Parte I: Fondamenti teorici e normativi del bilanciamento dinamico

L'equilibratura dinamica in campo è una delle operazioni chiave nella tecnologia di regolazione delle vibrazioni, volta a prolungare la vita utile delle apparecchiature industriali e a prevenire situazioni di emergenza. L'utilizzo di strumenti portatili come Balanset-1A consente di eseguire queste operazioni direttamente sul sito operativo, riducendo al minimo i tempi di fermo e i costi associati allo smantellamento. Tuttavia, un'equilibratura di successo richiede non solo la capacità di utilizzare lo strumento, ma anche una profonda comprensione dei processi fisici alla base delle vibrazioni, nonché la conoscenza del quadro normativo che regola la qualità del lavoro.

Il principio metodologico si basa sull'installazione di pesi di prova e sul calcolo dei coefficienti di influenza dello squilibrio. In parole povere, lo strumento misura la vibrazione (ampiezza e fase) di un rotore rotante, dopodiché l'utente aggiunge sequenzialmente piccoli pesi di prova su piani specifici per "calibrare" l'influenza della massa aggiuntiva sulla vibrazione. In base alle variazioni di ampiezza e fase della vibrazione, lo strumento calcola automaticamente la massa necessaria e l'angolo di installazione dei pesi correttivi per eliminare lo squilibrio.

Questo approccio implementa il cosiddetto metodo a tre esecuzioni Per l'equilibratura su due piani: misurazione iniziale e due cicli con pesi di prova (uno per piano). Per l'equilibratura su un solo piano, di solito sono sufficienti due cicli: senza pesi e con un peso di prova. Negli strumenti moderni, tutti i calcoli necessari vengono eseguiti automaticamente, semplificando notevolmente il processo e riducendo i requisiti di qualificazione degli operatori.

Sezione 1.1: Fisica dello squilibrio: analisi approfondita

Alla base di qualsiasi vibrazione nelle apparecchiature rotanti c'è lo squilibrio, o sbilanciamento. Lo sbilanciamento è una condizione in cui la massa del rotore è distribuita in modo non uniforme rispetto al suo asse di rotazione. Questa distribuzione non uniforme porta al verificarsi di forze centrifughe, che a loro volta causano vibrazioni dei supporti e dell'intera struttura della macchina. Le conseguenze di uno sbilanciamento non affrontato possono essere catastrofiche: dall'usura prematura e dalla distruzione dei cuscinetti fino ai danni alle fondamenta e alla macchina stessa. Per una diagnosi efficace ed eliminare lo sbilanciamento, è necessario distinguerne chiaramente le tipologie.

Tipi di squilibrio

Squilibrio statico (monopiano): Questo tipo di squilibrio è caratterizzato dallo spostamento del baricentro del rotore parallelamente all'asse di rotazione. In condizioni statiche, un rotore di questo tipo, installato su prismi orizzontali, ruoterà sempre con il lato pesante rivolto verso il basso. Lo squilibrio statico è prevalente nei rotori sottili a forma di disco, dove il rapporto lunghezza/diametro (L/D) è inferiore a 0,25, ad esempio nelle mole o nelle giranti strette dei ventilatori. L'eliminazione dello squilibrio statico è possibile installando un peso correttivo in un piano di correzione, diametralmente opposto al punto pesante.

Squilibrio di coppia (momento): Questo tipo di squilibrio si verifica quando l'asse principale di inerzia del rotore interseca l'asse di rotazione nel centro di massa, ma non è parallelo ad esso. Lo squilibrio di coppia può essere rappresentato da due masse sbilanciate di uguale entità ma dirette in modo opposto, situate su piani diversi. In condizioni statiche, un rotore di questo tipo è in equilibrio e lo squilibrio si manifesta solo durante la rotazione sotto forma di "oscillazione" o "oscillazione". Per compensarlo, è necessaria l'installazione di almeno due pesi correttivi su due piani diversi, creando un momento di compensazione.

Squilibrio dinamico: Questo è il tipo di squilibrio più comune in condizioni reali e rappresenta una combinazione di squilibri statici e di coppia. In questo caso, l'asse centrale principale di inerzia del rotore non coincide con l'asse di rotazione e non lo interseca nel centro di massa. Per eliminare lo squilibrio dinamico, è necessaria una correzione della massa su almeno due piani. Strumenti a due canali come Balanset-1A sono progettati specificamente per risolvere questo problema.

Squilibrio quasi statico: Questo è un caso speciale di squilibrio dinamico in cui l'asse principale di inerzia interseca l'asse di rotazione ma non in corrispondenza del baricentro del rotore. Si tratta di una distinzione sottile ma importante per la diagnosi di sistemi di rotori complessi.

