Comprensione dello squilibrio nelle macchine rotanti
Sbilanciare (usato in modo intercambiabile con squilibrio) è la condizione in cui rotore in cui il centro di massa non giace sull'asse di rotazione. Tale spostamento — il eccentricità — significa che la massa è distribuita in modo non uniforme attorno all'albero. Quando il rotore gira, la massa decentrata viene proiettata verso l'esterno da forza centrifuga, generando un carico rotante che fa vibrare i cuscinetti e l'intera macchina. Lo squilibrio è di gran lunga la causa più comune di vibrazione nelle apparecchiature rotanti, ed è il guasto che bilanciamento esiste per essere corretto.
1. Definizione e principi fisici alla base
Dal punto di vista quantitativo, squilibrio Tu è il prodotto della massa del punto e della sua distanza dall'asse — un punto di massa concentrata m posto al raggio r si ottiene U = m·r, espresso in grammi-millimetri (g·mm) o in grammi-pollici. Può essere espressa in modo equivalente come il prodotto della massa totale del rotore per l'eccentricità del suo centro di gravità (U = M·e). Ciò che conta dal punto di vista meccanico è la forza che ne deriva. La forza centrifuga cresce con il quadrato della velocità angolare:
F = m · r · ω² — raddoppiando la velocità, si raddoppia la forza perturbante quadruplica.
È proprio questa relazione quadratica il motivo per cui un rotore che gira senza intoppi quando viene azionato manualmente può vibrare violentemente alla velocità di esercizio, e perché le macchine veloci devono essere bilanciate con molta maggiore precisione rispetto a quelle lente. La forza ruota insieme all'albero, quindi agisce sulla struttura una volta per ogni giro: ecco da dove deriva l'inconfondibile segno distintivo dello squilibrio.
2. La firma della vibrazione classica
Lo squilibrio è uno dei guasti più facili da diagnosticare perché presenta caratteristiche molto ricorrenti:
- Frequenza: la vibrazione si manifesta esattamente 1× la velocità di rotazione (il velocità di marcia). Se si modifica la velocità, il picco la segue con precisione: una caratteristica distintiva che lo differenzia da molti altri difetti.
- Direzione: l'energia è prevalentemente radiale (in orizzontale e in verticale), con pochi assiale (contenuto assiale).
- Ampiezza: è proporzionale al quadrato della velocità: raddoppiando il numero di giri al minuto, la risposta aumenta all'incirca di quattro volte, come previsto dai principi fisici sopra esposti.
- Fase: l'1× fase La lettura è stabile e ripetibile, ed è proprio questo che rende possibile individuare e correggere il punto pesante.
Quella coppia stabile di ampiezza e fase costituisce la base per la correzione: conoscere l'entità della risposta 1× e dove Questi dati consentono all'analista di calcolare le dimensioni e l'angolo del contrappeso necessario. Un picco puro di 1× con basse vibrazioni assiali indica uno squilibrio; una forte componente di 2× suggerisce invece disallineamento o scioltezza.
3. I tre tipi di squilibrio
Squilibrio statico
Chiamato anche «squilibrio delle forze», questo è il caso più semplice: la massa è sbilanciata su un unico piano, come un punto di maggiore peso su un disco sottile. Si definisce statico perché si manifesta quando il rotore è a riposo: appoggiato su spigoli affilati privi di attrito, il rotore ruota finché il punto di maggiore massa non si posiziona nella parte inferiore. Il fenomeno viene corretto posizionando un unico peso a 180° di distanza dal punto di maggiore massa, ovvero nel dominio di bilanciamento su un solo piano.
Squilibrio di coppia
Qui due punti di peso uguale si trovano alle estremità opposte del rotore, a 180° di distanza l'uno dall'altro. Si annullano a livello di forza risultante, ma formano un coppia — un momento di oscillazione che tende a far ribaltare il rotore da un'estremità all'altra. Un rotore con uno squilibrio di coppia puro è bilanciato staticamente (non rotola sui bordi affilati), ma vibra intensamente una volta in rotazione. Per correggere questo fenomeno occorrono due contrappesi disposti su due piani distinti, in modo da contrastare il momento di oscillazione.
Squilibrio dinamico
Lo squilibrio dinamico, un fenomeno riscontrabile in quasi tutti i macchinari reali, è dato dalla combinazione di componenti statiche e di coppia. Per correggerlo è necessario modificare la distribuzione della massa su almeno due piani lungo il rotore — il processo di bilanciamento dinamico (a due piani). Un caso strettamente correlato, in cui gli effetti statici e di coppia condividono la stessa posizione angolare, è denominato squilibrio quasi-statico.
4. Cause comuni di squilibrio
Lo squilibrio può essere presente fin dalla produzione o svilupparsi durante l'uso. Tra le cause più comuni figurano:
- Difetti di fabbricazione: Porosità nelle fusioni, densità irregolare del materiale e tolleranze di lavorazione.
- Errori di montaggio: componenti montati in modo errato, bulloni serrati in modo non uniforme o chiavette disallineate che alterano la distribuzione della massa.
- Usura: erosione irregolare, corrosione o Indossare sulle pale del ventilatore e sulla pompa giranti.
- Accumulo di materiale: accumulo di sporcizia, polvere o residui di prodotto sui rotori di ventilatori, soffianti e centrifughe.
- Guasto di un componente: Il distacco di un contrappeso o la rottura di una pala provocano immediatamente un grave squilibrio.
5. Perché è fondamentale correggere gli squilibri
L'utilizzo prolungato di una macchina con uno squilibrio significativo la danneggia progressivamente, poiché la forza di rotazione sottopone la struttura a sollecitazioni ad ogni giro:
- Guasto prematuro dei cuscinetti: I cuscinetti sono sottoposti a carichi dinamici elevati e si usurano rapidamente.
- Affaticamento e fessurazione: la sollecitazione ciclica si accumula fatica danni all'albero, alle fondamenta e alla struttura.
- Efficienza ridotta: l'energia viene dissipata sotto forma di vibrazioni e calore anziché essere trasformata in lavoro utile.
- Rischi per la sicurezza: Un grave squilibrio può portare a un guasto catastrofico.
6. Misurazione, correzione e tolleranze dello squilibrio
Lo squilibrio viene eliminato mediante una procedura di bilanciamento sistematica: uno dei modi più convenienti per aumentare l'affidabilità dei macchinari. Su una macchina già assemblata, questa operazione viene eseguita in loco anziché su un macchina equilibratrice. Un analizzatore portatile a due canali come il Bilanciamento-1a misura l'ampiezza e la fase 1×, calcola il coefficienti di influenza da un peso di prova, e comunica all'ingegnere la massa e l'angolo della correzione necessaria per la configurazione a uno o due piani bilanciamento in situ. Poiché opera sui cuscinetti della macchina stessa alla velocità di esercizio, ne rileva le reali condizioni di funzionamento.
Il bilanciamento non consiste mai nel raggiungere lo zero, ma nel mantenere lo squilibrio al di sotto di un limite prestabilito. Tale limite deriva dal grado di qualità di bilanciamento (grado G) sistema di ISO 21940-11 (che ha sostituito la ben nota norma ISO 1940-1). La classe e la velocità di esercizio si traducono in uno squilibrio residuo ammissibile squilibrio residuo in g·mm; un valore libero Calcolatore dello squilibrio residuo (ISO 21940-11) converte direttamente il grado e il numero di giri al minuto selezionati nel valore consentito per ciascun piano.
