Knowledge Base - Vibrazioni

Argomenti:

Vibrazione
Elasticità
Smorzamento
Vibrazioni armoniche
Componenti di una vibrazione - Trasformata di Fourier
Trasformata Rapida di Fourier (FFT: Fast Fourier Transform)
Analizzatore di vibrazioni
Accelerometro
Composizione additiva di vibrazioni
Assorbitori dinamici di vibrazioni
Risonanza
Sospensioni e isolamenti
Solai galleggianti
Smorzamento attivo di vibrazioni
Cuscinetti idrodinamici

Termini d'uso della Base Dati Tecnici (BDT)

 

• Vibrazione:
  Si definisce vibrazione (meccanica) al fenomeno di oscillazione di un corpo o sistema attorno ad una posizione di equilibrio. Un pendolo, la corda di una chitarra, l’aria dentro una tromba, la membrana di un altoparlante, la ruota di un’automobile che si muove sono esempi di corpi che vibrano.
  
  La forma della vibrazione dipende dalla causa: un albero flesso fa vibrare una macchina diversamente da un cuscinetto rovinato, quindi analizzando le vibrazioni si possono determinare le varie condizioni di una macchina senza doverla fermare. E’ interessante osservare che non è necessario che le vibrazioni siano percepibili dalle persone, ma basta uno strumento sensibile per determinare lo stato di una macchina anche quando questa apparentemente non presenta difetti visibili.
  
  Questo tipo di analisi permette di prevedere quando la macchina entrerà in condizione critica e così è possibile programmare gli interventi di manutenzione, senza aspettare la rottura e senza sostituzioni preventive a intervalli troppo corti, con conseguente riduzione dei costi.
  
  Con questo principio, Pulse Dynamics esegue i servizi di diagnosi non invasiva di macchine: servizio di diagnosi non invasiva
  
  Spesso le vibrazioni disturbano le persone o i macchinari stessi e quindi vanno trattate: servizio di abbattimento vibrazioni
  
  
  
• Elasticità:
  Una delle proprietà dei sistemi meccanici e di tutti i corpi, che permette la deformazione degli stessi fino ad un determinato limite, senza che la forma del corpo stesso si alterata permanentemente (ovvero, rilasciando la forza che deforma il corpo, esso torna alla sua forma originale)
  
  
  
• Smorzamento
  La proprietà dei sistemi fisici che fa decadere (diminuire) l’ampiezza di vibrazione di un sistema meccanico ad ogni ciclo, se al sistema non viene aggiunta energia di movimento. Questo fenomeno si deve agli attriti interni delle molecole che costituiscono il corpo o all’attrito con corpi esterni al sistema (aria, acqua, olio), le quali movendosi e “sfregandosi” tra di loro, trasformano il moto in un piccolissimo aumento di temperatura e quindi il movimento viene dissipato ad ogni ciclo.
  Per illustrare il concetto, basta pensare alla lancetta di una bussola: se la lancetta è immersa in olio, la stessa troverà il Nord molto più velocemente che se non vi è olio, nel quale caso la lancetta oscillerà per un lungo periodo di tempo prima di fermarsi.
  L’ammortizzazione non va confusa con l’elasticità. Molte volte si aggiungono molle o altri elementi elastici per smorzare le vibrazioni, ma l’oscillazione non diminuirà sempre (dipende da diversi fattori). Per smorzare le vibrazioni è necessario aggiungere al sistema qualcosa che trasformi il moto in attrito e quindi calore. Nelle automobili si usano i cosiddetti “molloni” come elementi elastici ma si aggiungono anche gli ammortizzatori (cilindri pieni d’olio) per smorzare le oscillazioni. Quando gli ammortizzatori si consumano, l’automobile oscilla più volte prima di assorbire del tutto le difformità del terreno.
  La presenza di ammortizzazione diminuisce gli effetti distruttivi della risonanza, limita l’ampiezza di vibrazione e smorza le oscillazioni in un tempo minore. Per contro, aumenta la trasmissibilità delle vibrazioni e il rumore di origine meccanico, può cambiare drasticamente la risposta del sistema e quindi va verificata prima di procedere.
  L’ammortizzazione modifica anche la frequenza di risonanza e quindi va verificato il valore dell’ammortizzazione da aggiungere per evitare spiacevoli sorprese (aumento della rumorosità o delle vibrazioni dopo l’aggiunta di smorzatori, coincidenza della risonanza del sistema con frequenze operative di altre macchine circostanti).
  