Rotori rigidi e flessibili: distinzione critica

Uno dei concetti fondamentali dell'equilibratura è la distinzione tra rotori rigidi e flessibili. Questa distinzione determina la possibilità stessa e la metodologia di un'equilibratura di successo.

Rotore rigido: Un rotore è considerato rigido se la sua frequenza di rotazione operativa è significativamente inferiore alla sua prima frequenza critica e non subisce deformazioni elastiche significative (deflessioni) sotto l'azione delle forze centrifughe. L'equilibratura di un rotore di questo tipo viene in genere eseguita con successo su due piani di correzione. Gli strumenti Balanset-1A sono progettati principalmente per lavorare con rotori rigidi.

Rotore flessibile: Un rotore è considerato flessibile se opera a una frequenza di rotazione prossima a una delle sue frequenze critiche o superiore a essa. In questo caso, la flessione elastica dell'albero diventa paragonabile allo spostamento del baricentro e contribuisce in modo significativo alle vibrazioni complessive.

Prima di iniziare il lavoro, è estremamente importante classificare il rotore correlando la sua velocità di funzionamento con frequenze critiche note (o calcolate). Se è impossibile bypassare la risonanza, si consiglia di modificare temporaneamente le condizioni di montaggio dell'unità durante l'equilibratura per spostare la risonanza.

Sezione 1.2: Quadro normativo: standard ISO

Gli standard nel campo del bilanciamento svolgono diverse funzioni fondamentali: stabiliscono una terminologia tecnica unificata, definiscono i requisiti di qualità e, cosa importante, servono come base per un compromesso tra necessità tecnica e fattibilità economica.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Requisiti di qualità per il bilanciamento dei rotori rigidi

Questa norma è il documento fondamentale per la determinazione dello squilibrio residuo ammissibile. Introduce il concetto di grado di qualità dell'equilibratura (G), che dipende dal tipo di macchina e dalla sua frequenza di rotazione operativa.

Grado di qualità G: Ogni tipo di attrezzatura corrisponde a uno specifico grado di qualità che rimane costante indipendentemente dalla velocità di rotazione. Ad esempio, il grado G6.3 è raccomandato per i frantoi e il G2.5 per gli indotti dei motori elettrici e le turbine.

Calcolo dello squilibrio residuo ammissibile (U_per): La norma consente il calcolo di uno specifico valore di squilibrio ammissibile che funge da indicatore di riferimento durante l'equilibratura. Il calcolo viene eseguito in due fasi:

1. Determinazione dello squilibrio specifico ammissibile (e_per) utilizzando la formula:
   e per = (G × 9549) / n
   dove G è il grado di qualità dell'equilibratura (ad esempio, 2,5), n è la frequenza di rotazione operativa, rpm. L'unità di misura per e_per è g·mm/kg o μm.
2. Determinazione dello squilibrio residuo ammissibile (U_per) per l'intero rotore:
   U per = e per × M
   dove M è la massa del rotore, kg. L'unità di misura per U_per è g·mm.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Bilanciamento in atto

Questa norma regola direttamente il processo di bilanciamento del campo.

Vantaggi: Il vantaggio principale del bilanciamento in opera è che il rotore viene bilanciato in condizioni operative reali, sui suoi supporti e sotto carico operativo. Questo tiene automaticamente conto delle proprietà dinamiche del sistema di supporto e dell'influenza dei componenti del treno di alberi collegati.

Svantaggi e limitazioni:

• Accesso limitato: Spesso l'accesso ai piani di correzione su una macchina assemblata è difficile, limitando le possibilità di installazione dei pesi.
• Necessità di prove: Il processo di bilanciamento richiede diversi cicli di "avvio-arresto" della macchina.
• Difficoltà con grave squilibrio: In caso di squilibrio iniziale molto elevato, le limitazioni nella selezione del piano e nella massa del peso correttivo potrebbero non consentire di ottenere la qualità di bilanciamento richiesta.

Parte II: Guida pratica al bilanciamento con gli strumenti Balanset-1A

Il successo dell'equilibratura dipende dalla scrupolosità del lavoro preparatorio. La maggior parte dei guasti non è dovuta a malfunzionamenti dello strumento, ma all'ignoranza di fattori che influenzano la ripetibilità della misura. Il principio fondamentale della preparazione è quello di escludere tutte le altre possibili fonti di vibrazione, in modo che lo strumento misuri solo l'effetto dello squilibrio.

Sezione 2.1: Fondamenti del successo: diagnostica pre-bilanciamento e preparazione della macchina

Fase 1: Diagnosi primaria delle vibrazioni (è davvero sbilanciato?)

