Analisi torsionale: introduzione e guida
Analisi torsionale è la misurazione, la valutazione e la modellizzazione di vibrazione torsionale — oscillazioni torsionali attorno all'asse dell'albero — nelle trasmissioni delle macchine rotanti. A differenza di vibrazione laterale (piegatura), che viene letto direttamente dallo standard accelerometri fissato a un alloggiamento del cuscinetto, il movimento torsionale non produce alcuno spostamento laterale ed è quindi impercettibile a un occhio comune analisi delle vibrazioni. Per rilevarlo occorrono tecniche specializzate: estensimetri, tachimetri doppi o laser vibrometry — insieme a un'analisi volta a determinare le frequenze naturali di torsione e a valutare fatica rischi relativi ad alberi, giunti e ingranaggi.
Questa disciplina è fondamentale per i sistemi di trasmissione con motori alternativi, alberi di trasmissione lunghi, riduttori ad alta potenza e sistemi motorizzati con azionamenti a frequenza variabile (VFD), dove le vibrazioni torsionali possono causare guasti improvvisi e catastrofici all'albero o al giunto, anche in presenza di sollecitazioni laterali intensità delle vibrazioni sembra perfettamente accettabile. Si tratta di una funzionalità specialistica ma essenziale per prevenire quel tipo di guasti imprevisti che il monitoraggio ordinario non riesce mai a individuare.
1. Perché è necessaria l'analisi torsionale
Vibrazioni torsionali e vibrazioni laterali
I due movimenti sono meccanicamente indipendenti, e proprio questa indipendenza è la ragione per cui esiste una disciplina a sé stante:
- Laterale: flessione e movimento laterale dell'albero e dei cuscinetti — facilmente rilevabili con un accelerometro standard o sonda di prossimità.
- Torsionale: ruotando attorno all'asse di rotazione, senza alcun spostamento laterale rilevabile, rendendolo invisibile ai sensori montati in modo convenzionale.
- Indipendenza: una macchina può essere soggetta a forti vibrazioni torsionali pur presentando bassi livelli di vibrazioni laterali, e viceversa: le due cose non sono correlate.
- Danni: Le vibrazioni torsionali possono causare la rottura di alberi e giunti senza alcun preavviso rilevabile dalle misurazioni laterali, ed è proprio questo che le rende così pericolose.
Modalità di guasto caratteristiche
Poiché l'eccitazione torsionale sottopone la trasmissione a sollecitazioni di taglio cicliche, i suoi guasti presentano una firma distintiva:
- Fratture da fatica dell'albero: in genere una frattura netta orientata a circa 45° rispetto all'asse del fusto, il piano di massimo sforzo di taglio.
- Guasto dell'elemento di accoppiamento: denti dei dentati scheggiati nei giunti a ingranaggi, oppure elementi flessibili lacerati nei giunti elastomerici e a dischi.
- Rottura dei denti degli ingranaggi: soggetto a carichi sui denti oscillanti e alternati piuttosto che a una coppia costante.
- Danni alla chiave e alla sede della chiave: l'attrito e l'allentamento causati dal movimento alternato del giunto, sottoposto a torsioni successive.
2. Tecniche di misurazione
Poiché non esiste una superficie adatta su cui puntare un sensore, sono stati messi a punto quattro metodi pratici, che pongono in equilibrio precisione, costo e gamma di frequenze.
Metodo degli estensimetri
Il metodo più diretto: misurare la sollecitazione torsionale alla fonte:
- Gli estensimetri sono incollati con un angolo di 45° rispetto all'asse dell'albero, l'orientamento che consente di rilevare la massima sollecitazione di taglio.
- Misurano la deformazione di taglio generata dalla torsione, che si traduce direttamente in coppia e sollecitazione alternata.
- Un albero rotante richiede l'uso di anelli di contatto o di una connessione wireless telemetria per captare il segnale dall'elemento rotante.
- È il metodo più accurato, ma anche il più complesso e costoso, per cui viene utilizzato principalmente nell'ambito della ricerca e dello sviluppo.
Metodo del doppio tachimetro
- Due sensori ottici — in genere due tachimetri laser — sono rivolti verso diverse posizioni assiali sull'albero.
- Lo strumento misura il valore istantaneo fase differenza tra le due stazioni.
