In che modo la risonanza delle vibrazioni influisce sulle prestazioni delle apparecchiature industriali?

La risonanza delle vibrazioni è l’amplificazione selettiva in frequenza che si verifica quando una forza ripetitiva eccita uno dei modi naturali della macchina assemblata. Nelle apparecchiature industriali, la risposta può ridurre la stabilità di posizionamento, allentare i giunti, sovraccaricare guide e cuscinetti, perturbare il movimento pneumatico, aumentare il rumore e accelerare la fatica. La frequenza di eccitazione, la forma modale, lo smorzamento e lo stato operativo determinano la gravità effettiva.

La risonanza non si diagnostica soltanto osservando uno scuotimento visibile. Il personale di manutenzione deve disporre di una firma vibrazionale ripetibile, correlata alla velocità della macchina, alla temporizzazione del ciclo, alla posizione, alla direzione e alla condizione operativa. Un unico valore complessivo di vibrazione non consente di stabilire se la causa sia risonanza, squilibrio, urto, allentamento, fluttuazione di pressione o un problema di controllo.

Punti chiave

• La norma ISO 13373 suddivide le attività sulle vibrazioni tra prassi di misura e analisi dei dati.
• Siemens mostra che 600 RPM corrispondono a un’eccitazione di primo ordine di 10 Hz.
• La risonanza si conferma seguendo un picco di risposta stretto mentre la velocità operativa lo attraversa.
• Correggere la forzante, la massa, la rigidezza, lo smorzamento o il percorso di trasmissione, quindi ripetere la stessa prova.

Per il compito distinto di calcolare la frequenza naturale di un attuatore pneumatico a partire da pressione e volume delle camere, area e massa in movimento, consultare la guida al calcolo della frequenza naturale pneumatica. Questo articolo si concentra sulle conseguenze a livello di macchina e sulla diagnosi sul campo.

Risonanza delle vibrazioni e relativo impatto sulle prestazioni

In un modello a un grado di libertà con smorzamento ridotto, la risposta alla risonanza è approssimativamente $Q \approx 1/(2\zeta)$, quindi un rapporto di smorzamento di 0.05 produce un’amplificazione di picco prossima a 10. NASA utilizza questa relazione per mostrare perché lo smorzamento limita una risposta risonante altrimenti molto marcata (guida NASA alle prove di vibrazione, 2017).

Qui, $Q$ è l’amplificazione risonante approssimativa e $\zeta$ è il rapporto di smorzamento adimensionale. Questa semplice relazione spiega il meccanismo, ma non prevede il livello di vibrazione di una macchina di produzione assemblata senza conoscere la forzante misurata, la forma modale e le condizioni al contorno.

La risonanza aumenta i carichi alternati, non si limita a produrre un rumore fastidioso. Una staffa può flettersi maggiormente a una determinata frequenza, un carrello può oscillare sulle guide oppure il supporto di un sensore può muoversi abbastanza da alterare un segnale di posizione. La stessa accelerazione misurata può inoltre corrispondere a sollecitazioni diverse in punti differenti, perché ogni modo presenta un proprio profilo di deformazione.

Le prestazioni dell’apparecchiatura possono cambiare in vari modi:

• la ripetibilità di posizionamento peggiora a una determinata velocità o frequenza di ciclo;
• elementi di fissaggio, raccordi, protezioni o connettori elettrici si allentano ripetutamente;
• pattini di guida, cuscinetti, guarnizioni o giunti sviluppano usura localizzata;
• una telecamera, uno strumento di misura o un sensore di prossimità restituisce dati instabili;
• l’urto a fine corsa diventa più violento perché la struttura è già in movimento;
• la qualità del prodotto cambia soltanto entro una stretta fascia di velocità operativa.

Le curve ricavate dal modello riportate sotto utilizzano la relazione standard della risposta forzata presentata nel materiale didattico del MIT sulle vibrazioni. Mostrano perché non esiste un «rapporto di smorzamento ottimale» universale per tutte le macchine (MIT OpenCourseWare, 2007).

Quali sintomi indicano la risonanza anziché una vibrazione generica?