Prima di procedere all'equilibratura, è utile eseguire una misurazione preliminare delle vibrazioni in modalità vibrometro. Il software Balanset-1A dispone di una modalità "Vibration Meter" (tasto F5) in cui è possibile misurare le vibrazioni complessive e separatamente quelle del componente alla frequenza di rotazione (1×) prima di installare eventuali pesi.

Classico segno di squilibrio: Lo spettro di vibrazione dovrebbe essere dominato da un picco alla frequenza di rotazione del rotore (picco a 1x frequenza RPM). L'ampiezza di questa componente in direzione orizzontale e verticale dovrebbe essere comparabile e le ampiezze delle altre armoniche dovrebbero essere significativamente inferiori.

Segni di altri difetti: Se lo spettro contiene picchi significativi ad altre frequenze (ad esempio, 2x, 3x RPM) o a frequenze non multiple, ciò indica la presenza di altri problemi che devono essere eliminati prima del bilanciamento.

Fase 2: Ispezione meccanica completa (lista di controllo)

• Rotore: Pulire accuratamente tutte le superfici del rotore da sporco, ruggine e residui di prodotto. Anche una piccola quantità di sporco su un raggio ampio crea uno squilibrio significativo. Verificare l'assenza di elementi rotti o mancanti.
• Cuscinetti: Controllare i cuscinetti per verificare che non presentino gioco eccessivo, rumori estranei e surriscaldamento. I cuscinetti usurati non consentiranno di ottenere letture stabili.
• Fondazione e struttura: Assicurarsi che l'unità sia installata su una base rigida. Verificare il serraggio dei bulloni di ancoraggio e l'assenza di crepe nel telaio.
• Guidare: Per le trasmissioni a cinghia, controllare la tensione e le condizioni della cinghia. Per i collegamenti dei giunti, controllare l'allineamento dell'albero.
• Sicurezza: Garantire la presenza e l'efficienza di tutte le protezioni.

Sezione 2.2: Impostazione e configurazione dello strumento

Installazione hardware

Sensori di vibrazione (accelerometri):

• Collegare i cavi dei sensori ai connettori corrispondenti dello strumento (ad esempio, X1 e X2 per Balanset-1A).
• Installare i sensori sugli alloggiamenti dei cuscinetti il più vicino possibile al rotore.
• Pratica chiave: Per ottenere il massimo segnale, i sensori devono essere installati nella direzione in cui le vibrazioni sono massime. Utilizzare una base magnetica potente o un supporto filettato per garantire un contatto rigido.

Sensore di fase (tachimetro laser):

• Collegare il sensore all'ingresso speciale (X3 per Balanset-1A).
• Fissare un piccolo pezzo di nastro riflettente all'albero o ad altre parti rotanti del rotore.
• Installare il tachimetro in modo che il raggio laser colpisca stabilmente il segno durante l'intera rotazione.

Configurazione software (Balanset-1A)

• Avviare il software (come amministratore) e collegare il modulo di interfaccia USB.
• Vai al modulo di bilanciamento. Crea un nuovo record per l'unità da bilanciare.
• Selezionare il tipo di bilanciamento: 1 piano (statico) per rotori stretti o 2 piani (dinamico) per la maggior parte degli altri casi.
• Definire i piani di correzione: scegliere i punti sul rotore in cui è possibile installare in sicurezza i pesi correttivi.

Sezione 2.3: Procedura di bilanciamento: guida passo passo

Esecuzione 0: Misurazione iniziale

• Avviare la macchina e portarla a una velocità operativa stabile. È estremamente importante che la velocità di rotazione sia la stessa in tutti i cicli successivi.
• Nel programma, avviare la misurazione. Lo strumento registrerà i valori iniziali di ampiezza e fase della vibrazione.

Esecuzione 1: Peso di prova nel piano 1

• Fermare la macchina.
• Selezione del peso di prova: La massa del peso di prova deve essere sufficiente a causare una variazione evidente nei parametri di vibrazione (variazione di ampiezza di almeno 20-30% O variazione di fase di almeno 20-30 gradi).
• Installazione del peso di prova: Fissare saldamente il peso di prova pesato a un raggio noto nel piano 1. Registrare la posizione angolare.
• Avviare la macchina alla stessa velocità stabile.
• Eseguire la seconda misurazione.
• Arrestare la macchina e RIMUOVERE il peso di prova.

Esecuzione 2: Peso di prova nel piano 2 (per bilanciamento su 2 piani)

• Ripetere esattamente la procedura dal punto 2, ma installare il peso di prova nel piano 2.
• Avvia, misura, ferma e RIMUOVERE il peso di prova.

