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Come selezionare un antivibrante? Conoscere e usare le grandezze in gioco

Un articolo di inquadramento sulle grandezze fondamentali che interessano la progettazione dei sistemi antivibranti. Conoscere queste grandezze ci permette di selezionare il prodotto adatto all'intervento di isolamento.

Quali sono le grandezze da prendere in considerazione?

Il sistema idoneo a isolare le vibrazioni consiste in un materiale resiliente da inserirsi fra la macchina e la superficie o struttura di appoggio, al fine di creare un sistema di supporto con una bassa frequenza naturale.

I prodotti antivibranti possono dunque consistere in tappeti/pads o supporti in elastomero, molle elicolidali in acciaio, sistemi più complessi che combinano sistemi più semplici.

Vedremo ora una serie di grandezze fondamentali per la progettazione dei sistemi antivibranti.

La deflessione statica o cedimento dell’antivibrante è la misura dello schiacciamento dell’elemento sotto il peso della macchina che produce vibrazioni. In generale, a cedimenti maggiori (a volte si parla anche di escursione del materiale) corrispondono migliori prestazioni vibroisolanti.

Poiché l’antivibrante si inserisce fra apparecchiatura e superficie/struttura di appoggio, il progetto dell’isolamento delle vibrazioni dovrebbe guardare a ottenere il minimo cedimento necessario per aversi il valore obiettivo del grado di isolamento.

Fortunatamente, la deformazione dell’antivibrante sotto il peso dell'apparecchiatura è un dato che può essere dedotto se il materiale antivibrante è debitamente certificato e se per esso vengono fornite le curve di correlazione fra carico, deformazione e frequenza naturale.

La frequenza naturale è il valore di frequenza in corrispondenza del quale l’antivibrante oscilla (rimbalza) spontaneamente se compresso e rilasciato velocemente.

Vale la pena sottolineare che a maggiori escursioni del materiale corrispondono minori valori di questa grandezza, e corrispondentemente migliori prestazioni vibroisolanti.

La frequenza di disturbo corrisponde al minimo valore di frequenza in corrispondenza della quale la macchina produce vibrazioni. In generale si rilevano una o due frequenze principali di disturbo per ogni macchina: per esempio, in un ventilatore la frequenza della vibrazione dominante è generata da chi gira più lentamente fra ruota e motore.

Possono poi rilevarsi altre frequenze più alte di vibrazione, in genere connesse alla rigidità dell’apparecchiatura, alla sua massa, al numero di parti mobili o rotanti, ecc. Comunque, se il focus del progetto di bonifica viene incentrato sulla frequenza di vibrazione più bassa (che costituisce la frequenza disturbante di progetto), gli effetti favorevoli si riversano anche sulle frequenze più alte.

Il valore del rapporto fra frequenza di disturbo e frequenza naturale misura il grado di isolamento. Al crescere di tale rapporto cresce appunto l’efficacia, e come regola generale si può assumere che questo valore possa essere almeno pari a 3,5. D’altro lato, quando le due frequenze sono molto prossime a loro, l’antivibrante finisce per avere un effetto paradosso ed amplificare le forze vibranti.

Lo smorzamento riduce o blocca i movimenti che l’apparecchiatura può fare una volta che è posata sugli antivibranti, ed è una proprietà intrinseca correlata alle resistenze viscose del materiale.

  • Lo smorzamento per attrito si sviluppa in presenza di uno scorrimento fra le superfici messe in contatto tramite l’antivibrante.
  • Lo smorzamento viscoso è riferito al comportamento fluidodinamico del materiale e ha appunto a che fare con la resistenza al flusso dello stesso.

Va considerato che lo smorzamento tende a ridurre l’isolamento globale alla vibrazione, nel momento in cui esso "frena" il movimento dell’apparecchiatura. D’altro canto, in occasione di movimenti accidentali di grande entità (squilibrio temporaneo, colpo d’ariete, risonanze temporanee, terremoto), sarà proprio lo smorzamento a far sì che tali movimenti diventino estremi o fuori controllo.

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Di quanto isolamento hai bisogno?

Vedremo ora come usare i diagrammi caratteristici di un antivibrante, usando come esempio la serie reperibile presso un marchio commerciale di riferimento, e relativa ad un prodotto antivibrante nella tipologia pad, che rappresenta una delle tipologie più comuni e di immediata applicazione nella pratica professionale.

Immaginiamo che, per attenuare una frequenza di disturbo di 50Hz sotto un carico di 0,20N/mm2 (20.000kg/m2), abbiamo selezionato un certo antivibrante con le proprie curve di caratterizzazione.

Dal diagramma pressione/frequenza naturale in figura 1 è possibile valutare in che misura la frequenza naturale diminuirà al crescere dello spessore del prodotto.

Figura 1 – A parità di carico agente, al crescere dello spessore dell’antivibrante diminuisce la frequenza naturale

Corrispondentemente, sul diagramma del grado di isolamento in figura 2 è possibile traguardare il valore di attenuazione corrispondente ai tre spessori di prodotto.

Figura 2 – Per la stessa frequenza di disturbo, al crescere della frequenza naturale diminuisce il grado di isolamento

Vi si può quindi leggere che al crescere dello spessore (e quindi al diminuire della frequenza naturale), si ottiene naturalmente un miglioramento del grado di isolamento.

Nel caso specifico, variando fra spessori di 15, 30, 45 mm si ottiene un decremento globale dell’ordine di 10Hz della frequenza naturale, al quale corrisponde una transizione del grado di isolamento dal valore 80% per lo spessore maggiore al valore 94% per lo spessore minore.

In termini di attenuazione questo significa passare da circa -15 dB a -25 dB.

I potenziali risultati in termini di attenuazione devono poi essere sottoposti al controllo della deflessione statica nel diagramma pressione/cedimenti in relazione ai tre diversi spessori di prodotto presi in considerazione. Evidentemente, questo controllo diventa stringente quando le condizioni di contorno all’installazione prescrivono specifici valori di deformazione del sistema in rapporto a vincoli esterni (per esempio, il collegamento della macchina a dei condotti fissati a strutture).

In figura 3 si vede che al crescere dello spessore (e quindi della prestazione isolante ottenibile) cresce però anche lo schiacciamento, che passa da poco più di 2 mm per lo spessore di 15 mm a circa 6,5 mm per lo spessore di 45 mm.

Figura 3 – A parità di carico agente, al crescere dello spessore dell’antivibrante cresce la deflessione statica

Va notato che nell’ultimo diagramma preso in considerazione compare un limite di pressione identificato come static load range. Tale valore corrisponde al massimo sforzo di compressione per carichi stazionari entro il quale il prodotto antivibrante mantiene le proprie proprietà elastiche.

Infatti, ciascun materiale vibroisolante è in generale progettato per fornire la massima prestazione isolante entro il limite superiore del proprio range statico di carico.

Questo è un aspetto che va tenuto presente nella progettazione, in quanto la selezione del materiale dovrebbe essere orientata, oltre che al controllo dei cedimenti, anche allo sfruttamento al massimo delle caratteristiche che il prodotto può esprimere nel regime statico.

Questa logica di best fit dovrebbe quindi portare a selezionare un materiale che, per i carichi di progetto in essere, lavori in prossimità (ma assolutamente non oltre) del limite superiore del proprio range statico di carico.

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