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  DISPENSE TECNICHE
 
  VENTILATORI
 
  LE VIBRAZIONI II
 
 
 
 
  1. Disallineamenti
  2. Eccentricità
  3. Gioco
  4. Forze aerodinamiche
  5. Cuscinetti ad attrito
  6. Cuscinetti a sfere
  7. Cinghie a V
  8. Motori elettrici
  9. Misurazione delle vibrazioni
  10. Isolamento delle vibrazioni
 
 
 
 
  1. Disallineamenti
 
 
 

Questa causa è comune quasi come lo squilibrio, anche se si utilizzano cuscinetti autoallineanti o accoppiamenti flessibili. La fig. 12 a, b, c, d, illustra vari tipi di disallineamenti. Anche un asse piegato entra all'interno di questo gruppo.





Fig. 12

I disallineamenti causano delle vibrazioni radiali e assiali, proporzionali al grado del difetto. In generale le vibrazioni assiali sono un 50% di quelle radiali. La frequenza delle stesse coincide con la velocità di rotazione in giri/s.

Quando il disallineamento è notevole, possono venire fuori frequenze da 2 a 3 volte quella della rotazione.

Se il disallineamento si verifica sui cuscinetti e questi sono a frizione, non ci sarà vibrazione per questo motivo a meno che il rotore non sia squilibrato. Invece, se i cuscinetti sono a sfere, ci sarà sempre vibrazione, che sia squilibrato o meno il rotore. Fig. 13.



 
Con una boccola a frizione disallineata si produrranno vibrazioni solo se esistono degli squilibri.   Con un cuscinetto a sfere disallineato possono apparire vibrazioni assiali che ci sia o meno uno squilibrio
Fig. 13

Il disallineamento assiale o angolare di due pulegge tra cui si trasmette il movimento tramite cinghie a V, vedi fig. 12 d, produce anch'esso vibrazioni a 1, 2 e 3 volte la velocità di rotazione, soprattutto in direzione assiale.

 
 
 
 
  2. Eccentricità
 
 
 

Questa avviene quando il centro di rotazione non coincide con il centro geométrico. Nella fig. 14 vengono indicati vari casi di eccentricità.



Fig. 14

Quello del caso a) è un tipo di squilibrio che si può correggere se si equilibra l'insieme asse-rotore.

Nei casi b) e c) ci sono delle forze radiali di compressione in d e di trazione in c quando i tre centri indicati vengono allineati. Queste forze causano delle vibrazioni a una frequenza pari al numero di giri per secondo a cui ruota il pezzo con problemi di eccentricità.

 
 
 
 
  3. Gioco
 
 
 

Normalmente è dovuto a viti allentate o a cuscinetti con un gioco eccessivo. Non si verificherà alcuna vibrazione a meno che non esistano altre forze come quelle dello squilibrio o del disallineamento. Tuttavia le forze piccole possono produrre notevoli vibrazioni, per cui è meglio risolvere il gioco piuttosto di eliminare le forze, allineando o equilibrando meglio.

La frequenza di queste vibrazioni in genere è di 2 x giri/s.

 
 
 
 
  4. Forze aerodinamiche
 
 
 

Queste, in generale, non causano vibrazioni nel ventilatore, ma possono generare vibrazioni nelle canalizzazioni accoppiate allo stesso.

Hanno una frequenza pari al numero di pale moltiplicato per la velocità di rotazione in giri/sec.

 
 
 
 
  5. Cuscinetti ad attrito
 
 
 

Danno problemi di vibrazione quando hanno un gioco eccessivo o sono male lubrificanti o sono usurati per mancanza di manutenzione. La frequenza è 1 o 2 volte i giri/s.
Nel caso di macchine ad alta velocità si possono trovare frequenze di vibrazione prossime alla metà della velocità di rotazione (oil whip).

 
 
 
 
  6. Cuscinetti a sfere
 
 
 

Danno origine a vibrazione quando c'è qualche difetto nelle piste di rotolamento o nelle sfere.
Dalla fig. 15 si può dedurre la frequenza a seconda di dove si trova il difetto.



Fig. 15

 
 
 
 
  7. Cinghie a V
 
 
 

Oltre ai problemi già citati di disallineamento ed eccentricità, le cinghie possono causare vibrazioni, soprattutto quando ce ne sono varie in parallelo e non sono accoppiate, condizione che non viene presa molto in considerazione nella pratica.