Calcolo e installazione dei pesi correttivi

• In base alle variazioni vettoriali registrate durante le prove, il programma calcolerà automaticamente la massa e l'angolo di installazione del peso correttivo per ciascun piano.
• L'angolo di installazione viene solitamente misurato dalla posizione del peso di prova nella direzione di rotazione del rotore.
• Fissare saldamente i pesi correttivi permanenti. Quando si salda, tenere presente che anche la saldatura stessa ha una massa.

Esecuzione 3: Misurazione di verifica e bilanciamento fine

• Riavviare la macchina.
• Eseguire una misurazione di controllo per valutare il livello di vibrazione residua.
• Confrontare il valore ottenuto con la tolleranza calcolata secondo la norma ISO 1940-1.
• Se la vibrazione supera ancora la tolleranza, lo strumento calcolerà una piccola correzione "fine" (trim).
• Una volta completato, salvare il report e i coefficienti di influenza per un possibile utilizzo futuro.

Parte III: Risoluzione avanzata dei problemi e risoluzione dei problemi

Questa sezione è dedicata agli aspetti più complessi del bilanciamento del campo, ovvero alle situazioni in cui la procedura standard non produce risultati.

Sezione 3.1: Diagnosi e superamento dell'instabilità di misura

Sintomo: Durante misurazioni ripetute in condizioni identiche, le letture di ampiezza e/o fase cambiano significativamente ("float", "jump"). Ciò rende impossibile il calcolo della correzione.

Causa ultima: Lo strumento non presenta malfunzionamenti. Segnala con precisione che la risposta vibrazionale del sistema è instabile e imprevedibile.

Algoritmo diagnostico sistematico:

• Allentamento meccanico: Questa è la causa più frequente. Controllare il serraggio dei bulloni di montaggio dell'alloggiamento dei cuscinetti e dei bulloni di ancoraggio del telaio. Verificare la presenza di crepe nelle fondamenta o nel telaio.
• Difetti dei cuscinetti: Un gioco interno eccessivo nei cuscinetti volventi o l'usura del guscio del cuscinetto consentono all'albero di muoversi in modo caotico all'interno del supporto.
• Instabilità correlata al processo:
  • Aerodinamica (ventilatori): Il flusso d'aria turbolento e la separazione del flusso dalle pale possono causare effetti di forza casuali.
  • Idraulica (pompe): La cavitazione crea potenti shock idraulici casuali che mascherano il segnale periodico dello squilibrio.
  • Movimento di massa interno (frantoi, mulini): Il materiale può ridistribuirsi all'interno del rotore, agendo come "squilibrio mobile".
• Risonanza: Se la velocità operativa è molto vicina alla frequenza naturale della struttura, anche piccole variazioni di velocità causano enormi cambiamenti nell'ampiezza e nella fase delle vibrazioni.
• Effetti termici: Quando la macchina si riscalda, la dilatazione termica può causare la flessione dell'albero o modifiche dell'allineamento.

Sezione 3.2: Quando il bilanciamento non aiuta: identificazione dei difetti alla radice

Sintomo: La procedura di bilanciamento è stata eseguita, le letture sono stabili, ma la vibrazione finale rimane elevata.

Utilizzo dell'analizzatore di spettro per la diagnosi differenziale:

• Disallineamento dell'albero: Segno principale: picco di vibrazione elevato a una frequenza pari a 2 volte il numero di giri al minuto. È caratteristica un'elevata vibrazione assiale.
• Difetti dei cuscinetti volventi: Si manifesta come vibrazione ad alta frequenza alle frequenze caratteristiche "di supporto" (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Arco dell'asta: Si manifesta come un picco elevato a 1x RPM ma spesso è accompagnato da una componente evidente a 2x RPM.
• Problemi elettrici (motori elettrici): L'asimmetria del campo magnetico può causare vibrazioni a una frequenza doppia rispetto a quella di alimentazione (100 Hz per una rete a 50 Hz).

Errori comuni di bilanciamento e suggerimenti per la prevenzione

• Bilanciamento di un rotore difettoso o sporco: Prima di procedere all'equilibratura, controllare sempre le condizioni del meccanismo.
• Peso di prova troppo piccolo: Puntare alla regola di variazione delle vibrazioni 20-30%.
• Mancato rispetto della costanza del regime: Mantenere sempre una velocità di rotazione stabile e identica durante tutte le misurazioni.
• Errori di fase e di marcatura: Monitorare attentamente la determinazione dell'angolo. L'angolo del peso correttivo viene solitamente misurato dalla posizione del peso di prova nella direzione di rotazione.
• Fissaggio errato o perdita di pesi: Seguire scrupolosamente la metodologia: se è necessario rimuovere il peso di prova, rimuoverlo.

