Controllare le vibrazioni - articolo

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idronica installazione

trano vibrazioni con frequenze comprese tra 0 e 200 Hz.Si producono vibrazioni anche in macchine o strutture sot-toposte a forze d’urto. In altri casi le vibrazioni sono dovu-te al moto pulsante di un fluido; per esempio, quello del-l’aria spostata dalle pale di un ventilatore o dell’acqua spin-ta dalla girante di una pompa. In tal caso la frequenza dellevibrazioni è proporzionale alla velocità di rotazione e alnumero di pale dell’organo rotante. Se la connessione trastruttura in vibrazione ed apparecchiature ad essa collega-te è rigida anche queste entrano in vibrazione e contribui-scono a diffondere il fenomeno vibratorio.La produzione delle vibrazioni può essere evitata, o almenoridotta, intervenendo sulle cause che le generano; peresempio, migliorando l’equilibratura delle masse in movi-mento. In presenza di vibrazioni, l’inconveniente della lorodiffusione si combatte interponendo appositi dispositivi iso-lanti tra le apparecchiature in vibrazione e le strutture che sivogliono proteggere; il grado di attenuazione della diffusio-ne che si può ottenere dipende dalle caratteristiche deldispositivo isolante utilizzato. Va fatta distinzione tra vibra-zioni di tipo “smorzato”, che si producono occasionalmen-te, e vibrazioni di tipo “forzato”; la causa che produce leseconde non è più di tipo occasionale ma persistente. L’azione perturbante che le provoca agisce con una certa“frequenza di eccitazione” che entra in relazione con la“frequenza propria del sistema vibrante”. La prima puòessere maggiore, uguale o minore della seconda; grandifrequenze di eccitazioni producono piccole ampiezze dioscillazioni del sistema vibrante e viceversa. Se la frequen-za di eccitazione coincide con la frequenza propria delsistema e i due fenomeni ondulatori sono in fase, si entrain condizioni di “risonanza”; un fenomeno che convieneevitare perché l’ampiezza della vibrazione indotta tendesempre più a crescere con incremento delle deformazioniche possono portare anche a rottura.

L’isolamento delle vibrazioniLe apparecchiature che sono sedi di vibrazioni tendono adiffonderle attraverso il terreno, i pavimenti ed ogni altra

VIBRAZIONI, URTI

E RUMORI PRODOTTI

DAI COMPONENTI DEGLI

IMPIANTI TENDONO

A DIFFONDERSI

ATTRAVERSO STRUTTURE EDILI,

TUBAZIONI, CANALIZZAZIONI.

IL PROBLEMA RIGUARDA

IL FUNZIONAMENTO DI

COMPRESSORI, POMPE, GRUPPI

FRIGORIFERI, VENTILATORI, CENTRALI

DI TRATTAMENTO DELL’ARIA,

CONDIZIONATORI D’ARIA, CALDAIE,

RETI DI TUBAZIONI, ECC.

Le vibrazioni sono un fenomeno ondulatorio, della stessanatura di quello dei suoni; a differenza di questi, che sipropagano nell’aria, le vibrazioni diffondono le loro ondenelle strutture solide. Le onde sono caratterizzate da “fre-quenza” e “ampiezza”. La frequenza, vale a dire il nume-ro d’oscillazioni al secondo, dipende dalla massa del corpoche entra in vibrazione (diminuisce all’aumentare dellamassa) e dalla sua rigidezza (cresce all’aumentare di que-sta). Si ricorda che la rigidezza di un corpo solido è il rap-porto tra lo sforzo applicato e la deformazione ottenuta;un corpo molto rigido si deforma poco. L’ampiezza è inrelazione con la forza che provoca l’oscillazione ed è tantopiù piccola quanto maggiore è la frequenza. Soggetti avibrazioni sono quelle macchine che - dotate di organi inmovimento, rotanti o con moto alternativo - hanno difet-ti di equilibratura delle masse in movimento; vi si riscon-

f Nino Zinna

I DISPOSITIVI PERCONTROLLARELEVIBRAZIONI

struttura con loro collegata. Si può annullare, o almenoridurre, tale diffusione mettendo in atto processi di isola-mento; si utilizzano sospensioni elastiche che assorbonouna certa percentuale dell’energia vibratoria. Si parla di iso-lamento attivo quando s’interpongono materiali isolanti tral’apparecchiatura vibrante è la struttura che la supporta;può trattarsi di lastre isolanti, di blocchetti di materiale ela-stomerico, di supporti a molle, ecc.Non sempre un isolamento attivo può essere attuato; inol-tre, se utilizzato, quasi mai si riesce ad impedire del tutto ladiffusione di vibrazioni verso altre strutture. In casi particolari perciò, quando è richiesta una protezionemolto spinta, si ricorre ad un isolamento passivo con ilquale è l’apparecchiatura da proteggere che si isola dal-l’ambiente circostante.Per un buon isolamento la frequenza di eccitazione (nerr)dev’essere adeguatamente più grande della frequenza pro-pria (ne) del sistema vibrante; ciò si può ottenere aumen-tando la prima oppure riducendo la seconda. In genere laprima soluzione non è praticabile perché la frequenza dieccitazione non è modificabile (di solito si tratta del nume-ro di giri di un motore installato sull’apparecchiaturavibrante); non resta perciò che ridurre la frequenza propriadel sistema. Una via percorribile è quella che riduce la fre-quenza dell’apparecchiatura vibrante attraverso unaumento della sua massa; a tale scopo si vincola rigida-mente la struttura vibrante alla massa inerziale di un plintoflottante. La frequenza si riduce anche appoggiando lamacchina su supporti antivibranti. In pratica un isolamento

