Quando una macchina rotante raggiunge la sua frequenza di risonanza, può causare gravi danni alla macchina (e all'impianto), lesioni ai dipendenti e ingenti conseguenze finanziarie. Questo fenomeno 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 della fondazione).
Frequenze critiche
Ogni macchina (setup) ha 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, si produce una certa 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 fortemente in sintonia con la sorgente di vibrazione, producendo una vibrazione amplificata. Le vibrazioni amplificate possono essere così forti da avere un effetto distruttivo sulla macchina.
Le cause delle vibrazioni nelle macchine rotanti possono essere diverse. Per saperne di più, consultate le cause delle vibrazioni.
Soluzione
È chiaro che la risonanza deve essere evitata. A tale scopo, è possibile utilizzare accelerometri per monitorare le vibrazioni della macchina. Utilizzando un trasmettitore, l'accelerometro può comunicare con un PLC, un DCS o un sistema SCADA, consentendo un'azione rapida e appropriata quando necessario. È importante conoscere le frequenze critiche (risonanti), in quanto vengono utilizzate per impostare i valori di allarme. Questi valori di allarme hanno lo scopo di impedire che una macchina rotante raggiunga la frequenza di risonanza.
Ulteriori informazioni sugli accelerometri e sul loro utilizzo sono disponibili nelle pagine seguenti:
- Prevenire i danni alle macchine con un sistema di monitoraggio delle vibrazioni
- Misure di vibrazione 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'urto)
Il bump test aiuta a individuare le frequenze critiche delle macchine. Esistono diversi metodi per eseguire un bump test. Può essere semplice come dare un colpo al materiale (la macchina) con un martello di gomma. L'apparecchiatura può quindi prelevare un campione di pochi secondi (grafico nel dominio del tempo), il 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 misure devono essere effettuate sia nel punto di trasmissione che nel punto di trasferimento per determinare la frequenza di risonanza della macchina. Per questa prova, la macchina deve essere fuori servizio per evitare dati errati e per facilitare la determinazione della frequenza naturale della macchina.
Test di salita e discesa
Nel cosiddetto "coast down peak hold", la vibrazione viene monitorata dal punto in cui la macchina è operativa fino allo spegnimento. In assenza di risonanza, il livello di vibrazione dovrebbe rimanere costante. Se il livello di vibrazione aumenta durante lo spegnimento, la velocità con cui aumenta l'ampiezza può indicare la frequenza naturale. Oltre a questo test, c'è la più completa "fase di picco in discesa", in cui vengono misurati sia il livello di vibrazione che lo spostamento di fase della macchina. In questo modo è possibile identificare la frequenza naturale (di risonanza), che si trova al centro dello spostamento di fase di 180 gradi.
Formula per la frequenza naturale
Un terzo metodo consiste nel calcolare semplicemente la frequenza naturale utilizzando una formula. Tuttavia, 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 questo non è il caso. In particolare, determinare la rigidità di una struttura è molto difficile. Inoltre, la frequenza naturale cambia al variare di uno dei due parametri. 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 diminuisce. Al contrario, una diminuzione della massa e un aumento della rigidità aumenteranno la frequenza naturale.
Non sempre è possibile modificare uno dei parametri (rigidità o massa). In questo caso, è possibile modificare la velocità di rotazione della macchina. Tuttavia, spesso questa non è un'opzione: una macchina ruota a una certa velocità per un motivo preciso. Esiste anche la possibilità di collocare un ammortizzatore dinamico sulla macchina, che serve a ridurre significativamente i livelli di vibrazione.
Essendo una delle cause più comuni di vibrazioni straordinarie 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 svolgono spesso un ruolo importante nel causare un comportamento anomalo delle vibrazioni.