Bilanciamento degli standard di qualità

Parte IV: Domande frequenti e note applicative

Sezione 4.1: Domande frequenti generali (FAQ)

Quando utilizzare il bilanciamento a 1 piano e quando a 2 piani?
Utilizzare il bilanciamento a 1 piano (statico) per rotori stretti a forma di disco (rapporto L/D < 0,25). Utilizzare il bilanciamento a 2 piani (dinamico) per praticamente tutti gli altri rotori, in particolare con L/D > 0.25.

Cosa fare se il peso di prova ha causato un aumento pericoloso delle vibrazioni?
Arrestare immediatamente la macchina. Ciò significa che il peso di prova è stato installato vicino al punto pesante esistente. La soluzione: spostare il peso di prova di 180 gradi rispetto alla sua posizione originale.

I coefficienti di influenza salvati possono essere utilizzati per un'altra macchina?
Sì, ma solo se l'altra macchina è assolutamente identica: stesso modello, stesso rotore, stesse fondamenta, stessi cuscinetti. Qualsiasi variazione nella rigidità strutturale renderà le macchine non valide.

Come tenere conto delle sedi per chiavette? (ISO 8821)
La pratica standard prevede l'utilizzo di una "mezza chiavetta" nella sede della chiavetta dell'albero quando si esegue l'equilibratura senza la parte di accoppiamento. Questo compensa la massa della parte della chiavetta che riempie la scanalatura sull'albero.

Sezione 4.2: Guida al bilanciamento per tipi specifici di apparecchiature

Ventilatori industriali e aspiratori di fumo:

• Problema: Sono particolarmente soggetti a squilibri dovuti all'accumulo di prodotto sulle lame o all'usura abrasiva.
• Procedura: Pulire sempre accuratamente la girante prima di iniziare il lavoro. Prestare attenzione alle forze aerodinamiche che possono causare instabilità.

Pompe:

• Problema: Il nemico principale è la cavitazione.
• Procedura: Prima del bilanciamento, assicurarsi che vi sia un margine di cavitazione sufficiente all'ingresso (NPSHa). Verificare che la tubazione di aspirazione non sia ostruita.

Trituratori, macinatori e pacciamatrici:

• Problema: Usura estrema, possibilità di grandi variazioni di squilibrio dovute alla rottura o all'usura del martello.
• Procedura: Verificare l'integrità e il fissaggio degli elementi di lavoro. Potrebbe essere necessario un ulteriore ancoraggio del telaio della macchina.

Indotti dei motori elettrici:

• Problema: Può avere fonti di vibrazioni sia meccaniche che elettriche.
• Procedura: Utilizzare un analizzatore di spettro per verificare la presenza di vibrazioni a una frequenza doppia rispetto a quella di alimentazione. La loro presenza indica un malfunzionamento elettrico, non uno squilibrio.

Conclusione

L'equilibratura dinamica dei rotori in posizione mediante strumenti portatili come Balanset-1A è uno strumento potente per aumentare l'affidabilità e l'efficienza operativa delle apparecchiature industriali. Tuttavia, il successo di questa procedura non dipende tanto dallo strumento in sé, quanto dalla qualificazione specialistica e dalla capacità di applicare un approccio sistematico.

Principi chiave:

• La preparazione determina il risultato: Per un bilanciamento efficace sono indispensabili una pulizia accurata del rotore, il controllo delle condizioni dei cuscinetti e delle fondamenta e una diagnosi preliminare delle vibrazioni.
• Il rispetto degli standard è la base della qualità: L'applicazione della norma ISO 1940-1 trasforma la valutazione soggettiva in un risultato oggettivo, misurabile e giuridicamente significativo.
• Lo strumento non è solo un bilanciatore ma anche uno strumento diagnostico: L'incapacità di mantenere l'equilibrio o l'instabilità nella lettura sono importanti segnali diagnostici che indicano problemi più gravi.
• La comprensione della fisica dei processi è fondamentale per risolvere compiti non standard: La conoscenza delle differenze tra rotori rigidi e flessibili e la comprensione dell'influenza della risonanza consentono agli specialisti di prendere decisioni corrette.

Seguendo le raccomandazioni descritte in questa guida, gli specialisti tecnici non solo saranno in grado di affrontare con successo le attività tipiche, ma anche di diagnosticare e risolvere in modo efficace problemi complessi e non banali di vibrazione delle apparecchiature rotanti.