La norma ISO 20816-1 valuta la vibrazione delle macchine tramite due indicatori generali: l’ampiezza della vibrazione e la variazione della vibrazione. Il sospetto di risonanza diventa più fondato quando l’ampiezza aumenta bruscamente entro una stretta fascia di velocità o di ciclo e torna a diminuire dopo che il punto operativo l’ha attraversata (ISO 20816-1, 2016).

Un valore complessivo elevato a ogni velocità può indicare un guasto persistente o una posizione di misura inadeguata. La risonanza presenta in genere un andamento selettivo in frequenza. La struttura risponde con intensità molto maggiore quando un’eccitazione attraversa uno dei suoi modi, sebbene contatti non lineari, carico variabile o comportamento del controllo possano allargare o spostare il picco.

Cercare riscontri ripetibili:

• il sintomo compare e scompare a valori simili di RPM, frequenza di ciclo o temporizzazione della valvola;
• una direzione o una posizione di misura aumenta molto più delle altre;
• la vibrazione cresce durante l’avviamento e diminuisce dopo che la macchina supera la fascia critica;
• la modifica del carico utile, della rigidezza di montaggio, della pressione dell’aria o della posizione dell’attuatore sposta il picco;
• durante il problema predomina una componente a banda stretta;
• gli errori di qualità o posizionamento seguono la stessa fascia operativa.

La sola vibrazione visibile non è sufficiente. Un pannello di protezione può apparire molto sollecitato perché è leggero e flessibile, mentre il telaio portante rimane accettabile. Al contrario, un piccolo spostamento in un giunto rigido può comunque generare una forza alternata elevata. Registrare la grandezza misurata e la posizione, invece di valutare la gravità a vista o in base al rumore.

Distinguere il comportamento autoeccitato della macchina dai carichi ambientali. La guida alla scelta per urti e vibrazioni ad alto G tratta le condizioni di qualifica imposte dall’esterno, mentre la guida alle vibrazioni nello stampaggio ad alta velocità affronta l’esposizione ripetuta ai cicli della pressa.

Risonanza, squilibrio, disallineamento, allentamento e urto sono guasti diversi

NI distingue quattro andamenti utili del segnale: comportamento a banda stretta di lunga durata, transitori brevi a banda larga, risonanza smorzata e segnali dipendenti dalla velocità, come lo squilibrio. Lo stesso valore complessivo di vibrazione può quindi celare meccanismi differenti: per questo occorre esaminare insieme forma d’onda temporale, spettro, RPM e temporizzazione del processo (NI, 2026).

Osservazione	Più coerente con	Prova successiva
picco stretto di ampiezza attraversato durante una variazione di velocità	risonanza	seguire frequenza, ampiezza e fase durante l’avviamento o l’arresto libero
componente marcata che segue 1× la velocità dell’albero	squilibrio o forzante sincrona con la velocità	confrontare le direzioni radiali e i riscontri di bilanciatura
componente 2× marcata con movimento assiale	possibile disallineamento	ispezionare giunto, piede zoppo, allineamento e fase
armoniche multiple con forma d’onda instabile	allentamento, gioco o sfregamento	ispezionare giunti, accoppiamenti, basamento e segni di contatto
brevi picchi a banda larga in istanti ripetibili	urto o collisione	allineare la forma d’onda temporale con l’evento della valvola, del prodotto o del finecorsa
oscillazione che cambia principalmente con il guadagno del regolatore	instabilità dell’anello di controllo	verificare retroazione, banda morta, campionamento, comportamento della valvola e taratura

Questi sono schemi di prima valutazione, non diagnosi automatiche. Una struttura allentata può generare una risonanza e lo squilibrio può fornire la forza che la eccita. Possono essere presenti più guasti contemporaneamente.

La distinzione utile è tra sorgente e risposta. Squilibrio, commutazione delle valvole, urti ripetuti e comandi di movimento sono possibili sorgenti. La risonanza è la risposta selettiva in frequenza del sistema assemblato. Riequilibrare la sorgente e modificare lo smorzamento strutturale risolvono parti diverse di questa catena.

Se la pressione sull’attuatore aumenta e diminuisce insieme al sintomo, confrontare anche i riscontri con la guida alle fluttuazioni di pressione pneumatica. Un’oscillazione di pressione può essere una sorgente di eccitazione senza dimostrare che la struttura della macchina sia in risonanza.

Quali misure confermano un’ipotesi di risonanza?

