In che modo le prestazioni dei sensori possono consentire soluzioni di monitoraggio basate sulle condizioni?

Per sfruttare queste nuove funzionalità e trarre vantaggio dal monitoraggio basato sulle condizioni, sono necessarie nuove soluzioni che devono essere accurate, affidabili e solide. In questo modo, il monitoraggio in tempo reale può andare oltre il semplice rilevamento di potenziali guasti delle apparecchiature e produrre informazioni approfondite e fruibili. Le prestazioni delle tecnologie di nuova generazione, combinate con le informazioni a livello di sistema, consentono una conoscenza più approfondita dell'applicazione e dei requisiti necessari per affrontare queste sfide.

Le vibrazioni, uno dei componenti chiave della diagnostica delle apparecchiature, sono già utilizzate in modo affidabile per monitorare le apparecchiature più critiche in un'ampia gamma di applicazioni industriali. Le diverse capacità diagnostiche e predittive necessarie per consentire soluzioni avanzate di monitoraggio delle vibrazioni sono ampiamente documentate. Al contrario, molto meno documentata è la relazione tra i parametri delle prestazioni del sensore di vibrazioni, come la larghezza di banda e la densità del rumore, e le capacità di diagnostica dei guasti delle applicazioni finali. In questo articolo si discute dei principali tipi di guasti delle apparecchiature nelle applicazioni di automazione industriale e si identificano i parametri chiave delle prestazioni del sensore di vibrazioni pertinenti a guasti specifici.

Di seguito sono riportati diversi tipi di guasti comuni con le relative caratteristiche che illustrano alcuni dei requisiti di sistema chiave da tenere in considerazione quando si sviluppa una soluzione di monitoraggio basata sulle condizioni. Sono inclusi, tra gli altri, squilibri, disallineamenti, guasti a ingranaggi e difetti di cuscinetti volventi.

Squilibrio

Che cos'è lo squilibrio e perché si verifica?

Lo squilibrio è una distribuzione non uniforme della massa che causa l'allontanamento del centro della massa del carico dal centro di rotazione. Gli squilibri del sistema possono essere causati da installazioni errate, come l'eccentricità dell'accoppiamento, errori di progettazione del sistema, guasti dei componenti e persino l'accumulo di detriti o altri contaminanti. Ad esempio, le ventole di raffreddamento integrate nella maggior parte dei motori a induzione possono sbilanciarsi a causa di un accumulo irregolare di polvere e grasso o per la rottura delle pale della ventola.

Perché un sistema squilibrato costituisce un problema?

I sistemi sbilanciati creano vibrazioni in eccesso che vengono meccanicamente accoppiate ad altri componenti del sistema, come cuscinetti, giunti e carichi, accelerando potenzialmente il deterioramento di componenti inizialmente in buone condizioni operative.

Come rilevare e diagnosticare uno squilibrio

Un aumento delle vibrazioni nel sistema può essere sintomatico di un guasto derivante da uno squilibrio, ma la diagnosi dell'origine del problema richiede l'esecuzione dell'analisi nel dominio della frequenza. I sistemi sbilanciati producono un segnale alla velocità di rotazione del sistema, generalmente indicata come 1×, con una grandezza proporzionale al quadrato della velocità di rotazione, F = m × w2. In generale, la componente 1× è sempre presente nel dominio della frequenza, quindi l'identificazione di un sistema sbilanciato viene effettuata misurando l'ampiezza di 1× e le armoniche. Se l'ampiezza di 1× è superiore alla misurazione della linea di base e le armoniche sono molto inferiori a 1×, è probabile che si tratti di un sistema sbilanciato. Inoltre, in un sistema sbilanciato è probabile che siano presenti componenti di vibrazioni sfasate sia orizzontalmente che verticalmente.

Quali specifiche del sistema devono essere prese in considerazione quando si diagnostica un sistema sbilanciato?