ottimale si ottiene realizzando per il rapporto l = nerr / neun valore compreso tra 2 e 3; in corrispondenza si ottieneun isolamento fra 67 ed 87%.

Lo smorzamento delle vibrazioniL’impiego di supporti antivibranti è utile per smorzare levibrazioni. Mentre l’isolamento elimina o almeno riduce ladiffusione di vibrazioni verso altre strutture, lo smorza-mento ne riduce l’ampiezza. Con lo smorzamento si trasforma in calore una certa quotadell’energia vibratoria; la dissipazione è prodotta dall’attri-to interno del materiale antivibrante quando le vibrazionisottopongono questo ad una continua alternanza di caricoe quindi di deformazione elastica. Disporre di un buono smorzamento è utile quando è pos-sibile il verificarsi di fenomeni di risonanza in una macchi-na sospesa elasticamente; in tali occasioni, evita il prodursidi forti oscillazioni. Isolamento e smorzamento delle vibra-zioni sono operazioni in contrasto tra loro poiché il primoè favorito dall’impiego di materiali antivibranti teneri, ilsecondo dall’uso di materiali duri; va pertanto cercato ungiusto compromesso fra le due caratteristiche. Nei con-fronti dello smorzamento la gomma è il materiale che for-nisce i migliori risultati.

I dispositivi antivibrantiI dispositivi antivibranti possiedono contemporaneamentedoti di elasticità e di smorzamento. Per effetto dell’elasti-cità si deformano, in modo reversibile, proporzionalmente

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idronica installazioneI DISPOSITIVI PER CONTROLLARE LE VIBRAZIONI

al carico al quale sono sottoposti; d’altra parte, per la lorocapacità di smorzamento, frenano il movimento vibratorioe trasformano in calore una certa quota dell’energia dellevibrazioni.Un isolatore di vibrazioni è caratterizzato da:■ la rigidezza, che ne specifica il grado di elasticità neiconfronti delle vibrazioni; è tanto maggiore quanto menoelastico è l’isolatore. Conseguenza della sollecitazione cheun corpo pesante esercita su un materiale elastico è loschiacciamento (“freccia”) che questo subisce. La frecciadiminuisce al crescere della rigidità.

■ La capacità di smorzamento, cioè l’attitudine che ha adattenuare l’intensità delle vibrazioni. Cresce con l’aumen-tare della durezza del materiale di cui è fatto l’isolatore.■ La particolare frequenza con la quale oscilla quando èsottoposto ad un impulso di sollecitazione. ■ Lo schiacciamento statico che subisce in funzione delcarico applicato.Gli antivibranti possono essere di tipo diverso: in elasto-mero, a molle, pneumatici. In opera sono sottoposti a sol-lecitazioni di compressione, oppure di taglio, o contem-poraneamente di compressione e taglio.


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Come ridurre la frequenza di vibrazione

Vincolando rigidamente la macchina soggetta a vibrazioni a una consistente massa inerziale, si ottiene un aumento della massa del sistema del quale si vogliono controllare le vibrazioni. Contemporaneamente,

appoggiando la macchina alla struttura di base con l’interposizione di supporti antivibranti si riduce la rigidezzadell’accoppiamento nei confronti di quello diretto. Entrambe le vie conducono a ridurre la frequenza di vibrazione


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I diversi tipi di sollecitazione

Sono rappresentati i tipi di sollecitazione, alle quali correntemente sono sottoposti i supporti antivibranti: semplicesollecitazione, semplice taglio e contemporanei compressione e taglio. I cataloghi dei produttori di tali supporti

forniscono le relazioni fra carico statico e freccia ammissibili in funzione del tipo di sollecitazione



I dispositivi antivibranti in gomma - metallo del tipo a blocchetto e a barra

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Gli isolatori in elastomeroSono a base di gomma, naturale o sintetica. Lo schiaccia-mento che subiscono sotto uno sforzo di compressione nonsupera il 20% dello spessore che avevano prima di esseresottoposti al carico. La durezza della gomma può avere valo-ri diversi; correntemente si misura in gradi di durezza Shoreed è compresa tra 30 e 75. Al variare della durezza varia ilmodulo di elasticità a compressione; quanto più la gommaè tenera e spugnosa tanto maggiore è lo schiacciamentoche consente. I limiti della temperatura d’impiego varianotra –10 e + 110 °C; si può anche scendere a –40 °C con lagomma naturale. Le gomme sintetiche hanno maggiorecapacità di assorbimento delle vibrazioni e resistono meglioal contatto con oli, grassi, solventi, ozono. Gli isolanti in ela-stomero sono disponibili come fogli (piastre o tappeti), inbarre, in blocchetti di varia forma (cilindrici, conici, ecc.); ingenere la gomma è accoppiata a elementi metallici che sod-disfano le varie condizioni richieste per il loro montaggio.