La norma ISO 13373-1 elenca dodici elementi procedurali per il monitoraggio delle vibrazioni, tra cui metodo di misura, parametro, scelta del trasduttore, posizione, fissaggio, acquisizione dei dati, condizione operativa, condizionamento del segnale e monitoraggio continuo o periodico. Questa ampiezza spiega perché una lettura isolata con uno strumento portatile non può, da sola, accertare un modo risonante (ISO 13373-1, 2002, confermata nel 2024).

Utilizzare una sequenza controllata sul campo:

1. Definire lo stato di guasto. Registrare prodotto, carico utile, posizione dell’attuatore, pressione, temperatura, RPM, frequenza di ciclo e modalità di controllo.
2. Scegliere punti ripetibili. Misurare vicino a cuscinetti, guide, piedi di montaggio, staffe dell’attuatore e utensile o sensore interessato.
3. Acquisire tre direzioni. I dati assiali, orizzontali e verticali aiutano a rivelare il movimento attivo.
4. Sincronizzare un riferimento. Registrare insieme alla vibrazione il segnale del tachimetro dell’albero, dell’encoder, del comando PLC, della valvola o della posizione del cilindro.
5. Salvare i dati nel tempo e in frequenza. Lo spettro mostra il contenuto in frequenza; la forma d’onda temporale evidenzia urti, saturazione, modulazione e temporizzazione.
6. Modificare in sicurezza una sola variabile. Variare la velocità, cambiare il carico utile, regolare la pressione o irrigidire un singolo supporto provvisorio nell’ambito di un piano di prova approvato.
7. Ripetere la misura di riferimento. Una correzione proposta è credibile soltanto quando produce un miglioramento nello stesso stato operativo.

La fase aiuta a distinguere gli schemi di movimento. Fluke osserva che la fase della vibrazione viene comunemente verificata a una frequenza specifica, come la velocità di rotazione, una risonanza del sistema o una frequenza di eccitazione esterna (Fluke, 2026).

Non eseguire una prova d’urto, una variazione di velocità, un irrigidimento provvisorio o un’eccitazione intenzionale senza una valutazione dei rischi approvata. Le prove di risonanza possono aumentare deliberatamente la risposta in prossimità di un modo critico.

In che modo la velocità di esercizio e il ciclo macchina generano l’eccitazione?

Siemens dimostra che 600 RPM corrispondono a 10 Hz e 6000 RPM a 100 Hz per un evento rotante di primo ordine. L’analisi degli ordini collega la vibrazione misurata alla velocità dell’albero, al passaggio delle pale, all’ingranamento, agli eventi dei pistoni o ad altri eventi per giro, invece di considerare stazionario ogni picco spettrale (Siemens, 2026).

La relazione è:

$f$ è la frequenza di eccitazione in hertz, $o$ è l’ordine o il numero di eventi per giro e $N$ è la velocità di rotazione in giri al minuto. Per una ventola a 6 pale a 6000 RPM, la frequenza dell’albero è 100 Hz e la componente di passaggio delle pale è 600 Hz, ossia di sesto ordine.

Per le macchine pneumatiche non rotanti, sostituire gli RPM con la frequenza dell’evento pertinente. Un cilindro che compie due cicli al secondo genera una frequenza fondamentale di 2 Hz, ma il suo profilo di accelerazione, la commutazione delle valvole, gli urti e il contatto con il prodotto possono contenere armoniche superiori. La risposta strutturale più intensa può manifestarsi a una di queste armoniche anziché alla frequenza di ciclo fondamentale.

Definire il rapporto di frequenza come:

$f_{\mathrm{exc}}$ è la frequenza di eccitazione e $f_n$ è una frequenza naturale del sistema installato. Un valore prossimo a uno identifica un possibile attraversamento, non dimostra una risonanza dannosa. Smorzamento, ampiezza della forza, forma modale, posizione di misura e contatto non lineare continuano a governare la risposta.

Gli attuatori pneumatici possono eccitare o spostare un modo della macchina

Un modello pubblicato di cilindro pneumatico considera le due camere chiuse come due molle pneumatiche che agiscono su un’unica massa in movimento. Questa condizione al contorno cambia quando una valvola collega una camera all’alimentazione o allo scarico; pressione, posizione del pistone, volume morto, stato della valvola e tubazione possono quindi modificare il contributo dinamico dell’attuatore (Doll, Neumann e Sawodny, 2015).