  SUGGERIMENTO: Se è necessario smorzare l’ampiezza di vibrazione di una macchina, possono essere usati ammortizzatori automobilistici, sono economici e facilmente reperibili. In caso che sia necessario fare attenzione alla trasmissione di vibrazione o al tempo di risposta della macchina, sarà necessario fare una simulazione per decidere esattamente quale ammortizzatore usare.
  
  Se è interessato ad una nostra consulenza per la scelta di ammortizzatori, ci contatti.
  
  
  
• Vibrazioni armoniche:
  Quando il movimento di un corpo descrive una legge sinusoidale, si dice che oscilla armonicamente. Si chiamano anche oscillazioni “pure”.
  
  
  
• Componenti delle vibrazioni (la Trasformata di Fourier):
  La vibrazioni possono essere semplici se si tratta di una oscillazione armonica oppure molto complesse. Ogni movimento oscillatorio per quanto complesso, può essere scomposto in più componenti armoniche (seni e coseni), che sommati o sovrapposti producono l’oscillazione complessa.
  Esiste un metodo matematico chiamato Trasformata di Fourier che permette di scomporre un movimento complesso in una serie di oscillazioni di tipo seno-coseno.
  
  
  
• Trasformata Rapida di Fourier – Fast Fourier Transform (FFT): Calcolare la Trasformata di Fourier è molto laborioso da realizzare manualmente, ma con il computer e un algoritmo particolare (Trasformata Rapida di Fourier – FFT dalle sue sigle in inglese) si riesce a scomporre un movimento qualunque nelle sue componenti armoniche in tempo reale. Questa scomposizione permette di determinare le varie cause delle vibrazioni e quindi di diagnosticare lo stato di una macchina anche in presenza di più cause (ad. es. disallineamento + cuscinetti logori + supporti non stretti).
  Ecco cosa si può diagnosticare con le vibrazioni: servizio di diagnosi non invasiva
  
  
  
• Analizzatori di vibrazione
  Sono strumenti utilizzati da chi lavora in questo campo, che raccolgono i dati di un sensore di vibrazioni (solitamente un accelerometro) e permettono di eseguire un’analisi FFT sul segnale raccolto, per determinare le varie componenti del movimento. E’ uno strumento imprescindibile per gli esperti di questo settore.
  
  
  
• Accelerometro
  E’ un trasduttore di vibrazioni, molto sensibile e robusto, senza parti in movimento. Internamente ha una piccolissima massa vincolata ad un materiale piezoelettrico. Quando l’accelerometro si muove, la massa comprime il materiale piezoelettrico che produce un segnale di carica elettrica (Q) il quale può essere amplificato e letto da diversi strumenti.
  La particolarità dell’accelerometro è che il segnale che produce è proporzionale all’accelerazione del moto (seconda derivata del movimento) e non al movimento vero e proprio. Questo fa che tutte le componenti in alta frequenza vengano amplificate, mentre quelle a bassa vengano scalate, solitamente il segnale letto da un accelerometro appare molto “rumoroso”, anche se in realtà descrive perfettamente il moto misurato.
  
  
  
• Composizione additiva delle vibrazioni:
  Tutte le vibrazioni si possono sovrapporre tra di loro: se vi sono due macchine montate su una trave, la vibrazione della trave sarà determinata dalla somma degli effetti di entrambe le macchine. Se le due macchine vibrassero nella stessa maniera ma con direzione esattamente opposta e in maniera sincronizzata, gli effetti si eliderebbero a vicenda e la vibrazione risultante della trave sarebbe zero.
  Questo principio è applicato in molti rotori e sistemi, sfasando le eccentricità in maniera di bilanciarne l’effetto. Ma questo effetto può essere ottenuto anche in macchine che non possono essere bilanciate per le loro caratteristiche, mediante l’aggiunta di vibratori esterni opportunamente dimensionati, chiamati assorbitori dinamici di vibrazioni.
  
