Come difendersi da vibrazioni e rumori - DALL'INDUSTRIA - Pantecnica
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DALL’INDUSTRIA
Come difendersi da vibrazioni e rumori
Le vibrazioni, gli urti ed i rumori sono Qualsiasi attività in cui sono coinvolte mac- rata; al cattivo funzionamento delle macchi-
da considerare come fattori inquinanti chine o attrezzature con masse in movimento ne e delle apparecchiature operanti nelle zo-
per la salute dell’uomo; è ovvia la produce vibrazioni, urti e rumori. Taluni feno- ne circostanti; al deterioramento delle strut-
meni naturali sono anch’essi fonte di oscilla- ture; ad influenzare negativamente la salute
necessità di intervenire per eliminarli
zioni, vibrazioni e rumori. Un attento sguardo dell’essere umano.
o ridurli a dimensioni accettabili, per attraverso la nostra vita quotidiana evidenzia Allo scopo si può intervenire: all’origine delle
ragioni sociali ed economiche. questa realtà che solo l’abitudine e l’indiffe- eccitazioni predisponendo un’adeguata equi-
renza può ridurre a fenomeno di dimensioni libratura delle masse in movimento; interpo-
trascurabili. nendo elementi effettivamente idonei per iso-
Le vibrazioni, gli urti, come pure i rumori o lare e/o smorzare le onde vibratorie, siano es-
Croce Fatigati, Pantecnica S.p.a frequenze strutturali di determinate caratte- se “attive” o “passive” (figura 1), gli urti ed
ristiche concorrono in misura determinante: al i rumori (o frequenze strutturali) trasmissibili
cattivo funzionamento delle macchine che li per via solida.
originano ed all’accorciamento della loro du-
Effetti negativi sull’uomo
È sempre in evoluzione la conoscenza delle
malattie contratte per causa delle vibrazioni
e dei rumori e la varietà delle alterazioni ren-
de difficile stabilire adeguate distinzioni. Al-
le vibrazioni ed ai rumori vengono attribuiti
numerosi tipi di disturbi e malattie professio-
nali, che a titolo puramente esemplificativo
citiamo: malessere fisico diffuso, nervosismo
e irritazioni con conseguenti disfunzioni neu-
rovegetative; affaticamento, nausea, scarsa
concentrazione, abbassamento generale del
rendimento, insonnia, disturbi all’apparato di-
gerente ed al sistema cardiovascolare.
L’insorgere di alterazioni artritiche alle articola-
zioni rientra tra le conseguenze ben note per
gli operatori di martelli pneumatici. I disturbi
al sistema uditivo sono la conseguenza più
immediata e diretta dei rumori di vario tipo e
frequenza. La sordità professionale fu ogget-
to di indagini già all’inizio del secolo scorso.
Effetti sulle macchine
e sulle apparecchiature
Le vibrazioni provocano la loro precoce usu-
ra ed il cattivo funzionamento, in un mecca-
nismo perverso di causa/effetto senza limi-
ti, con indubbio svantaggio per l’economia
produttiva.
Anche le strutture dei fabbricati, specialmen-
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RCI n.2/20141 Schema delle vibrazioni attive e passive.
delle frequenze in questione trasmissibili per
via solida.
