Comprensione della risonanza di frame
Definizione: Che cos'è la risonanza di frame?
Risonanza di frame è un tipo specifico di risonanza strutturale dove il telaio strutturale, l'alloggiamento, l'involucro o la custodia della macchina vibrano in uno dei suoi frequenze naturali in risposta all'eccitazione dei componenti rotanti. A differenza delle risonanze di fondazione o di basamento che coinvolgono la struttura di supporto, la risonanza del telaio coinvolge il corpo stesso della macchina, ovvero la struttura in ghisa o in acciaio prefabbricato che racchiude gli elementi rotanti.
La risonanza del telaio è comune nei macchinari con alloggiamenti grandi e relativamente leggeri, come ventole, soffianti, pompe e motori. Si manifesta tipicamente con rumore eccessivo, vibrazioni visibili di coperture o pannelli e alta vibrazione letture sul telaio sproporzionate rispetto alle vibrazioni effettive del rotore.
Situazioni comuni di risonanza del frame
Telai per motori e generatori
- Frequenze naturali: Tipicamente 50-400 Hz a seconda delle dimensioni e della costruzione
- Eccitazione: 1× (sbilanciamento), 2× frequenza di linea (120 Hz per motori a 60 Hz), forze elettromagnetiche
- Sintomi: Vibrazione del telaio molto più elevata di quella del cuscinetto; ronzio o brusio udibile
- Gravità: Può esserci una vibrazione 5-10 volte più alta sul telaio rispetto ai cuscinetti
Alloggiamenti per ventole e soffianti
- Frequenze naturali: 20-200 Hz per i tipici ventilatori industriali
- Eccitazione: Frequenza di passaggio delle lame (numero di lame × giri/min)
- Sintomi: Pannelli dell'alloggiamento che vibrano violentemente; forte rumore aerodinamico
- Caratteristica: Può verificarsi solo a velocità o condizioni di flusso specifiche
Corpi pompa
- Frequenze naturali: 30-300 Hz a seconda del design dell'involucro
- Eccitazione: Frequenza di passaggio delle palette, pulsazioni idrauliche
- Sintomi: Vibrazioni dell'involucro, rumore, potenziale di cricche da fatica
- Giunto idraulico: L'involucro riempito di fluido può accoppiare le vibrazioni del rotore e dell'involucro
Alloggiamenti del cambio
- Eccitazione della frequenza di accoppiamento degli ingranaggi
- Le frequenze naturali del frame spesso si sovrappongono alle frequenze della mesh
- Caratteristico rumore forte dell'ingranaggio quando è in risonanza
Firma e rilevamento delle vibrazioni
Sintomi caratteristici
- Dipendente dalla posizione: Le vibrazioni variano notevolmente sulla superficie del telaio (differenze comuni pari a 10×)
- Cuscinetto vs. Telaio: Vibrazione del telaio >> vibrazione del cuscinetto (può essere 3-10×)
- Frequenza specifica: Solo alla frequenza di risonanza; altre frequenze normali
- Sensibile alla velocità: Grave in un intervallo di velocità ristretto (±10-20% della velocità di risonanza)
- Movimento visivo: Movimento del fotogramma spesso visibile a occhio nudo
Test diagnostici
Prova d'impatto (urto)
- Battere il telaio con un martello di gomma o un martello strumentato
- Misurare la risposta con accelerometro
- Identificare le frequenze naturali del frame dai picchi nella risposta in frequenza
- Confronta con le frequenze operative (1×, 2×, passaggio della lama, ecc.)
