Tipi di squilibrio: statico, di coppia e dinamico — qual è la differenza?

Squilibrio statico (su un piano)

La fisica

Lo squilibrio statico si verifica quando l'asse principale centrale di inerzia del rotore è spostato parallelamente all'asse di rotazione. In termini più semplici, esiste un unico "punto pesante" sul rotore che sposta il baricentro.

Fig. 1. Squilibrio statico: il punto pesante rotola sempre verso il basso sotto la forza di gravità. A riposo, il rotore si assesta in una posizione definita.

Come si manifesta

La caratteristica unica dello squilibrio statico è che è evidente anche a riposo. Se tale rotore viene collocato su coltelli orizzontali, o sospeso su un asse con attrito minimo, la gravità lo farà ruotare fino a portare il "punto pesante" in basso.

Questo è esattamente il principio alla base della semplice equilibratura statica "su coltelli" — un metodo noto fin dal XIX secolo.

A quali rotori è tipico

Lo squilibrio statico predomina nei rotori stretti a forma di disco dove il rapporto lunghezza/diametro (L/D) è piccolo — inferiore a 0,25-0,5. Esempi:

• Mole abrasive
• Pulegge sottili
• Giranti di ventilatori strette
• Seghe circolari
• Volani sottili

Il metodo di correzione

Viene corretto applicando un singolo contrappeso di correzione in un piano di correzione, diametralmente opposto al "punto pesante" (a 180°).

Può essere fatto anche senza far ruotare il rotore — tramite equilibratura statica su coltelli. Per un risultato accurato, tuttavia, si raccomanda l'equilibratura dinamica con misura delle vibrazioni alla velocità di esercizio.

Squilibrio di coppia (momento)

La fisica

Lo squilibrio di coppia si presenta quando l'asse principale di inerzia del rotore interseca l'asse di rotazione nel baricentro ma è inclinato rispetto ad esso. Fisicamente, corrisponde a due masse sbilanciate uguali disposte in piani diversi lungo il rotore e sfalsate di 180° attorno alla circonferenza.

Fig. 2. Squilibrio di coppia: le due masse M1 e M2 creano una coppia di forze centrifughe F1 e F2 che fanno "oscillare" o "dondolare" il rotore

Come si manifesta

A riposo (senza rotazione) tale rotore è equilibrato — non tenderà ad assumere nessuna posizione particolare sui coltelli. L'equilibratura statica pertanto non rileva questo problema.

In rotazione, tuttavia, la coppia di masse crea un momento ribaltante che tenta di inclinare il rotore perpendicolarmente all'asse di rotazione. Questo provoca forti vibrazioni ai supporti, con le vibrazioni ai due supporti in opposizione di fase (sfasamento di ~180°).

A quali rotori è tipico

Lo squilibrio di coppia è tipico dei rotori lunghi e snelli, come:

• Alberi lunghi senza disco al centro
• Alberi cardanici
• Rotori di ventilatori assiali lunghi

Il metodo di correzione

Per compensare lo squilibrio di coppia, i contrappesi di correzione devono essere applicati in almeno due piani di correzione, creando un momento compensativo.

Squilibrio dinamico (combinato)

La fisica

Questo è il caso più generale e più comune nella pratica. Lo squilibrio dinamico è una combinazione di squilibrio statico e di coppia.

In termini meccanici: l'asse principale centrale di inerzia del rotore non è né parallelo all'asse di rotazione né lo interseca nel baricentro — bensì lo attraversa obliquamente (sghembo) nello spazio.

Come si manifesta

Lo squilibrio dinamico si manifesta solo durante la rotazione. A riposo può essere osservato uno squilibrio parziale (se è presente una componente statica), ma il quadro completo è visibile solo quando il rotore è in funzione.

A quali rotori è tipico

Lo squilibrio dinamico si presenta nella maggior parte dei rotori industriali:

• Giranti di ventilatori centrifughi
• Rotori di motori elettrici e generatori
• Giranti di pompe
• Rotori di frantoi e mulini
• Tamburi di trebbiatura delle mietitrebbie
• Qualsiasi rotore con L/D > 0,5

Il metodo di correzione

La correzione dello squilibrio dinamico richiede sempre l'equilibratura in almeno due piani di correzione. Ciò consente di compensare simultaneamente sia la componente di forza (statica) che quella di momento (coppia) dello squilibrio.