È necessario un basso rumore per ridurre l'effetto del sensore e consentire il rilevamento di piccoli segnali generati da un sistema sbilanciato. Ciò è importante per il sensore, il condizionamento del segnale e la piattaforma di acquisizione.

Per rilevare questi piccoli squilibri, il sistema di acquisizione deve avere una risoluzione sufficiente per estrarre il segnale, in particolare il segnale della linea di base.

La larghezza di banda è importante per acquisire informazioni significative, oltre alla velocità di rotazione, per migliorare l'accuratezza e l'affidabilità diagnostica. L'armonica 1× può essere influenzata da altri guasti del sistema, come disallineamenti o allentamenti meccanici, quindi l'analisi delle armoniche della velocità di rotazione, o della frequenza 1×, può aiutare a distinguerla dal rumore del sistema e altri potenziali guasti. Per le macchine a rotazione più lenta, le velocità di rotazione di base possono essere molto inferiori a 10 rpm, il che significa che la risposta a bassa frequenza del sensore è fondamentale per acquisire le velocità di rotazione di base. La tecnologia dei sensori MEMS di Analog Devices permette di rilevare segnali fino a CC e offre la possibilità di misurare apparecchiature a rotazione più lenta, consentendo anche di misurare ampie larghezze di banda per contenuti a frequenza più elevata tipicamente associati a guasti di cuscinetti e ingranaggi.

Figura 1. In caso di aumento dell'ampiezza alla velocità di rotazione, o alla frequenza 1×, esiste il rischio di uno squilibrio del sistema.

Disallineamento

Che cos'è il disallineamento e perché si verifica?

Come suggerisce il nome, il disallineamento del sistema si verifica quando due alberi rotanti non sono allineati tra loro. Nella Figura 2 è illustrato un sistema ideale dove si ottiene l'allineamento partendo dal motore, quindi l'albero, il giunto e il carico (in questo caso una pompa).

Figura 2. Un sistema con allineamento ideale.

I disallineamenti possono verificarsi sia in direzione parallela che angolare o in una combinazione di entrambi (vedere la Figura 3). Un disallineamento parallelo si verifica quando i due alberi vengono spostati orizzontalmente o verticalmente. Un disallineamento angolare si verifica quando uno dei due alberi è inclinato rispetto all'altro.

Figura 3. Esempi di disallineamento: (a) angolare, (b) parallelo o una combinazione dei due.

Perché il disallineamento costituisce un problema?

Gli errori di disallineamento possono avere un impatto sull'intero sistema costringendo i componenti a funzionare sotto sollecitazioni o carichi più elevati rispetto a quelli per cui erano stati progettati, il che può causare guasti prematuri.

Come rilevare e diagnosticare i disallineamenti

I disallineamenti di solito si manifestano come la seconda armonica della velocità rotazionale del sistema, indicata come 2×. La componente 2× non è sempre presente nella risposta in frequenza, ma se lo è, il rapporto tra la grandezza e 1× può essere utilizzato per determinare la presenza di eventuali disallineamenti. Disallineamenti maggiori possono causare armoniche fino a 10×, a seconda del tipo di disallineamento, della posizione di misurazione e delle informazioni sulla direzione. Nella Figura 4 sono evidenziate le firme associate a potenziali errori di disallineamento.

Figura 4. Un'armonica 2× in aumento, insieme ad armoniche di ordine superiore in aumento, indica un potenziale disallineamento.

Quali specifiche del sistema devono essere prese in considerazione quando si diagnostica un disallineamento del sistema?

Il rilevamento di disallineamenti minori richiede un basso rumore e una risoluzione sufficiente. I tipi di macchina, i requisiti di sistema e di processo e le velocità di rotazione determinano le tolleranze consentite per i disallineamenti.