Cedimento elastico
e caratteristica elastica
L’elemento elastico sottoposto al peso di
una massa subisce uno schiacciamento, det-
to freccia (f) o deflessione o cedimento ela-
stico. La freccia (f) è in stretto rapporto con
la caratteristica elastica (C) dell’elemento iso-
latore e con il peso della massa (P), secondo
la seguente relazione:
P P in daN
f= (cm o mm)
C C in daN (da N/mm)
te se sottoposte a impulsi vibrazionali o a ur- Urto (shock)
ti di rilevante ampiezza, subiscono effetti di L’urto è una scossa brusca provocata da una
rilievo a scapito della conservazione e quindi massa in movimento con repentino blocco Da questa relazione discende che in un si-
della durata. della velocità. Questa perturbazione è carat- stema in cui è noto il peso (P) della massa
terizzata dal fatto che la sua accelerazione si sospesa e la freccia (f) dell’elemento elasti-
Vibrazione sviluppa e decade in brevissimo tempo. co, si può determinare la caratteristica elasti-
La vibrazione di tipo meccanico può essere ca relativa (C):
definita una forza che, generata da momenti Rumore o frequenze strutturali
ciclici alternativi compressi, oscilla rispetto ad Queste perturbazioni sono originate da vei- P
C= (daN/cm o daN/mm)
un valore di riferimento di equilibrio statico. coli, da lavori di costruzione, da terremoti, dal f
Le caratteristiche salienti che definiscono la calpestio su pavimenti o su piattaforme, ecc.
vibrazione sono sostanzialmente due: la fre- Mentre l’isolamento delle vibrazioni mecca- Frequenza di eccitazione
quenza che si esprime in cicli/min o in giri/ niche, prodotte da forze perturbatrici cicliche La frequenza di eccitazione (nerr) è una caratte-
min, di un organo rotante o in cicli/sec (Hz) compresse, può essere calcolato applicando la ristica della macchina che la genera. È inoltre,
rappresenta il numero di cicli che la grandez- teoria delle vibrazioni, l’isolamento delle fre- funzione della velocità angolare delle masse
za oscillante compie nell’unità di tempo ed è quenze strutturali (rumori) è soggetto alla leg- rotanti prive di bilanciamento appropriato ed
determinata dalla massa e dalla sua rigidità; ge della meccanica ondulatoria e dipende da assume caratteristiche corrispondenti alla pe-
l’ampiezza o spostamento massimo rispetto differenti fattori. La loro intensità viene misu- riodicità dei movimenti. La frequenza di ecci-
all’asse di riferimento; il suo valore dipende rata in Decibel (dB) e la loro attenuazione è tazione è, generalmente, ad andamento sinu-
dall’intensità della forza che provoca l’oscil- determinata dalla rigidità acustica dei mate- soidale e coincide con il numero di giri o con
lazione e diminuisce all’aumentare della fre- riali attraverso i quali si propagano. il movimento ciclico delle masse.
quenza. La rigidità acustica è data dal prodotto: ve- Per evitare che le forze agenti provochino una
La vibrazione meccanica è tra i fenome- locità del suono per la densità del materiale. amplificazione dell’oscillazione, è necessario
ni disturbanti più comuni nelle installazio- Il cambiamento della rigidità acustica dei ma- che le forze stesse siano in un certo rapporto
ni industriali che comprendono macchine teriali attraversati provoca il fenomeno del- con la massa; maggiore è l’entità della forza
operatrici con masse aventi momenti cicli- la riflessione delle onde e la loro attenuazio- che genera la vibrazione e più grande deve
ci/alternati. ne. Nella specificità dei sistemi antivibranti a risultare la massa in gioco.
Ad essa viene fatto particolare riferimento nel- molla in acciaio, l’interposizione di elementi Da questa relazione deriva la necessità di ap-
la progettazione, nella scelta e nell’impiego viscoelastici migliora il grado di isolamento pesantire le masse con “masse inerziali”. In
degli antivibranti. delle vibrazioni e intercetta la propagazione questi casi la massa eccitata deve essere ri-
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RCI n.2/20142 Collegamento della massa eccitata con la massa inerziale.
gidamente collegata alla massa inerziale per del sistema stesso (quadri di controllo, com-
costituire un sistema unico e solidale da ap- puter, ecc.).
poggiare sugli elementi elastici antivibranti Si definisce passivo l’isolamento messo in atto
(figura 2). per evitare che macchine o apparecchiature
risultino influenzate da vibrazioni provenienti
Frequenza naturale dalle zone circostanti.