L’immagine è un’astrazione per la valutazione preliminare. Un attuatore e una macchina reali possono comprendere più masse, supporti cedevoli, guide, giunti, modi del telaio, attrito, dinamica del regolatore e rigidezza dipendente dalla pressione.

Un asse pneumatico può contribuire alla vibrazione tramite:

• accelerazione e decelerazione periodiche del carico utile;
• commutazione delle valvole e rapide variazioni della pressione nelle camere;
• urto sul pezzo o a fine corsa;
• massa del carrello o dell’attrezzatura che modifica il modo strutturale;
• rigidezza dell’aria intrappolata che varia con la posizione del pistone;
• cedevolezza del montaggio, carico disassato o guida insufficiente;
• tubazioni lunghe e ritardo del controllo che modificano la temporizzazione dell’eccitazione.

Che cosa dovrebbe cambiare durante una prova controllata? Se il picco di vibrazione si sposta al variare della pressione nella camera o della posizione del pistone, può essere coinvolta la rigidezza pneumatica. Se il picco si sposta cambiando il carico utile, la massa efficace è importante. Se il picco resta fisso ma la sua ampiezza cambia con la temporizzazione del ciclo, l’attuatore può eccitare un modo strutturale senza definirne la frequenza naturale.

Secondo la nostra esperienza, la prova A/B più chiara modifica un solo parametro fisico alla volta. Cambiare contemporaneamente carico utile, pressione, velocità e montaggio può ridurre il sintomo, ma nasconde quale meccanismo abbia effettivamente spostato la risposta.

Non utilizzare l’ammortizzazione come rimedio universale alla risonanza. L’ammortizzazione gestisce l’energia a fine corsa, mentre un modo della macchina può essere eccitato in qualsiasi punto del movimento. Se l’urto è l’evento dominante, confrontare i sintomi con la guida all’ammortizzazione dei cilindri pneumatici e con la guida al rapporto tra massa del carico e capacità di ammortizzazione.

Quale correzione applicare per prima?

La norma strutturale NASA identifica quattro parametri modali prima dell’analisi della risposta: frequenze naturali, forme modali, massa modale e smorzamento modale. Questo schema evita un errore comune nella manutenzione: aggiungere uno smorzatore o una massa prima di individuare il modo attivo e i punti in cui la struttura si muove effettivamente (NASA KSC-STD-Z-0004, 2021).

Scegliere una correzione mirata ai riscontri:

Intervento	Che cosa modifica	Riscontro pertinente	Cautela principale
modificare la velocità o il profilo del ciclo	frequenza di eccitazione e contenuto armonico	stretta fascia problematica attraversata durante il funzionamento	può spostare l’eccitazione su un altro modo
bilanciare, allineare o eliminare l’urto	ampiezza della forzante	ordine specifico della sorgente o transitorio temporizzato	la risonanza può restare, ma ricevere meno energia
irrigidire la staffa o accorciare la campata	frequenza naturale e forma modale	movimento misurato concentrato su un supporto cedevole	la maggiore rigidezza può trasferire il carico altrove
modificare il carico utile o la massa in movimento	frequenza naturale e inerzia	il picco si sposta al variare del carico	influisce sulla forza dell’attuatore, sulle guide, sulla frenatura e sulla struttura
aggiungere smorzamento	ampiezza del picco risonante	sono noti il modo attivo e la posizione di fissaggio	le prestazioni dello smorzatore possono variare con temperatura e frequenza
aggiungere isolamento	percorso di trasmissione	sorgente e ricevitore sono identificati	l’isolamento può amplificare il movimento al di sotto del proprio campo efficace
modificare montaggio o guida	rigidezza, allineamento e percorso del carico	sono misurati oscillazione, carico disassato o movimento del supporto	occorre mantenere l’integrità del circuito in pressione e della struttura

La correzione più sicura spesso elimina l’eccitazione prima di modificare la struttura. Se la sorgente della forzante è lo squilibrio o un urto ripetuto, la riparazione della sorgente riduce l’ingresso su diversi modi. Le modifiche strutturali diventano opportune quando la sorgente è necessaria e il modo attivo è stato identificato.