È necessario disporre di una larghezza di banda sufficiente per acquisire una gamma di frequenze sufficiente e migliorare l'accuratezza e l'affidabilità diagnostica. L'armonica 1× può essere influenzata da altri guasti del sistema, come il disallineamento, pertanto l'analisi delle armoniche della frequenza 1× può aiutare a distinguerla da altri guasti del sistema. Ciò è particolarmente vero per le macchine con velocità rotazionale più elevata. Ad esempio, le macchine che funzionano a più di 10.000 giri/min, come le macchine utensili, richiedono generalmente informazioni sulla qualità superiori a 2 kHz per rilevare gli squilibri in modo accurato e affidabile.

Anche le informazioni multidirezionali migliorano l'accuratezza della diagnostica e forniscono informazioni sul tipo e sulla direzione del disallineamento.

La fase del sistema, unita alle informazioni sulle vibrazioni direzionali, migliora ulteriormente la diagnosi di un errore di disallineamento. Misurando le vibrazioni in diversi punti della macchina e osservando la differenza tra le misurazioni di fasi o sull'intero sistema è possibile capire il tipo di disallineamento, ovvero se angolare, parallelo o una combinazione dei due.

Difetti di cuscinetti ad elementi volventi

Che cosa sono i difetti dei cuscinetti ad elementi volventi e perché si verificano?

I difetti dei cuscinetti a elementi volventi sono in genere il risultato di sollecitazioni indotte meccanicamente o problemi di lubrificazione che creano piccole crepe o difetti all'interno dei componenti meccanici dei cuscinetti, con conseguente aumento delle vibrazioni. Nella Figura 5 sono illustrati alcuni esempi di cuscinetti a elementi volventi e alcuni difetti che possono verificarsi.

Figura 5. Esempi di cuscinetti a elementi volventi (in alto) e difetti dovuti a lubrificazione e corrente di scarica (in basso).

Perché i difetti dei cuscinetti a elementi volventi costituiscono un problema?

I cuscinetti a elementi volventi si trovano in quasi tutti i tipi di macchinari rotanti, da grandi turbine a motori rotanti più lenti, da pompe e ventole relativamente semplici a mandrini CNC ad alta velocità. I difetti dei cuscinetti possono essere un segno di lubrificazione contaminata (Figura 5), installazioni errate, correnti di scarica ad alta frequenza (Figura 5) o aumento del carico del sistema. Questi guasti possono avere conseguenze catastrofiche per il sistema e causare gravi danni ad altri componenti del sistema.

Come vengono rilevati e diagnosticati i difetti dei cuscinetti a elementi volventi?

Esistono diverse tecniche per diagnosticare i guasti dei cuscinetti, tuttavia a causa delle caratteristiche fisiche della progettazione dei cuscinetti, il calcolo della frequenza dei difetti di ciascun cuscinetto può variare in base a parametri geometrici, alla velocità di rotazione e al tipo di difetto, facilitando la diagnosi. Le frequenze dei difetti dei cuscinetti sono riportate nella Figura 6.

Figura 6. Le frequenze dei difetti dei cuscinetti dipendono dal tipo di cuscinetto, dai parametri geometrici e dalle velocità di rotazione.

L'analisi dei dati delle vibrazioni di una macchina o di un sistema particolare spesso si basa su una combinazione di analisi nel dominio del tempo e della frequenza. L'analisi nel dominio del tempo è utile per rilevare le tendenze in termini di aumento generale dei livelli di vibrazioni del sistema. Tuttavia, queste analisi contengono pochissime informazioni diagnostiche. L'analisi nel dominio della frequenza migliora i dati diagnostici, ma l'identificazione delle frequenze del guasto può essere complessa a causa dell'influenza di altre vibrazioni del sistema.

Per la diagnosi precoce dei difetti dei cuscinetti, le armoniche delle frequenze dei difetti aiutano a identificare i difetti nella fase iniziale, in modo che possano essere monitorati e sottoposti a manutenzione prima di conseguenze catastrofiche. Per rilevare, diagnosticare e comprendere le implicazioni di sistema di un difetto del cuscinetto, tecniche come il rilevamento dell'inviluppo, mostrato nella Figura 7, unite all'analisi spettrale nel dominio della frequenza forniscono in genere informazioni più approfondite.

