Per la persona media, il bilanciamento dei rotori è spesso una "arte oscura". La conoscenza che la maggior parte delle persone ha del bilanciamento si limita alle ruote e agli pneumatici delle automobili, che devono essere bilanciati prima di essere montati sulle auto; in caso contrario, si verificheranno vibrazioni del volante, usura irregolare degli pneumatici e così via. Vi aiuteremo a comprendere meglio il mondo del bilanciamento e a eliminare l'"arte oscura".

UN ROTORE SBILANCIATO

Lo squilibrio è presente in un rotore quando l'asse del centro di massa è diverso dall'asse del centro di rotazione. Praticamente tutti i pezzi appena lavorati sono asimmetrici a causa di bolle nei pezzi fusi, numero e posizione irregolari dei fori dei bulloni, pezzi montati fuori centro, diametri lavorati eccentrici rispetto alle posizioni dei cuscinetti, ecc.

Un rotore sbilanciato, quando ruota, tende a girare attorno al proprio asse di massa. Poiché i cuscinetti limitano questo movimento, la forza centrifuga, dovuta allo sbilanciamento, provoca la vibrazione del rotore. Questa vibrazione causa l'usura dei cuscinetti, genera rumore inutile e, in casi estremi, può portare alla disintegrazione del rotore stesso. È quindi necessario ridurre lo sbilanciamento entro un limite accettabile.

LIMITI DI BILANCIAMENTO

Esistono limiti di equilibrio, proprio come i limiti di lavorazione, entro i quali lo squilibrio è accettabile. Per i rotori vengono citati standard internazionali e nazionali, ad esempio: le ruote delle automobili sono equilibrate fino a un limite di grado 40 e le piccole armature elettriche sono equilibrate fino al grado 2,5. I gradi vengono convertiti in unità di squilibrio, a seconda della velocità di rotazione del rotore, secondo gli standard ISO 1940.

UNITÀ DI SQUILIBRIO

Le unità di squilibrio sono pari al prodotto della massa per il raggio, ad esempio: un peso aggiunto in una determinata posizione sulla parte da bilanciare sposterebbe l'asse di massa nell'asse di rotazione, determinando così l'equilibrio. Il peso di correzione moltiplicato per il raggio applicato darà un'unità di squilibrio. Per la misurazione metrica le unità saranno grammi-millimetri (gmm) o, per rotori di grandi dimensioni, grammi-centimetri. L'equivalente imperiale sarà grammi-pollici o once-pollici. Questo peso (massa) verrebbe applicato a un raggio dal centro di rotazione nella posizione leggera.

TIPI DI ROTORI

I rotori si dividono in due gruppi. Il primo gruppo comprende i rotori rigidi che non si flettono fino alla velocità operativa inclusa.

L'altro gruppo comprende rotori flessibili che si "incurvano" fino alla velocità operativa. La prima deflessione osservata è un "effetto corda per saltare", che significa che il centro del rotore in velocità si sposta dal proprio asse di rotazione, causando un elevato squilibrio "statico".

TIPI DI SQUILIBRIO

Esistono tre tipi di squilibrio:

1. Sbilanciamento statico: si verifica quando l'asse di massa è spostato solo parallelamente all'asse dell'albero. Lo sbilanciamento viene corretto solo su un piano assiale.
2. Squilibrio della coppia: è il punto in cui l'asse di massa interseca l'asse di rotazione. Ad esempio: un disco che presenta uno squilibrio dinamico senza squilibrio statico. Lo squilibrio viene solitamente corretto su due piani.
3. Squilibrio dinamico: si verifica quando l'asse di massa non coincide con l'asse di rotazione. Questo squilibrio è solitamente una combinazione di squilibrio statico e di coppia e viene corretto su due piani.

METODI DI CORREZIONE DELLO SQUILIBRIO

La rimozione di materiale mediante foratura, fresatura ecc. dalla posizione pesante del componente viene utilizzata per correggere lo squilibrio. In alternativa, è possibile correggerlo aggiungendo materiale alla posizione "leggera" del componente mediante bullonatura o saldatura di contrappesi per ridurre lo squilibrio.

MACCHINE BILANCIATRICI

Per identificare la posizione e l'entità dello squilibrio, i produttori di rotori utilizzano macchine equilibratrici per correggere eventuali squilibri esistenti. Queste macchine sono così sensibili da poter identificare facilmente e con precisione qualsiasi asse di massa che si discosti di 0,001 mm dall'asse di rotazione.

Un tipo di macchina identifica solo gli squilibri statici. Viene utilizzata per bilanciare parti a forma di disco. Un altro tipo di macchina identifica gli squilibri su due piani assiali, ad esempio per bilanciare rotori la cui lunghezza è proporzionalmente maggiore del diametro. Queste macchine sono disponibili in versioni che bilanciano il rotore sull'asse orizzontale o verticale.

Grazie all'uso di moderni dispositivi elettronici, la precisione supera facilmente gli standard nazionali e internazionali. La configurazione della macchina è molto semplice: basta inserire le misure in un computer.

BILANCIAMENTO DEI ROTORI RIGIDI

Poiché lo squilibrio è presente in un componente anche quando è fermo, i rotori rigidi possono essere bilanciati a bassa velocità, quanto basta per produrre una forza centrifuga che registri lo squilibrio.

BILANCIAMENTO DEI ROTORI FLESSIBILI

Questo tipo di rotore viene bilanciato a bassa velocità, quando il rotore non si flette. Viene effettuata la correzione dello squilibrio, quindi la velocità viene aumentata gradualmente e lo squilibrio viene corretto in più fasi fino al raggiungimento della velocità operativa del rotore.

TECNICHE MODERNE

Dato l'elevato costo della sostituzione dei rotori danneggiati, il settore aeronautico stabilisce che le parti o le sezioni dei rotori sostituite devono mantenere un equilibrio accettabile. La tecnica prevede l'uso di parti adiacenti fittizie, ad esempio il bilanciamento di un modulo compressore con un modulo turbina fittizio e la sostituzione delle pale del compressore e della turbina senza ulteriore bilanciamento. Queste tecniche sono disponibili per l'industria in generale, se i clienti lo richiedono.

SINTESI

I più recenti metodi di produzione riducono o eliminano la necessità di bilanciamento nelle applicazioni a bassa velocità, ma con l'aumento costante delle velocità utilizzate sui macchinari rotanti, il bilanciamento dinamico sarà necessario nel prossimo futuro. La comprensione del bilanciamento dinamico semplifica l'intero processo di produzione.