Negli impianti pneumatici, verificare la planarità di montaggio, lo stato degli elementi di fissaggio, l’allineamento delle guide e il disassamento del carico prima di cambiare la ferramenta del cilindro. La guida al montaggio dei cilindri senza stelo e la guida all’allineamento degli attuatori illustrano queste verifiche statiche.

La convalida richiede lo stesso stato operativo

La norma ISO 13373-2 organizza la comune analisi delle vibrazioni in due domini fondamentali, tempo e frequenza, e tratta anche l’affinamento ottenuto modificando le condizioni operative. Un confronto valido prima/dopo richiede quindi gli stessi punti dei sensori, lo stesso fissaggio, le stesse unità, lo stesso carico, profilo di velocità, pressione, temperatura e stato di controllo (ISO 13373-2, 2016).

Un valore RMS complessivo più basso non è sufficiente se il picco critico a banda stretta è aumentato. Esaminare almeno:

• valore complessivo nella stessa banda di frequenza;
• componenti spettrali e d’ordine;
• forma d’onda temporale per urti e saturazione;
• fase alla frequenza di interesse;
• posizione del picco durante avviamento o arresto libero;
• qualità del prodotto, errore di posizione, tempo di ciclo e pressione dell’attuatore;
• condizione di elementi di fissaggio, guide, guarnizioni, cuscinetti e temperatura dopo la prova.

Definire l’accettazione prima di modificare la macchina. Utilizzare le norme applicabili alla specifica apparecchiatura, i limiti del costruttore, la base storica, i requisiti del prodotto e la verifica strutturale. ISO 20816-1 è una guida generale; non stabilisce un unico limite universale di vibrazione per ogni cilindro, staffa, motore o macchina.

Seguire sia l’ampiezza sia la variazione. Una macchina può restare al di sotto di un allarme generico mentre si deteriora rapidamente rispetto alla propria base di riferimento. Può anche superare una soglia generica inadeguata pur funzionando normalmente secondo il proprio progetto. Documentare il metodo di misura e i suoi limiti.

Che cosa devono includere il registro di manutenzione e la RFQ?

La norma ISO 13373-1 richiede che siano definiti la condizione operativa, la posizione del trasduttore, il fissaggio, il parametro di misura e il metodo di acquisizione dei dati. Questi cinque campi rappresentano il contesto minimo necessario per confrontare i rilievi o chiedere a un fornitore di esaminare un attuatore, il montaggio, una guida, uno smorzatore o una modifica strutturale (ISO 13373-1, 2002).

Registrare:

• codici dell’impianto, dell’assieme e dei componenti;
• stato della macchina, prodotto, carico utile, posizione, pressione, temperatura e ciclo;
• riferimento RPM o frequenza degli eventi e canale di sincronizzazione;
• modello del sensore, stato di taratura, direzione, punto e metodo di montaggio;
• frequenza di campionamento, durata, intervallo di frequenza, finestra, mediazione e unità;
• file dei valori complessivi, dello spettro, degli ordini, della forma d’onda, della fase e dell’avviamento/arresto libero;
• fotografie o disegni che mostrino la posizione dei sensori e dei carichi;
• modifica effettuata, approvazione tecnica e misure di controllo del rischio della prova;
• risultati prima/dopo nello stesso stato;
• criticità residue e autorità responsabile dell’accettazione.

Per un fornitore di componenti pneumatici, aggiungere alesaggio, corsa, massa in movimento, profilo di velocità, dettagli di valvola e tubo, montaggio, disposizione delle guide, geometria del centro di carico, configurazione dell’ammortizzazione o dell’ammortizzatore d’urto e banda di frequenza di interesse. «Il cilindro vibra» non è sufficiente per un esame affidabile.

Un piano di manutenzione dovrebbe inoltre collegare il registro delle vibrazioni ai riscontri sui ricambi. La guida ai ricambi per la manutenzione predittiva spiega come trasformare gli indicatori di condizione in una decisione motivata di sostituzione e approvvigionamento.

FAQ sulla risonanza delle vibrazioni: che cosa dovrebbero chiedere gli acquirenti?