La frequenza naturale (ne) di una macchina o È isolamento passivo anche quello attuato per
sistema è quella alla quale la macchina stessa proteggere la salute umana da disturbi vibra-
vibra quando è appoggiata su elementi ela- zionali di varia natura e provenienza.
stici antivibranti, senza subire l’influenza di Un ottimale isolamento attivo generalmente
forze esterne. soddisfa le normali esigenze.
E’ strettamente legata alla massa del sistema Non sempre è possibile intervenire alla fon-
sospeso ed alla caratteristica elastica della so- te delle vibrazioni per effettuare l’isolamento
spensione antivibrante. attivo; in questi casi l’isolamento passivo risul-
Quando è nota la freccia (f), la frequenza na- ta indispensabile. È opportuno rilevare che le
turale (ne) può essere ricavata approssimati- vibrazioni, gli urti e le frequenze strutturali si
vamente sull’istogramma della figura 3 e vi- propagano facilmente attraverso le strutture,
ceversa. il terreno e i pavimenti.
Isolamento Grado di isolamento
L’isolamento dei fenomeni in argomento può Con particolare riferimento alle vibrazioni
essere di due tipi: attivo e passivo (vedi anco- meccaniche, un efficace isolamento delle vi-
ra figura 1). brazioni si ottiene facendo in modo che la
Si definisce attivo l’isolamento messo in atto frequenza naturale (ne) risulti inferiore alla fre-
3 Frequenza
per evitare che le vibrazioni prodotte da una quenza di eccitazione (nerr): coefficiente (λ).
naturale in
macchina o sistema si propaghino verso le Il grado di isolamento (η) sale in funzione del funzione
zone circostanti o verso organi facenti parte coefficiente (λ). della freccia.
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RCI n.2/20144 Relazione grafica fra il grado di isolamento (η) e il rapporto frequenze (λ)
Il parametro (η) esprime la percentuale di vi- te sulla sospensione e la deflessione o freccia
brazione che viene isolata dalla sospensione (f), relativamente ad un ciclo di oscillazione,
elastica e può essere ricavato in figura 4 do- si evolve come rappresentato nel grafico del-
ve è messo in relazione grafica con il rappor- la figura 5.
to frequenze (λ). All’assestamento del carico corrisponde un
Per un isolamento ottimale il valore (λ) do- aumento della freccia e la superficie (A) sot-
vrebbe essere compreso nel campo 2 ÷ 3 a tostante la linea di carico fino all’ascissa rap-
cui corrisponde un isolamento compreso tra presenta il lavoro di deformazione elastica
67% e 87%. della sospensione. Quando il carico decresce
In corrispondenza del rapporto frequenze si delinea una curva di scarico sfasata rispet-
uguale a 1, le frequenze stesse si sommano to a quella di carico per effetto di un (Δf).
in risonanza con risultati dirompenti. La superficie (B) compresa tra le due linee si
definisce di isteresi e corrisponde alla quantità
Smorzamento di energia dissipata, o smorzamento viscoso
Lo smorzamento delle vibrazioni non deve dell’elemento considerato; l’energia dissipa-
essere confuso con l’isolamento delle stesse. ta o smorzamento viscoso si trasforma in ca-
Come già illustrato, infatti, l’isolamento si ot- lore ed è la conseguenza dell’attrito interno
tiene solo con un appropriato accordo delle del materiale elastico. Il fenomeno descritto
frequenze. Gli antivibranti a molle in acciaio, si ripete per ogni ciclo dell’onda vibrazionale;
grazie alla loro capacità di avere importan- se il sistema sospeso elasticamente è libero
ti deflessioni sotto carico, realizzano ottima- ed in assenza di ulteriori impulsi perturban-
mente l’isolamento ma non lo smorzamento; ti, l’oscillazione si attenua sino ad annullarsi,
quest’ultimo, infatti, è ottenibile con materiali contrariamente a quanto accade in un siste-
viscoelastici (elastomeri) capaci di trasformare ma non viscoso, con una massa in oscillazio-
l’energia vibratoria in calore, secondo il cosid- ne armonica.
