni gravose e severe). Uper = 9 549 × 16 × 420 / 980 = 65 500 g-mm.
Procedura: Piano singolo (rotore a disco). Prova 150 g a 0° sul cerchio. Correzione: 280 g a 315°. Piastra in acciaio saldata.
Risultato: 2,8 mm/s. Residuo ~5 600 g·mm. ✅ Ben entro il limite G 16.
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- Norma ISO 1940-1: Sistema di tolleranza di grado G: il criterio di accettazione per i risultati di bilanciamento.
- ISO 1940-2: Vocabolario: definizioni di tutti i termini relativi al bilanciamento.
- Grado di qualità di bilanciamento: Calcolatrice interattiva di grado G.
- Squilibrio: La condizione fisica che il bilanciamento corregge.
- Norma ISO 14694: Categorie BV e limiti di vibrazione specifici per i ventilatori.
- Armoniche: Distinguere 1× (sbilanciamento) da 2× (disallineamento) e altri ordini.
- Frequenza naturale: Confine rigido/flessibile del rotore: fondamentale per l'approccio di bilanciamento.
Domande frequenti — Bilanciamento del rotore
Procedure, tipologie, diagnosi e standard
▸ Cos'è il bilanciamento del rotore?
▸ Bilanciamento statico o dinamico?
▸ Come funziona il metodo del peso di prova?
▸ Piano singolo o piano doppio?
▸ Quale standard ISO per le tolleranze?
▸ Posso effettuare l'equilibratura in loco (senza rimuovere il rotore)?
▸ Quali sono i metodi di correzione più comuni?
▸ Come faccio a sapere che si tratta di squilibrio e non di disallineamento?
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