I difetti nelle cinghie causano vibrazioni a delle frequenze che corrispondono a multipli della velocità lineare delle stesse. Così:

I difetti nelle pulegge, invece, causano frequenze uguali alla loro velocità di rotazione.

 
 
 
 
  8. Motori elettrici
 
 
 

Oltre ai problemi meccanici presentati finora, i campi elettromagnetici del motore possono causare vibrazioni.

Nei motori asincroni la frequenza delle stesse in genere è doppia rispetto a quella della rete di alimentazione, con vibrazioni a 100 Hz o 120 Hz rispettivamente per 50 o 60 periodi.

Se il motore è costruito bene, la gravità di queste vibrazioni è bassa, tuttavia se esiste eccentricità nel rotore e nello statore o se ci sono dei difetti nella gabbia di scoiattolo, possono assumere dei valori allarmanti.

Un metodo per identificare rapidamente i difetti di provenienza elettromagnetica è quello di scollegare il motore e osservare se scompaiono immediatamente. Quelli di origine meccanica permangono mano a mano che si perde la velocità.

 
 
 
 
  9. Misurazione delle vibrazioni
 
 
 

Se osserviamo la tabella B nella Scheda Tecnica, Vibrazioni I, ci rendiamo conto che la Norma ISO CD 14694 limita la vibrazione massima non solo in base alla categoria del ventilatore, ma anche a seconda del tipo di montaggio, e distingue fra un montaggio rigido e un montaggio flessibile. Ciò significa che la gravità della vibrazione di una macchina non è una proprietà intrinseca della stessa.

Per comprendere tutto ciò simuleremo la realizzazione di un esperimento con un motore montato su delle molle che fa ruotare una massa squilibrata, come nella fig. 16.



Fig. 16

Non è difficile intuire che mettendo in moto il motore, questi acquisirà un moto oscillatorio un po' complesso che si potrà scomporre in varie direzioni, di cui osserveremo solo quella verticale.

Se per ogni velocità N del motore misuriamo l'ampiezza X0 dell'oscillazione, potremo ottenere un grafico come quello della fig. 17.



Fig. 17

Nella stessa vediamo che, mano a mano che cresce la velocità, aumenta anche l'ampiezza, ma non in modo lineare, per cui a una velocità N0 diventa molto grande per poi calare di nuovo fino a diventare praticamente costante, a valori alti della citata velocità.

Quando si raggiunge N0 si dice che l'insieme motore-supporto è in risonanza.

Se ripetiamo l'esperienza montando la macchina su altre molle con delle rigidità diverse K1, K2, K3... Otterremo altri grafici simili, come quelli indicati nella fig. 18.



Fig. 18

Se Nn è la velocità nominale del motore, dedurremo dalla stessa fig. 18 che le ampiezze ottenute X01... X02... X03 a questa velocità dipendono dalla rigidità delle molle e, quindi, dal sistema di ancoraggio della macchina.

Di conseguenza possiamo affermare nuovamente quanto detto all'inizio di questo paragrafo: la vibrazione non dipende solo dalla macchina di per se stessa, ma anche dal suo montaggio.

Prima di proseguire con la misurazione della vibrazione vale la pena di parlare dei parametri che definiscono la velocità o frequenza di risonanza. Questa coincide con la frequenza naturale del sistema motore-molle, vale a dire quella che misureremo con il motore fermo dopo averlo separato con un impulso dalla sua posizione di equilibrio. Il suo valore si può calcolare facilmente con la seguente espressione:

K è la costante di rigidità della molla in N/m ed M la massa totale del motore in kg.

Da quanto detto fino a questo punto possiamo intuire che una buona misurazione della vibrazione deve iniziare scegliendo delle condizioni di ancoraggio adeguate in modo che siano ben note e consentono di ottenere dei risultati ripetitivi. Ciò si ottiene con un ancoraggio molto rigido o molto elastico in modo da rimanere lontani dalla risonanza, dove le misurazioni sarebbero influenzate da un alto livello d'incertezza. (Una piccola variazione della velocità di rotazione rappresenterebbe delle variazioni molto grandi dell'ampiezza).