  
  
• Assorbitori dinamici di vibrazione:
  Sono elementi capaci di vibrare se eccitati da forze esterne, che vengono aggiunti ai macchinari o strutture con lo scopo di azzerare completamente la vibrazione. Sono dimensionati in maniera tale che, eccitati dalla struttura o macchina che devono proteggere, vibrano in maniera tale che la forza risultante tra loro e la macchina è uguale e contraria a quella della macchina stessa.
  
  Il risultato è che, in funzionamento continuo, gli assorbitori vibrano in maniera controllata, mentre il sistema da proteggere è completamente statico. Con questi elementi si ottengono riduzioni di vibrazione di oltre 95% dell’ampiezza originale.
  
  Vengono utilizzati molto spesso, anche se non ce ne rendiamo conto: (foto di un traliccio elettrico, taipei 101, tagliabarba), sono robusti, esenti da manutenzione ed affidabili perché una volta tarati non necessitano di particolari attenzioni. Per contro, gli assorbitori dinamici devono essere progettati e tarati da personale specialista, perché se questo viene fatto in maniera sbagliata, possono entrare in risonanza ed aumentare le vibrazioni già presenti.
  Pensa che un assorbitore dinamico faccia al caso suo? Ci contatti
  
  
  
• Risonanza
  Tutti i sistemi oscillanti (ovvero dotati di massa ed elasticità) sono più propensi a vibrare ad una determinata frequenza, la quale viene chiamata frequenza di risonanza. Se si tenta di far oscillare un’automobile spingendola da un lato, si nota come c’è una determinata frequenza di oscillazione alla quale si fa pochissima fatica a farla oscillare, mentre se si tenta di andare più veloce o più lentamente ci si deve sforzare di più. La frequenza alla quale l’auto oscilla con poca fatica è la sua frequenza di risonanza.
  Quando un corpo viene sottoposto ad una forza oscillante di frequenza simile alla propria frequenza di risonanza, questo oscilla con ampiezze molto elevate, potendo giungere a rottura in brevissimo tempo. I i particolari e le macchine che nei quali esistono forze cicliche (motori, ventole, passaggio di fluidi o graniglie, ecc.) devono essere verificati per evitare vibrazioni eccessive dovute a frequenze di risonanza vicine a quelle delle forze in gioco.
  Spesso, i macchinari vengono verificati e modificati più volte attribuendo la causa di malfunzionamenti a dimensionamenti statici errati, quando in realtà il problema è di risonanza
  
  SUGGERIMENTO: per essere sicuri che si tratti di risonanza basta aumentare o diminuire la frequenza di eccitazione (per es. aumentare o diminuire la velocità dei motori), se la struttura è in risonanza, in entrambi i casi le vibrazioni dovrebbero diminuire. Se diminuisce soltanto aumentando la frequenza, si è oltre la risonanza, se diminuisce soltanto diminuendo la velocità ci si trova prima della risonanza.
  
  Pensa che ci sia un problema di risonanza nel suo progetto? Vuole verificare dinamicamente una struttura o un sistema meccanico? Ci contatti per un preventivo.
  