Rilievo con accelerometro mobile
- Misurare le vibrazioni in molti punti del telaio durante il funzionamento
- Crea una mappa delle vibrazioni che mostri le aree alte e basse
- Il modello rivela la forma modale (piegatura, torsione, flessione del pannello)
- Identifica gli antinodi (movimento massimo) e i nodi (movimento minimo)
Misurazione della funzione di trasferimento
- Misurare la coerenza tra la vibrazione del cuscinetto (input) e la vibrazione del telaio (output)
- L'elevata coerenza a una frequenza specifica conferma la risonanza
- La funzione di trasferimento mostra il fattore di amplificazione
Soluzioni e mitigazione
Modifiche di irrigidimento
Aggiungere nervature o rinforzi strutturali
- Aumentare la rigidità alla flessione del telaio
- Aumenta le frequenze naturali al di sopra dell'intervallo di eccitazione
- Relativamente economico ed efficace
- Può essere adattato alle apparecchiature esistenti
Aumentare lo spessore del materiale
- Addensare le pareti o i pannelli del telaio
- Aumenta significativamente la rigidità e la frequenza
- Potrebbe richiedere modifiche al design e nuove fusioni/fabbricazioni
Tiranti e rinforzi strutturali
- Collegare i lati opposti del telaio per evitare flessioni
- Il rinforzo trasversale aumenta la rigidità torsionale
- Può essere aggiunto esternamente senza modifiche interne
Aggiunta di massa
- Frequenza naturale inferiore: Aggiungere massa per ridurre la frequenza al di sotto dell'intervallo di eccitazione
- Posizionamento strategico: Aggiungere massa nelle posizioni degli antinodi per ottenere il massimo effetto
- Massa accordata: Aggiunta di massa calcolata con cura per cambiare modalità specifica
- Scambio: Peso aumentato, potrebbe non essere desiderabile per tutte le applicazioni
Trattamenti di smorzamento
Smorzamento degli strati vincolati
- Materiale viscoelastico inserito tra strati metallici
- Applicato su grandi superfici piane (pannelli, coperture)
- Riduce l'ampiezza del picco di risonanza di 50-80%
- Efficace nell'intervallo 20-500 Hz
Smorzamento dello strato libero
- Materiale smorzante legato direttamente alla superficie vibrante
- Più semplice del livello vincolato ma meno efficace
- Adatto per applicazioni con accessibilità limitata
Cambiamenti operativi
- Cambio di velocità: Operare a velocità in cui non si verifica risonanza
- Ridurre la forzatura: Migliorare l'equilibrio e l'allineamento per ridurre l'ampiezza dell'eccitazione
- Modifiche al processo: Modificare il flusso, la pressione o il carico per spostare le frequenze di eccitazione
Prevenzione nella progettazione
Principi di progettazione
- Rigidità adeguata: Progettare un telaio con frequenze naturali > 2 volte la frequenza di eccitazione più alta
- Distribuzione di massa: Evitare masse concentrate che creano modi a bassa frequenza
- Nervature e rinforzi: Incorporare le caratteristiche di irrigidimento fin dall'inizio
- Analisi modale: Analisi degli elementi finiti (FEA) durante la progettazione per prevedere e ottimizzare le frequenze naturali
Verifica del progetto
- Test del prototipo con analisi di impatto
- Misurazione della forma di deflessione operativa sulle prime unità
- Modificare il progetto prima della produzione se vengono rilevate risonanze
Esempio di caso
Situazione: Motore da 75 CV che aziona una ventola centrifuga, rumore e vibrazioni eccessivi
- Sintomi: Vibrazione del telaio del motore 12 mm/s; vibrazione del cuscinetto solo 2,5 mm/s
- Frequenza: 120 Hz (frequenza di linea 2× per motore a 60 Hz)
- Prova d'impatto: Frequenza naturale del frame rivelata a 118 Hz
- Causa ultima: Telaio risonante alla frequenza di forzatura elettromagnetica
- Soluzione: Aggiunti quattro rinforzi in ferro angolare che collegano i piedini del motore alle campane terminali
- Risultato: La frequenza naturale del frame è stata spostata a 165 Hz, la vibrazione è scesa a 3,2 mm/s
- Costo: $200 nei materiali contro $8.000 per la sostituzione del motore
La risonanza del telaio è un problema di vibrazione comune, ma spesso diagnosticato erroneamente. Riconoscere i sintomi caratteristici (elevata vibrazione del telaio rispetto a quella del cuscinetto, specifica per frequenza, dipendente dalla posizione) e applicare tecniche diagnostiche appropriate (test di impatto, analisi ODS) consente di adottare soluzioni mirate in grado di ridurre drasticamente le vibrazioni a costi contenuti.
Categorie: GlossarioDiagnostica delle vibrazioni
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