Cos'è la risonanza e perché può distruggere le macchine

Cos'è la risonanza: una spiegazione semplice

Ogni struttura meccanica (telaio, fondazione, supporti) ha le proprie frequenze naturali di vibrazione. Queste sono le frequenze a cui la struttura "ama" vibrare.

Un'analogia: pensate a un'altalena. Se la spingete in sincronia con le sue oscillazioni naturali, l'ampiezza cresce. Se la spingete fuori tempo, l'altalena si muove appena.

La risonanza si verifica quando la frequenza di rotazione del rotore coincide (o è molto vicina) con una delle frequenze naturali di vibrazione della struttura. In quel caso, anche una piccola forza eccitante dovuta a uno squilibrio minimo produce vibrazioni enormi.

Il pericolo: la vibrazione può crescere di 10-20 volte. Questo porta a:

• Distruzione di fissaggi e fondazioni
• Cricche da fatica nel metallo
• Distruzione catastrofica della struttura

La velocità critica

La velocità critica è la velocità di rotazione alla quale la frequenza di rotazione del rotore coincide con la frequenza naturale di vibrazione del sistema "rotore-supporti".

Rotori rigidi e flessibili:

• Rotore rigido: la velocità di esercizio è ben al di sotto della prima velocità critica (generalmente di un fattore 2-3). Tale rotore non si piega sotto le forze centrifughe
• Rotore flessibile: funziona a una velocità prossima o superiore alla velocità critica. Il rotore si flette in modo apprezzabile durante la rotazione

Come rilevare la risonanza: metodi diagnostici

Fig. 1. Grafico di risonanza: brusco picco di vibrazione al raggiungimento della velocità critica (in questo esempio ~2250 giri/min).

Segnali di funzionamento nella zona di risonanza:

• Brusco aumento della vibrazione a una determinata velocità di rotazione
• Con una variazione di velocità di ±100 giri/min, la vibrazione cambia di 5-10 volte
• La fase della vibrazione "salta" da una misurazione all'altra
• All'attraversamento della risonanza, la fase cambia di 180°
• Le letture sono instabili anche a velocità costante

Metodi di rilevamento:

1. Test di decelerazione (run-down):

• La macchina viene spenta e rallenta
• La vibrazione viene misurata al diminuire della velocità
• I picchi di vibrazione alle frequenze di risonanza sono visibili sul grafico

2. Bump test:

• La macchina ferma viene colpita con un martello modale
• Viene analizzata la risposta del sistema
• Vengono determinate le frequenze naturali

Metodi per affrontare la risonanza

1. Modifica della velocità di esercizio

Ove possibile, modificare la velocità in modo che la frequenza di esercizio sia ben lontana da quella di risonanza (generalmente di ±15-20%).

2. Modifica della rigidità della struttura

• Rinforzo del telaio e delle fondazioni: aumentare la rigidità innalza la frequenza naturale
• Aggiunta di massa: aumentare la massa abbassa la frequenza naturale
• Modifica dei supporti: utilizzo di isolatori di vibrazione o fissaggi più rigidi

3. Smorzamento

• Installazione di smorzatori (assorbitori di vibrazione)
• Utilizzo di supporti antivibranti

4. Metodi speciali di equilibratura

Per il funzionamento vicino alla risonanza esistono metodi speciali di equilibratura che prescindono dalla fase (il metodo a quattro corse). Si tratta tuttavia di una procedura complessa che richiede esperienza.