5 Isteresi di
detto fenomeno di “isteresi”. In un sistema Un elevato smorzamento è consigliabile nei un materiale
viscoelastico la relazione tra il carico gravan- casi di possibile risonanza per evitare che que- viscoelastico.
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RCI n.2/2014sta assuma valori inammissibili e provochi forti Le masse inerziali, abbassando la frequen-
oscillazioni della massa supportata dagli an- za naturale (ne) del sistema, facilitano l’isola-
tivibranti. Lo smorzamento non è ottenibile mento e la riduzione dei movimenti impropri,
con l’impiego di semplici antivibranti a molle l’abbassamento del baricentro del sistema per
in acciaio; viceversa combinando questi ultimi aumentarne la stabilità, riducono l’effetto di
con materiali viscoelastici si realizza lo smor- un’eventuale non uniforme distribuzione dei
zamento oltre all’isolamento. pesi e gli effetti delle forze di reazione.
Il peso della massa inerziale deve essere com-
Masse inerziali preso tra 1 e 3 volte quello della massa da iso-
La frequenza naturale (ne) di una massa appli- lare. L’efficacia di un blocco d’inerzia è pro-
cata su elementi antivibranti è inversamente porzionale alla sua massa. Le masse inerziali
proporzionale all’entità della massa stessa; ne sono positivamente impiegate nell’isolamen-
consegue che la frequenza naturale diminui- to attivo di pompe, ventilatori, compressori,
sce aumentando la massa con la cosiddetta “ presse battenti, presse di stampaggio, magli e
6 Posizionamento degli elementi massa inerziale” o “massa sismica”. qualsiasi macchina che produce urti e repenti-
antivibranti ad altezza più prossima Un blocco di cemento, opportunamente ar- ni aumenti di energia da smorzare attraverso
a quella del baricentro complessivo mato, collegato rigidamente alla macchina elementi antivibranti. È opportuno sottoline-
per ottenere una maggiore stabilità
da isolare e formante corpo unico con essa è are che gli antivibranti di qualsiasi tipo offro-
dell’insieme.
spesso sufficiente allo scopo. Gli antivibranti no le loro positive caratteristiche e prestazio-
saranno applicati tra la massa inerziale ed il ni a condizione che vengano correttamente
suolo portante. In taluni casi può rendersi ne- installati, oltreché correttamente scelti. Qua-
7 Normogramma di correlazione tra la cessario posizionare gli elementi antivibranti lunque sistema antivibrante deve essere mon-
frequenza di eccitazione (nerr), la frequen-
ad altezza più prossima a quella del baricentro tato come elemento indipendente, esente da
za naturale (ne) della massa applicata su
antivibranti, la freccia (f) o deflessione complessivo, al fine di ottenere una maggiore qualsiasi tensione rispetto alle parti circostanti.
elastica e il grado di isolamento % (η). stabilità dell’insieme (figura 6). Occorre notare che i materiali viscoelastici,
eventualmente impiegati per mi-
gliorare l’isolamento e per dissipa-
re le frequenze strutturali trasmis-
sibili per via solida, sono elettrica-
mente isolanti; nel loro impiego è
da considerare l’eventuale neces-
sità di provvedere alla “messa a
terra” della macchina.
Nel nomogramma in figura 7 sono
messi in relazione i fattori funzio-
nali di ogni possibile applicazione.
Partendo dai parametri noti (per
esempio, la frequenza di eccita-
zione (nerr) e/o il grado di isola-
mento desiderato (η)) è possibile,
approssimativamente, definire la
scelta degli elementi antivibranti
idonei, le cui caratteristiche elasti-
che, dimensionali e di portata so-
no, generalmente, oggetto delle
schede tecniche.
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