Il semplice modello NASA con eccitazione alla base colloca il passaggio all’isolamento dalle vibrazioni al di sopra di circa 1.41 volte la frequenza naturale, ma soltanto entro le ipotesi dichiarate di modo singolo. L’esempio sintetizza la risposta ricorrente alle FAQ: i rapporti di frequenza sono utili strumenti di valutazione preliminare, mentre le decisioni sulle apparecchiature reali richiedono modi, smorzamento, forzante e dati d’installazione misurati (NASA, 2017).

Ogni grande picco di vibrazione è una risonanza?

No. Anche urto, allentamento, squilibrio, disallineamento, sfregamento, variazione di pressione e instabilità del controllo possono generare vibrazioni elevate. La risonanza è più probabile quando compare un picco di risposta stretto mentre l’eccitazione attraversa una frequenza ripetibile e quando una variazione di massa, rigidezza, pressione o posizione sposta quel picco. Confermare l’andamento in punti sensore ripetibili.

È possibile identificare la risonanza con un’unica lettura vibrazionale portatile?

Di norma no. ISO 13373-1 sottolinea l’importanza del parametro di misura, della posizione e del fissaggio del sensore, della condizione operativa e dell’acquisizione dei dati. Confermare l’andamento con punti di misura ripetibili, dati sincronizzati di velocità o ciclo, forma d’onda temporale, spettro e, preferibilmente, un avviamento, un arresto libero o una variazione controllata della condizione operativa. Conservare i dati grezzi e l’esatto stato della macchina per il confronto.

L’aggiunta di massa riduce sempre la risonanza?

No. In genere, una massa aggiunta riduce la frequenza naturale di un modo, ma può spostarlo in un’altra banda di eccitazione, aumentare la forza dell’attuatore, sovraccaricare le guide o modificare la forma modale. Aggiungere o rimuovere massa soltanto dopo aver identificato il modo attivo e verificato l’intero percorso del carico meccanico e pneumatico, la capacità del montaggio, la richiesta di frenatura e l’intervallo delle velocità operative.

L’ammortizzazione del cilindro può eliminare la risonanza della macchina?

Non necessariamente. L’ammortizzazione gestisce l’energia in prossimità della fine corsa. La risonanza può essere eccitata da un’accelerazione a metà corsa, dalla commutazione delle valvole, dal contatto con il prodotto, da apparecchiature rotanti o da un modo strutturale. Prima di modificare la regolazione dell’ammortizzazione, il controllo della velocità, l’ammortizzatore d’urto o il profilo di movimento, verificare se la vibrazione sia un urto temporizzato o una risposta selettiva in frequenza.

Quando è necessario coinvolgere uno specialista di vibrazioni o un ingegnere strutturista?

Richiedere l’intervento di uno specialista quando la prova comporta un’eccitazione intenzionale, la risposta compromette un componente in pressione o una funzione di sicurezza, più modi si sovrappongono, sono presenti cricche o movimenti degli elementi di fissaggio, i limiti operativi sono ignoti oppure si propone una modifica strutturale. La diagnosi della risonanza e le prove modali richiedono personale qualificato, apparecchiature tarate, limiti di prova documentati e rischi controllati.

Fonti e riferimenti tecnici

• ISO 20816-1:2016, Misurazione e valutazione delle vibrazioni delle macchine. Consultato il 2026-07-27.
• ISO 13373-1:2002, Monitoraggio delle condizioni vibrazionali, procedure generali. Confermato nel 2024; consultato il 2026-07-27.
• ISO 13373-2:2016, Elaborazione, analisi e presentazione dei dati vibrazionali. Consultato il 2026-07-27.
• NASA, Prove di vibrazione di piccoli satelliti, Parte 1. Consultato il 2026-07-27.
• NASA KSC-STD-Z-0004, Progettazione e analisi strutturale. Consultato il 2026-07-27.
• MIT OpenCourseWare, risposta alle vibrazioni forzate. Consultato il 2026-07-27.
• NI, Analisi delle vibrazioni ed elaborazione dei segnali. Consultato il 2026-07-27.
• NI, Esempio di analisi degli ordini. Aggiornato nel 2025; consultato il 2026-07-27.
• Siemens Simcenter, Che cos’è un ordine?. Consultato il 2026-07-27.
• Doll, Neumann e Sawodny, Dimensionamento dei cilindri pneumatici per applicazioni di movimento. Consultato il 2026-07-27.
• Fluke, Fase nell’analisi delle vibrazioni. Consultato il 2026-07-27.