Figura 7. Tecniche come il rilevamento dell'inviluppo possono consentire di ricavare tempestivamente le firme dei difetti dei cuscinetti dai dati sulle vibrazioni ad ampia larghezza di banda.

Quali specifiche del sistema devono essere prese in considerazione quando si diagnostica un difetto di un cuscinetto a elementi volventi?

Un basso rumore e una risoluzione sufficiente sono fondamentali per rilevare i difetti dei cuscinetti non appena si manifestano. Di solito, le firme di questi difetti sono di bassa ampiezza in questa fase. Lo slittamento meccanico, inerente alla tolleranza nella progettazione dei cuscinetti, riduce ulteriormente l'ampiezza delle vibrazioni distribuendo le informazioni sull'ampiezza su più bin nella risposta in frequenza di un cuscinetto, richiedendo pertanto un rumore basso per rilevare i segnali in anticipo.

La larghezza di banda è fondamentale per il rilevamento tempestivo dei difetti dei cuscinetti. Ogni volta che il difetto viene toccato durante un giro viene creato un impulso con contenuto ad alta frequenza (vedere la Figura 7). Per rilevare questi guasti in modo tempestivo vengono monitorate le armoniche delle frequenze dei difetti dei cuscinetti, e non la velocità di rotazione. A causa della relazione tra le frequenze dei difetti del cuscinetto e le velocità di rotazione, queste firme precoci possono verificarsi nell'intervallo di diversi kilohertz ed estendersi ben oltre l'intervallo da 10 kHz a 20 kHz. Anche per le apparecchiature a bassa velocità, la natura stessa dei difetti dei cuscinetti richiede larghezze di banda più ampie per il rilevamento tempestivo, in modo da evitare che le risonanze e il rumore del sistema possano influire sulle bande di frequenza più basse.

Anche l'intervallo dinamico è importante per il monitoraggio dei difetti dei cuscinetti poiché i carichi e i difetti del sistema possono influire sulle vibrazioni avvertite dal sistema. Carichi maggiori portano a un aumento delle forze che agiscono sul cuscinetto e sul difetto. I difetti dei cuscinetti creano anche impulsi che eccitano le risonanze strutturali, amplificando le vibrazioni avvertite dal sistema e dal sensore. Quando le macchine accelerano o rallentano in condizioni di arresto/avvio o durante il normale funzionamento, le velocità variabili rendono possibile l'eccitazione delle risonanze del sistema e una maggiore ampiezza delle vibrazioni. La saturazione del sensore può causare una perdita delle informazioni, diagnosi errate e, nel caso di determinate tecnologie, danni agli elementi del sensore.

Difetti degli ingranaggi

Che cosa sono i difetti degli ingranaggi e perché si verificano?

I guasti agli ingranaggi si verificano di solito nei denti di un meccanismo a ingranaggi a causa di usura, sfaldamento o formazione di cavità. Possono comparire sotto forma di crepe alla base dei denti o come perdita di metallo dalla superficie del dente. Possono essere causati da usura, carichi eccessivi, scarsa lubrificazione, gioco degli ingranaggi e, occasionalmente, installazione errata o difetti di fabbricazione.

Perché i guasti agli ingranaggi costituiscono un problema?

In quanto principali elementi di trasmissione di potenza in molte applicazioni industriali, gli ingranaggi sono soggetti a pressioni e carichi significativi. La loro integrità è fondamentale per il corretto funzionamento dell'intero sistema meccanico. Un esempio ben noto di ciò nel campo delle energie rinnovabili è il fatto che il principale fattore dei tempi di fermo delle turbine eoliche (e la conseguente erosione dei ricavi) è il guasto del riduttore multistadio nel gruppo motopropulsore principale. Considerazioni simili si applicano alle applicazioni industriali.