Il passo successivo consiste nel determinare i punti e le direzioni dove dobbiamo effettuare le misurazioni.

Per un montaggio elastico questi devono essere scelti negli ancoraggi della macchina e in altri luoghi lontani dall'asse di rotazione, in direzione radiale e assiale. Fig. 19.



Fig. 19

Se il montaggio è rigido sceglieremo dei punti vicini ai cuscinetti intimamente collegati agli stessi, effettuando anche in questo caso delle misurazioni nelle direzioni radiale e assiale. Fig. 20.



Fig. 20

Sui punti di misurazione vengono fissati rigidi dei trasduttori di accelerazione (accelerometri) o di velocità che trasformano queste grandezze in altrettanti segnali elettrici trattati da un analizzatore Fig. 21.



Fig. 21

Gli analizzatori possiedono dei filtri analogici o digitali o sono dei computer che calcolano la Trasformata Rapida di Fourier (FFT). Come uscita forniscono lo spettro di frequenze dell'ampiezza, velocità o accelerazione efficaci della vibrazione del punto analizzato.

In genere forniscono anche il valore efficace totale della grandezza misurata per l'intervallo di frequenze in questione.

 
 
 
 
  10. Isolamento di vibrazioni
 
 
 
Preliminari
 
 
Quando una macchina viene installata nella sua posizione definitiva, la struttura che la sostiene può essere un ottimo mezzo per trasmettere le sue vibrazioni e portarle a distanze notevoli, causando problemi di rumore e vibrazione in recinti lontani.

Per questo è necessario collocare una barriera adeguata tra la macchina e la struttura che eviti la propagazione dell'energia delle vibrazioni. Queste barriere sono gli isolanti di vibrazioni, molte volte chiamati "silent-block".

Torniamo al motore squilibrato fig. 16. Se viene unito direttamente alla base senza nessuna molla, tutta la forza dello squilibrio verrà trasmessa alla struttura che lo sostiene. Si dice allora che la "trasmissibilità" è pari a 1 o del 100%, e la si considera come il rapporto tra la forza trasmessa e la causa della vibrazione. Diremo inoltre che l'"isolamento" è zero, definito come la differenza fino a 1 o 100 di trasmissibilità in tanto per uno o in t%.

Supponiamo adesso che i dati dell'esperienza simulati con il motore e le molle vengano trasformati in trasmissibilità dividendo la forza che esercitano le molle, pari a Kx0 per la forza dello squilibrio mw²r. Se questi dati li rappresentiamo, non in base alla velocità di rotazione, ma in base a questa, divisa per:

otterremo il grafico della fig. 22.



Fig. 22

Nella stessa possiamo vedere che se le molle sono caratterizzate da una rigidità sufficientemente bassa affinché il numero adimensionale,

sia superiore a , avremo come risultato che la trasmissibilità sarà <1 e quindi ci sarà isolamento, mentre se è al di sotto di , ci sarà amplificazione della forza di squilibrio e, pertanto, non verrà soddisfatto il nostro obiettivo di isolamento.

Nel caso delle vibrazioni verticali, il rapporto tra la frequenza naturale:

e la deflessione delle molle a causa del peso del motore (deflessione statica d0 ) è molto semplice.

Ciò ci consente di mettere in rapporto questa formula con la fig. 22 e di costruire l'abaco della fig. 23 che mette in rapporto la velocità della macchina, la trasmissibilità, l'isolamento e la deflessione statica.



Fig. 23

Ad esempio se montiamo un ventilatore su delle molle e si verifica una deflessione di 10 mm e la velocità di rotazione è di 700 giri/min, le molle forniranno un isolamento del 80%, che equivale a dire che trasmetteranno solo il 20% della forza di perturbazione.

Tornando alla fig. 22 ci potremo rendere conto che mettendo in moto la macchina o arrestandola, il valore delle ascisse partirà da zero fino alla zona di isolamento o al contrario. Ciò che implica il fatto di passare attraverso la risonanza, il che significa che la forza viene amplificata e, di conseguenza, trasmessa alla struttura. Naturalmente ciò non è positivo anche se si verifica in modo transitorio.

Per correggere questo problema possiamo dotare le molle di ammortizzazione.

 
 
 
 
 
 
 
 
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