Quando una macchina rotante raggiunge la propria frequenza di risonanza, ciò può causare gravi danni alla macchina (e all’impianto), lesioni ai dipendenti e conseguenze finanziarie ingenti. Ciò deve essere evitato a tutti i costi. Sebbene la maggior parte delle macchine rotanti sia progettata in modo che la frequenza di risonanza non coincida mai con la velocità della macchina, la risonanza può comunque verificarsi a causa di difetti di progettazione, variazioni di velocità o influenze esterne (come la frequenza naturale delle fondamenta).
Frequenze critiche
Ogni macchina (configurazione) presenta una o più frequenze naturali; la frequenza alla quale un sistema tende a vibrare in assenza di forze motrici o smorzanti. Quando una macchina rotante è in funzione, viene generata una determinata frequenza di vibrazione. Quando questa frequenza di vibrazione coincide con la frequenza naturale della macchina (struttura), si verifica una risonanza meccanica. In questo caso, la macchina vibra intensamente in sintonia con la fonte di vibrazione, generando una vibrazione amplificata. Le vibrazioni amplificate possono essere così intense da avere un effetto distruttivo sulla macchina.
Le cause delle vibrazioni nelle macchine rotanti possono variare. Per saperne di più, consulta la sezione dedicata alle cause delle vibrazioni.
Soluzione
È chiaro che la risonanza deve essere evitata. A tal fine, è possibile utilizzare accelerometri per monitorare le vibrazioni delle macchine. Tramite un trasmettitore, l’accelerometro può comunicare con un PLC, un sistema DCS o SCADA, consentendo un intervento rapido e adeguato quando necessario. È importante conoscere le frequenze critiche (di risonanza), poiché queste vengono utilizzate per impostare i valori di allarme. Tali valori di allarme hanno lo scopo di impedire che una macchina rotante raggiunga la frequenza di risonanza.
Maggiori informazioni sugli accelerometri e sul loro utilizzo sono disponibili nelle pagine seguenti:
- Prevenzione dei danni alle macchine con un sistema di monitoraggio delle vibrazioni
- Misurazioni delle vibrazioni con accelerometri
- 11 consigli per scegliere il giusto accelerometro industriale IEPE
- Accelerometri (prodotti)
Metodi per la determinazione della frequenza di risonanza
Esistono diversi metodi per determinare la frequenza di risonanza di una macchina. Di seguito vengono illustrati i metodi più comunemente utilizzati.
Bump test (prova d’impatto)
Un test di urto aiuta a individuare le frequenze critiche delle macchine. Esistono diversi metodi per eseguire un test di urto. Può essere semplice come dare un colpo al materiale (la macchina) con un martello di gomma. L’apparecchiatura può quindi acquisire un campione di pochi secondi (grafico nel dominio del tempo), corrispondente al periodo di una rotazione di una macchina rotante. La durata del campione dipende dalle frequenze di risonanza determinate. È importante testare la macchina in più punti; le misurazioni dovrebbero essere effettuate sia nel punto di azionamento che nel punto di trasferimento per determinare la frequenza di risonanza della macchina. Per questo test, la macchina deve essere fuori servizio per evitare dati errati e per facilitare la determinazione della frequenza naturale della macchina.
Prova di accelerazione/decelerazione
Nel cosiddetto «coast down peak hold», la vibrazione viene monitorata dal momento in cui la macchina è in funzione fino allo spegnimento. In assenza di risonanza, ci si aspetta che il livello di vibrazione rimanga costante. Se il livello di vibrazione aumenta durante lo spegnimento, la velocità con cui l’ampiezza aumenta può indicare la frequenza naturale. Oltre a questa prova, esiste la più completa “fase di picco in decelerazione”, in cui vengono misurati sia il livello di vibrazione sia lo sfasamento della macchina. In questo modo è possibile identificare la frequenza naturale (di risonanza), che si trova al centro dello sfasamento di 180 gradi.
Formula per la frequenza naturale
Un terzo metodo consiste semplicemente nel calcolare la frequenza naturale utilizzando una formula. Tuttavia, ciò non è così semplice come la formula potrebbe suggerire. Per calcolare la frequenza naturale (ωn) di una macchina, è necessario conoscere i parametri di rigidità (k) e massa (m). Spesso ciò non avviene. In particolare, determinare la rigidità di una struttura è molto difficile. Inoltre, la frequenza naturale cambia quando uno dei due parametri varia. Pertanto, questo metodo viene utilizzato raramente.
Modifica della frequenza naturale
La frequenza naturale può essere modificata, ad esempio, cambiando la rigidità o la massa della macchina. Aumentando la massa o diminuendo la rigidità, la frequenza naturale diminuirà. Al contrario, una diminuzione della massa e un aumento della rigidità aumenteranno la frequenza naturale.
Non è sempre possibile modificare uno dei parametri (rigidità o massa). In questo caso, è possibile variare la velocità di rotazione della macchina. Tuttavia, spesso questa opzione non è praticabile; una macchina ruota a una determinata velocità per un motivo ben preciso. Esiste anche la possibilità di installare un ammortizzatore dinamico sulla macchina, che serve a ridurre significativamente i livelli di vibrazione.
Essendo una delle cause più comuni di vibrazioni anomale delle macchine, è importante evitare di operare all’interno della frequenza di risonanza. Per determinare questa frequenza, è necessaria una misurazione precisa per identificare la frequenza naturale. Oltre alla risonanza, lo squilibrio, il disallineamento o i componenti danneggiati spesso giocano un ruolo importante nel causare un comportamento vibrazionale anomalo.
