Comprensione del sistema rotore-cuscinetto
Definizione: Che cos'è un sistema rotore-cuscinetto?
A sistema rotore-cuscinetto è l'insieme meccanico integrato completo costituito da un rotore rotore (albero con componenti collegati), i cuscinetti di supporto che ne vincolano il movimento e sopportano i carichi, e la struttura di supporto fissa (alloggiamenti dei cuscinetti, piedistalli, telaio e fondazione) che collega i cuscinetti a terra. Questo sistema viene analizzato come un insieme integrato in dinamica del rotore perché il comportamento dinamico di ogni componente influenza tutti gli altri.
Piuttosto che analizzare il rotore in modo isolato, un'analisi dinamica del rotore corretta tratta il sistema rotore-cuscinetto come un sistema meccanico accoppiato in cui le proprietà del rotore (massa, rigidità, smorzamento), le caratteristiche dei cuscinetti (rigidità, smorzamento, giochi) e le proprietà della struttura di supporto (flessibilità, smorzamento) interagiscono tutte per determinare velocità critiche, vibrazione risposta e stabilità.
Componenti del sistema rotore-cuscinetto
1. Il gruppo rotore
I componenti rotanti includono:
- Lancia: Elemento rotante principale che fornisce rigidità
- Dischi e ruote: Giranti, ruote di turbine, giunti, pulegge che aggiungono massa e inerzia
- Massa distribuita: Rotori a tamburo o massa dell'albero stessa
- Giunti: Collegamento del rotore al driver o all'apparecchiatura condotta
Caratteristiche del rotore:
- Distribuzione di massa lungo l'asse
- Rigidità alla flessione dell'albero (funzione del diametro, lunghezza, materiale)
- Momenti di inerzia polari e diametrali (che influenzano gli effetti giroscopici)
- Smorzamento interno (tipicamente piccolo)
2. Cuscinetti
Gli elementi di interfaccia che supportano il rotore e consentono la rotazione:
Tipi di cuscinetti
- Cuscinetti volventi: Cuscinetti a sfere, cuscinetti a rulli
- Cuscinetti a film fluido: Cuscinetti portanti, cuscinetti a sfere basculanti, cuscinetti reggispinta
- Cuscinetti magnetici: Sospensione elettromagnetica attiva
Caratteristiche del cuscinetto
- Rigidità: Resistenza alla flessione sotto carico (N/m o lbf/in)
- Smorzamento: Dissipazione di energia nel cuscinetto (N·s/m)
- Massa: Componenti dei cuscinetti mobili (in genere di piccole dimensioni)
- Autorizzazioni: Gioco radiale e assiale che influenzano la rigidità e la non linearità
- Dipendenza dalla velocità: Le proprietà dei cuscinetti a film fluido cambiano significativamente con la velocità
3. Struttura di supporto
Gli elementi di fondazione fissi:
- Alloggiamenti dei cuscinetti: Struttura immediata circostante i cuscinetti
- Piedistalli: Supporti verticali che sollevano i cuscinetti
- Piastra di base/telaio: Struttura orizzontale che collega i piedistalli
- Fondazione: Struttura in cemento o acciaio che trasferisce i carichi al suolo
- Elementi di isolamento: Molle, cuscinetti o supporti se si utilizza l'isolamento dalle vibrazioni
La struttura di supporto contribuisce:
- Rigidità aggiuntiva (può essere paragonabile o inferiore alla rigidità del rotore)
- Smorzamento attraverso le proprietà dei materiali e i giunti
- Massa che influenza le frequenze naturali complessive del sistema
Perché l'analisi a livello di sistema è essenziale
Comportamento accoppiato
Ogni componente influenza gli altri:
- Deflessione del rotore crea forze sui cuscinetti
- Flessione del cuscinetto modifica le condizioni di supporto del rotore
- Flessibilità della struttura di supporto consente il movimento del cuscinetto, influenzando la rigidità apparente del cuscinetto
- Vibrazione delle fondamenta restituisce al rotore tramite cuscinetti
Frequenze naturali del sistema
Le frequenze naturali sono proprietà del sistema completo, non dei singoli componenti:
- Cuscinetti morbidi + rotore rigido = velocità critiche inferiori
- Cuscinetti rigidi + rotore flessibile = velocità critiche più elevate
- Le fondamenta flessibili possono ridurre le velocità critiche anche con cuscinetti rigidi
- Frequenza naturale del sistema ≠ sola frequenza naturale del rotore
Metodi di analisi
Modelli semplificati
Per un'analisi preliminare:
- Trave semplice appoggiata: Rotore come trave con supporti rigidi (trascura la flessibilità dei cuscinetti e delle fondamenta)
- Rotore Jeffcott: Massa concentrata su albero flessibile con supporti a molla (include la rigidità del cuscinetto)
- Metodo della matrice di trasferimento: Approccio classico per rotori multidisco
Modelli avanzati
Per un'analisi accurata dei macchinari reali:
- Analisi degli elementi finiti (FEA): Modello dettagliato del rotore con elementi a molla per cuscinetti
- Modelli di cuscinetti: Rigidità e smorzamento non lineari dei cuscinetti in funzione di velocità, carico e temperatura
- Flessibilità della fondazione: FEA o modello modale della struttura di supporto
- Analisi accoppiata: Sistema completo, inclusi tutti gli effetti interattivi
Parametri chiave del sistema
Contributi di rigidità
La rigidità totale del sistema è la combinazione in serie:
- 1/migliaiatotale = 1/krotore + 1/milacuscinetto + 1/milafondazione
- L'elemento più morbido domina la rigidità complessiva
- Caso comune: la flessibilità della fondazione riduce la rigidità del sistema al di sotto della sola rigidità del rotore
Contributi di smorzamento
- Smorzamento del cuscinetto: Di solito fonte dominante (in particolare cuscinetti a film fluido)
- Smorzamento delle fondamenta: Smorzamento strutturale e dei materiali nei supporti
- Smorzamento interno del rotore: Tipicamente molto piccolo, solitamente trascurato
- Smorzamento totale: Somma degli elementi di smorzamento paralleli
Implicazioni pratiche
Per la progettazione di macchine
- Non è possibile progettare il rotore separatamente dai cuscinetti e dalle fondamenta
- La selezione dei cuscinetti influisce sulle velocità critiche raggiungibili
- La rigidità della fondazione deve essere adeguata al supporto del rotore
- L'ottimizzazione del sistema richiede la considerazione simultanea di tutti gli elementi
Per l'equilibrio
- Coefficienti di influenza rappresentano la risposta completa del sistema
- Bilanciamento del campo tiene automaticamente conto delle caratteristiche del sistema installato
- L'equilibratura in officina su cuscinetti/supporti diversi potrebbe non trasferirsi perfettamente alle condizioni di installazione
- Le modifiche del sistema (usura dei cuscinetti, cedimento delle fondamenta) modificano la risposta dell'equilibrio
Per la risoluzione dei problemi
- I problemi di vibrazione possono avere origine nel rotore, nei cuscinetti o nelle fondamenta
- Bisogna considerare il sistema completo quando si diagnosticano i problemi
- I cambiamenti in un componente influenzano il comportamento complessivo
- Esempio: il deterioramento delle fondamenta può abbassare le velocità critiche
Configurazioni di sistema comuni
Configurazione semplice tra cuscinetti
- Rotore supportato da due cuscinetti alle estremità
- Configurazione industriale più comune
- Il sistema più semplice per l'analisi
- Standard bilanciamento a due piani approccio
Configurazione del rotore a sbalzo
- Il rotore si estende oltre il supporto del cuscinetto
- Carichi di cuscinetto più elevati dal braccio di momento
- Più sensibile allo squilibrio
- Comune nei ventilatori, nelle pompe, in alcuni motori
Sistemi multi-cuscinetto
- Tre o più cuscinetti che supportano un singolo rotore
- Distribuzione del carico più complessa
- L'allineamento tra i cuscinetti è critico
- Comune nelle grandi turbine, generatori, rulli delle macchine per la carta
Sistemi multi-rotore accoppiati
- Più rotori collegati tramite giunti (gruppi motore-pompa, gruppi turbina-generatore)
- Ogni rotore ha i propri cuscinetti ma i sistemi sono accoppiati dinamicamente
- Configurazione più complessa per l'analisi
- Disallineamento all'accoppiamento si creano forze di interazione
Comprendere le macchine rotanti come sistemi integrati rotore-cuscinetto, piuttosto che come componenti isolati, è fondamentale per una progettazione, un'analisi e una risoluzione dei problemi efficaci. La prospettiva a livello di sistema spiega molti fenomeni vibrazionali e guida le azioni correttive appropriate per un funzionamento affidabile ed efficiente.
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