  
  
• Sospensioni e isolamenti
  Quando è necessario evitare che le vibrazioni prodotte da una macchina vengano trasmesse all’ambiente circostante o quando si vuole isolare un elemento da vibrazioni dannose è necessario impiegare una sospensione o isolamento.
  La soluzione più usata (e abusata) è quella dei materassini in materiale elastico, impropriamente chiamato “isolante”.
  Perché una sospensione o isolamento siano realmente efficaci, è necessario che questa sia dimensionata in base alle caratteristiche del sistema che deve essere isolato e delle vibrazioni presenti. Soltanto in questa maniera la sospensione isola efficacemente, altrimenti può anche peggiorare la situazione visto che modifica la risonanza del sistema originale.
  Una sospensione professionale può essere costituita da molle elicoidali, pneumatiche, a tazza, elementi in materiale viscoelastico opportunamente selezionato e anche materassini elastici (purché correttamente dimensionati).
  Pulse Dynamics ha rilevato che circa il 90% degli isolamenti eseguiti con materassini elastici è inefficace e che oltre il 40% in realtà peggiora la situazione.
  
  SUGGERIMENTO: Una strategia per risolvere un problema “al volo” è selezionare un elemento elastico quanto più morbido si possa, compatibilmente con l’impiego. Così facendo l’ampiezza delle vibrazioni aumenterà ma la trasmissione di vibrazioni diminuirà. Se è importante che l’ampiezza di vibrazione sia entro certi limiti, si dovrà procedere ad una simulazione più accurata.
  
  Deve isolare una macchina dalle vibrazioni? Ci contatti per una valutazione gratuita.
  
  
  
• Solai Galleggianti:
  Sono un tipo di isolamento dalle vibrazioni sempre più utilizzato negli appartamenti per limitare la trasmissione del rumore da origine meccanica e consistono di una soletta appoggiata su materiale elastico. Così come per le sospensioni delle macchine, il materiale elastico va selezionato in base alle caratteristiche della soletta e dell’abitazione per evitare fenomeni di risonanza che porterebbero ad un aumento della trasmissibilità del rumore.
  
  
  
• Smorzamento attivo delle vibrazioni:
  Tipicamente, i sistemi per l’abbattimento delle vibrazioni sono comporti di elementi che non necessitano di apporto di energia o di un sistema di controllo e vengono chiamati sistemi passivi. Esistono però situazioni dove è più conveniente che l’abbattimento delle oscillazioni sia di tipo variabile, per adattarsi al variare delle condizioni. In questi casi, si utilizzano le tecniche classiche, pilotate da servomotori o altri attuatori attivi (quindi con apporto esterno di energia) comandati da sistemi di controllo elettronici.
  I vantaggi dello smorzamento attivo sono un tempo di risposta breve, capacità di adattarsi a condizioni cambianti, maggiore uniformità nella risposta del sistema che si intende trattare. Sono soluzioni che non vengono solitamente utilizzate, ma che in alcuni casi fanno la differenza. Solitamente vengono impiegati in presenza di velocità variabili, disturbi sempre diversi ed imprevedibili, condizioni di funzionamento molto diverse tra loro.
  Se è interessato a saperne di più, ci contatti senza impegno.
  
  
  
• Cuscinetti idrodinamici:
  Sono elementi di macchina che hanno la stessa funzione dei cuscinetti a sfera o a rulli, ma che funzionano interponendo una sottile pellicola d’olio tra l’albero e la carcassa. Costruttivamente sono delle boccole con profili particolari all’interno e con entrate per l’olio. Diversamente dai cuscinetti idrostatici però, la pressione dell’olio è molto bassa e l’albero “galleggia” sulla pellicola che si forma grazie ad un effetto portanza che si crea per effetto della rotazione. Questi cuscinetti hanno diversi vantaggi rispetto a quelli meccanici ed idrostatici:
  - Non si logorano
  - Non necessitano di centraline per l’olio
  - Se ben dimensionati, sono auto adattabili alle condizioni di lavoro della macchina
  - Sono immuni alle temperature
  - Possono lavorare ad alte velocità
  - Sono elastici e hanno la facoltà di smorzare le vibrazioni. Quest’ultima caratteristica li rende molto diversi ai cuscinetti a sfera o idrostatici, perché permettono al rotore di passare ripetutamente nella propria zona di risonanza senza danni, facendoli adatti a quelle macchine che hanno velocità variabili. Con i cuscinetti rigidi (sfera, rullini e idrostatici), il passaggio nella zona di risonanza è solitamente molto pericoloso.
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