Fig. 3. Schema di equilibratura dinamica: per correggere lo squilibrio dinamico, i contrappesi di correzione vengono applicati in due piani e i sensori di vibrazione sono montati su entrambi i supporti

Riferimento rapido: identificazione del tipo di squilibrio

Utilizzare questa tabella per identificare rapidamente il probabile tipo di squilibrio e il numero di piani di correzione necessari:

Raccomandazioni pratiche

Rotori rigidi e flessibili

Un'importante integrazione alla classificazione è la distinzione tra rotori rigidi e flessibili:

• Rotore rigido: la velocità di esercizio è ben al di sotto della prima velocità critica. Il rotore si deforma a malapena sotto le forze centrifughe. Per tali rotori, l'equilibratura in due piani è sufficiente. La maggior parte dei rotori industriali è rigida.
• Rotore flessibile: funziona a una velocità di rotazione prossima o superiore alla velocità critica. La flessione elastica dell'albero diventa paragonabile allo spostamento del baricentro. L'equilibratura dei rotori flessibili richiede metodi speciali e può richiedere più di due piani di correzione.

Quando è necessaria una verifica meccanica preliminare

Prima dell'equilibratura, è consigliabile verificare:

1. Battuta radiale: il rotore non deve essere fuori tondo
2. Battuta assiale: i dischi devono essere perpendicolari all'asse
3. L'accoppiamento sull'albero: nessun disallineamento durante il montaggio

Se vengono rilevati difetti geometrici, devono essere corretti prima, altrimenti l'equilibratura sarà inefficace.

Rotori rigidi e flessibili: una distinzione critica

Uno dei concetti fondamentali nell'equilibratura è la divisione dei rotori in rigidi e flessibili. Questa divisione determina sia la possibilità stessa di un'equilibratura di successo che la metodologia da utilizzare.

Il rotore rigido

Definizione: un rotore è considerato rigido se la sua velocità di rotazione di esercizio è ben al di sotto della sua prima velocità critica e non subisce deformazioni elastiche significative (flessione) sotto le forze centrifughe.

Caratteristiche:

• La velocità di esercizio è generalmente inferiore al 70% della prima velocità critica
• La flessione dell'albero sotto le forze centrifughe è trascurabile
• L'equilibratura in due piani di correzione è generalmente sufficiente
• Strumenti come il Balanset-1A sono progettati precisamente per lavorare con rotori rigidi

Il rotore flessibile

Definizione: un rotore è considerato flessibile se funziona a una velocità di rotazione prossima o superiore a una delle sue velocità critiche. In quel caso la flessione elastica dell'albero diventa paragonabile allo spostamento del baricentro e contribuisce essa stessa in modo significativo alla vibrazione complessiva.

Il problema: cercare di equilibrare un rotore flessibile con la metodologia per rotori rigidi (in due piani) spesso porta al fallimento. L'applicazione di contrappesi può compensare la vibrazione a bassa velocità sub-risonante, ma al raggiungimento della velocità di esercizio e con la flessione del rotore, quegli stessi contrappesi possono amplificare la vibrazione eccitando uno dei modi di flessione.

Come identificare il tipo di rotore

Un metodo pratico:

1. Rilevare la velocità di rotazione di esercizio del rotore (giri/min)
2. Eseguire un test di decelerazione (misurando le vibrazioni mentre il rotore rallenta dopo lo spegnimento)
3. Se sul grafico delle vibrazioni in decelerazione sono visibili picchi distinti, questi sono risonanze (velocità critiche)
4. Se la velocità di esercizio è prossima a un picco di risonanza (±20%), il rotore opera in una zona di pericolo

Cosa fare quando si opera vicino alla risonanza:

• Se la risonanza non può essere evitata (ad esempio, la macchina funziona a una velocità fissa che coincide con la risonanza), è consigliabile modificare temporaneamente le condizioni di montaggio dell'unità durante l'equilibratura
• Ad esempio, ridurre la rigidità dei supporti o applicare supporti elastici temporanei per spostare la risonanza
• Una volta corretto lo squilibrio del rotore e normalizzata la vibrazione, la macchina può essere riportata alle sue condizioni di montaggio standard