Gli isolatori metallici a mollaLo schiacciamento elastico che gli isolatori a molla subisco-no è proporzionale al carico che li sollecita. Hanno il van-taggio di non invecchiare. Sono particolarmente adatti all’i-solamento di vibrazioni con frequenze molto basse mentre– anche se dispongono di una frequenza propria di vibra-zione molto bassa – lasciano passare le vibrazioni di fre-quenza elevata. In conseguenza sono particolarmenteadatti all’impiego su macchine che hanno organi rotanti abassa velocità. Per migliorarne le caratteristiche talvolta allemolle di acciaio si accoppiano componenti in elastomero.Poiché le molle sono di acciaio, materiale che lascia passa-re le frequenze percepibili dall’orecchio, hanno l’inconve-niente di trasmettere il rumore.

Le sospensioni pneumaticheAccoppiano all’azione elastica della gomma quella smor-zante di un gas, normalmente l’aria. Una sospensionepneumatica sostanzialmente è un involucro che racchiudeuna massa d’aria in pressione.In genere l’involucro, a forma tubolare, è costituito da unoo più strati di gomma telata; all’interno e all’esterno, è rive-


Le sospensioni pneumatiche a una (a) e due anse (b)

Esempio di supporti antivibranti, a una o a più molle, in forme diverse

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stito di gomma. La pressione interna gli conferisce formaad anse (una, due o tre); più anse si ottengono con l’inse-rimento di anelli metallici.Le sospensioni pneumatiche consentono, semplicementevariando il valore della pressione dell’aria, di sostenere cari-chi di entità variabile e di mantenere costante l’altezza disostentamento del carico sospeso durante le sue oscillazio-ni. Notevoli carichi possono essere supportati con sospen-sioni di altezza piuttosto modesta; la rumorosità di funzio-namento è trascurabile.Nel montaggio delle sospensioni pneumatiche talvolta,nella camera destinata all’aria compressa, si sistema untampone di gomma (o di gomma-metallo) che, compor-tandosi come una molla ausiliaria, impedisce alla sospen-sione di chiudersi su se stessa quando all’interno non si haaria compressa; in tale occasione è il tampone che, sosti-tuendo l’aria compressa, sostiene il carico.

La scelta degli isolatoriI costruttori di dispositivi antivibranti forniscono diagram-mi che, per i loro prodotti, specificano lo schiacciamentoche subiscono sotto l’azione dei diversi valori di caricostatico applicato.Il dimensionamento di una sospensione si fa sulla base diuna serie di informazioni relative alla particolare applica-zione. In proposito è fondamentale conoscere: la massa

dell’apparecchiatura della quale si vogliono neutralizzarele vibrazioni, la posizione del suo centro di gravità, il nu-mero e la posizione dei punti di appoggio, la frequenzaminima di eccitazione (che, in genere, è in relazione con lavelocità di rotazione), la direzione principale dello sforzoche produce le vibrazioni, l’entità dell’isolamento che sidesidera ottenere, la rigidezza del basamento. Il centro di gravità in genere si determina con metodi distatica grafica tenendo conto, oltre che dei pesi, deglisforzi dinamici della macchina; talvolta, per apparecchia-ture leggere, lo si determina sperimentalmente, medianteun’operazione di bilanciamento. In base alla conoscenza di massa, baricentro, numero eposizione dei punti di appoggio si determina il carico cheagisce su ogni supporto. Tutti gli isolatori riguardanti unacerta applicazione, indipendentemente dal carico che sop-portano, devono presentare la stessa freccia di schiaccia-mento; se per essi non sono imposte particolari posizioniconviene distribuirli in modo da averli tutti sottoposti aduno stesso valore di carico. Determinato il carico che deve sopportare, il modello diisolatore da utilizzare si sceglie, tra quelli disponibili nelcatalogo del costruttore, in funzione di carico, tipo di sol-lecitazione alla quale è sottoposto (compressione, taglio oentrambe) e della relazione tra freccia e carico statico.

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Il carico statico verticale e la corrispondente freccia

Relazione tra il carico staticoverticale e lacorrispondentefreccia di treisolatori del tipogomma - metalloaventi diversogrado di durezza(rispettivamente45 - 60 - 70 ° Sh).Sono rilevabilianche i valori del caricocontinuo massimoammesso per ciascuno

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