- Tale differenza di fase corrisponde alla torsione angolare dell'albero tra i due, che è la vibrazione torsionale stessa.
- È un metodo senza contatto e davvero pratico sul campo, ma solitamente limitato alle componenti torsionali a bassa frequenza, al di sotto dei 100 Hz circa.
Vibrometro torsionale a laser
- Un sistema laser Doppler specializzato puntato sulla superficie dell'albero.
- Misura direttamente le fluttuazioni della velocità angolare, senza alcuna preparazione dell'albero.
- Senza contatto, con un ampio intervallo di frequenze utilizzabili.
- Strumentazione potente ma costosa, riservata ad analisi complesse.
Analisi della corrente del motore
- Le vibrazioni torsionali di un treno azionato da motore modulano il carico e generano quindi piccole fluttuazioni nella corrente del motore.
- Analisi della corrente del motore spettro mette in luce tali fluttuazioni in modo indiretto.
- È completamente non invasivo: nessun sensore viene a contatto con l'asta.
- È preferibile considerarlo uno strumento di screening che segnala un problema che vale la pena confermare con un metodo diretto.
3. Analisi torsionale
La misurazione indica cosa sta facendo una macchina in quel momento; la modellazione, invece, indica cosa farà lungo l'intero intervallo di velocità e consente agli ingegneri di risolvere il problema prima ancora che il metallo venga tagliato.
Modellizzazione matematica
- Il sistema di trasmissione viene ridotto a un modello torsionale a masse concentrate: dischi di inerzia collegati da molle torsionali (le sezioni dell'albero e i giunti).
- Da ciò si calcolano le frequenze naturali di torsione.
- Il modello prevede la risposta a ciascuna sorgente di eccitazione e identifica la torsione velocità critiche e risonanze.
Fonti di eccitazione
Le risonanze torsionali diventano pericolose solo quando qualcosa le eccita alla giusta frequenza. I fattori che solitamente ne sono responsabili sono:
- Motori alternativi: Gli impulsi di accensione provenienti da ciascun cilindro generano una forte eccitazione torsionale a livello del motore.
- Maglia degli ingranaggi: L'ingranamento dei denti genera una coppia oscillante in corrispondenza del frequenza di ingranamento.
- VFD: La commutazione PWM genera armoniche che possono coincidere con una modalità torsionale.
- Elettrico: motore pole-passing e frequenze di scorrimento applicare un'ulteriore forza di torsione.
Il diagramma di Campbell per la torsione
Lo strumento grafico standard per mettere in relazione le frequenze con la velocità è il diagramma di Campbell:
- Le frequenze naturali di torsione sono riportate in funzione della velocità di corsa.
- Le linee di ordine di eccitazione (1×, 2×, ordine di accensione, ordine di maglia) sono sovrapposte.
- Quando una linea di comando attraversa una frequenza naturale, si verifica una velocità critica di torsione, ovvero un punto di interferenza da evitare.
- L'immagine guida quindi la scelta delle velocità operative e delle eventuali bande soggette a restrizioni. È possibile tracciare la stessa mappa delle interferenze per una determinata linea di trasmissione con il Calcolatrice del diagramma di Campbell.
4. Applicazioni critiche
L'analisi torsionale non è necessaria in tutti i casi, ma in alcune famiglie di macchine è di fatto obbligatoria.
- Trasmissioni per motori alternativi: gruppi elettrogeni diesel, compressori a gas e propulsione navale, dove le forti pulsazioni di coppia rendono l'analisi indispensabile.
- Alberi di trasmissione lunghi: trasmissioni per laminatoi, alberi di trasmissione per imbarcazioni e trasmissioni per macchine per la produzione della carta, dove la lunghezza stessa riduce la rigidità torsionale e fa scendere le frequenze naturali all'interno del campo operativo.
- Riduttori ad alta potenza: riduttori per turbine eoliche e riduttori industriali con potenza superiore a circa 1.000 CV, nei quali l'eccitazione dovuta all'ingranamento degli ingranaggi può provocare l'insorgenza di una modalità torsionale.
- Sistemi di azionamento a frequenza variabile (VFD): una preoccupazione sempre più diffusa con la diffusione dei convertitori di frequenza, poiché le armoniche PWM possono eccitare risonanze torsionali che un motore a velocità fissa non provocherebbe mai.
5. Interpretazione dei risultati
Uno studio di torsione produce tre risultati che, nel loro insieme, determinano se una trasmissione è sicura per il funzionamento.
Frequenze naturali torsionali
- Determinato tramite misurazione, calcolo o entrambi.
- Confrontato con tutte le frequenze di eccitazione attendibili.
- È stata verificata l'adeguata separazione, ovvero un margine sufficiente tra la frequenza modale e quella di eccitazione nell'intero campo operativo.
Livelli di stress
- La sollecitazione di taglio alternata viene calcolata a partire dall'ampiezza di torsione misurata.
- Viene confrontato con il limite di resistenza (a fatica) del materiale.
- Si stima la percentuale di vita a fatica consumata ogni ora o ad ogni avvio.
- Il verdetto è il seguente: le sollecitazioni sono accettabili per la durata di vita prevista?
Smorzamento
- Misurato in base all'intensità della risposta a ciascuna risonanza torsionale.
- Torsionale smorzamento è in genere molto basso — spesso inferiore all'1% del valore critico.
- Un basso smorzamento comporta picchi di risonanza alti e stretti e un'amplificazione elevata se un ordine di eccitazione coincide con una modalità.
6. Strategie di mitigazione
Quando l'analisi rileva un problema, si possono utilizzare tre strumenti, che di solito vengono applicati in questo ordine di preferenza.
Separazione di frequenza
- Spostare le frequenze naturali di torsione lontano da ogni frequenza di eccitazione.
- Regolare il diametro o la lunghezza dell'albero oppure sostituire il giunto torsionale rigidità, per risintonizzare le modalità.
- Modificare le inerzie — ad esempio aggiungendo un volano — per modificare le frequenze naturali.
Adding Damping
- Installare uno smorzatore torsionale (di tipo viscoso o a frizione) per dissipare l'energia generata dalla risonanza.
- Prevedere giunti flessibili ad alto smorzamento al posto di quelli rigidi.
- Entrambe riducono l'amplificazione in risonanza anche quando non è possibile ottenere una separazione perfetta.
Modifiche alla velocità di funzionamento
- Evitare il funzionamento continuo alle velocità critiche di torsione individuate.
- Definire e applicare i limiti di velocità nei tratti che la macchina percorre rapidamente.
- Su un convertitore di frequenza, regolare il convertitore in modo da ridurre al minimo l'eccitazione alle armoniche problematiche.
7. Analisi torsionale nell'ambito di un programma sul campo
Il lavoro sulla torsione è specialistico, ma non è un'attività a sé stante: va di pari passo con i controlli di routine relativi all'equilibratura e alle vibrazioni laterali che garantiscono il corretto funzionamento della trasmissione, e un andamento laterale regolare costituisce il punto di riferimento rispetto al quale si evidenzia un'anomalia torsionale. Nella pratica quotidiana sul campo, un tecnico verifica innanzitutto che il rotore sia ben equilibrato e che 1× sbilanciare è sotto controllo, poiché lo squilibrio residuo e disallineamento aggiungono la propria variazione di coppia alla linea. Uno strumento portatile a due canali come il Bilanciamento-1a si occupa di quella parte laterale in loco — misurando l'ampiezza e la fase, bilanciando il rotore nei propri cuscinetti e verificando squilibrio residuo — in modo che l'eventuale energia di torsione residua possa essere attribuita con certezza alle vere fonti di torsione, anziché a una faglia laterale che ne assume le sembianze. Una volta bilanciato e allineato il rotore, una misurazione specifica della torsione (tramite doppio tachimetro o estensimetro) consente quindi di isolare il reale comportamento torsionale.
In sintesi, l'analisi torsionale è una disciplina specialistica nel campo delle vibrazioni che si occupa delle oscillazioni torsionali, le quali possono causare guasti catastrofici non rilevabili tramite i normali sistemi di monitoraggio laterale. Sebbene richieda tecniche di misurazione e modellizzazione specifiche, essa è indispensabile per i sistemi di trasmissione dei motori alternativi, gli alberi lunghi, i riduttori ad alta potenza e i sistemi VFD, dove le vibrazioni torsionali comportano rischi concreti per l'affidabilità e la sicurezza.