Come vengono rilevati e diagnosticati i guasti agli ingranaggi?

I guasti agli ingranaggi sono difficili da rilevare a causa della difficoltà di installare sensori di vibrazioni in prossimità del guasto e della presenza di un rumore di fondo significativo prodotto da diverse eccitazioni meccaniche all'interno del sistema. Ciò è particolarmente vero nei sistemi di ingranaggi più complessi, in cui possono esserci più frequenze di rotazione, rapporti di trasmissione e frequenze di ingranamento. Di conseguenza, è possibile adottare diversi approcci complementari per rilevare i guasti degli ingranaggi, come l'analisi delle emissioni acustiche, l'analisi della firma della corrente e l'analisi dei residui di lubrificazione.

Per quanto riguarda l'analisi delle vibrazioni, la scatola del cambio è la posizione di montaggio tipica per un accelerometro, con la modalità di vibrazioni dominante nella direzione assiale. Gli ingranaggi in buone condizioni producono una firma di vibrazioni a una frequenza nota come frequenza di ingranamento. Questa frequenza è uguale al prodotto della frequenza dell'albero per il numero di denti dell'ingranaggio. In genere esistono anche alcune bande laterali di modulazione associate alle tolleranze di produzione e assemblaggio. Ciò è illustrato per un ingranaggio in buone condizioni nella Figura 8. Quando si verifica un guasto localizzato come la rottura di un dente, il segnale di vibrazioni in ogni giro includerà la risposta meccanica del sistema a un impatto di breve durata a un livello di energia relativamente basso. Si tratta in genere di un segnale a banda larga e di bassa ampiezza, solitamente considerato non periodico e non stazionario.

Figura 8. Spettro di frequenza di un ingranaggio in buone condizioni con velocità dell'albero motore a ~1000 rpm, velocità dell'ingranaggio a ~290 rpm e 24 denti dell'ingranaggio.

A causa di queste caratteristiche particolari, non si ritiene che le tecniche di dominio della frequenza standard possano essere utilizzate per identificare con precisione i guasti degli ingranaggi. L'analisi spettrale potrebbe non essere in grado di rilevare tempestivamente i guasti agli ingranaggi perché la modulazione della banda laterale contiene l'energia dell'impatto così come l'energia proveniente da altre coppie di ingranaggi e componenti meccanici. Le tecniche nel dominio del tempo, come la media sincrona nel tempo, o gli approcci nel dominio misto, come l'analisi wavelet e la demodulazione dell'inviluppo, sono generalmente più appropriate.

Quali specifiche del sistema devono essere prese in considerazione quando si diagnostica un guasto agli ingranaggi?

Per il rilevamento dei guasti agli ingranaggi, di solito è molto importante un'ampia larghezza di banda, poiché il numero di denti dell'ingranaggio funge da moltiplicatore nel dominio della frequenza. Anche per sistemi relativamente lenti, la gamma di frequenze di rilevamento richiesta sale rapidamente nella area di kHz multipli. Inoltre, i guasti localizzati ampliano ulteriormente i requisiti della larghezza di banda.

Risoluzione e basso rumore sono fondamentali per diversi motivi. La difficoltà di montare i sensori di vibrazioni in prossimità della zona del guasto comporta una probabile maggiore attenuazione dei segnali di vibrazioni provenienti dai sistemi meccanici, pertanto il rilevamento di segnali a bassa energia diventa ancora più importante. Inoltre, poiché i segnali di vibrazioni non sono segnali periodici statici, non è possibile affidarsi esclusivamente alle tecniche FFT standard per ricavare segnali di bassa ampiezza da un rumore di fondo elevato; anche il rumore di fondo del sensore stesso deve essere basso. Ciò è particolarmente vero in un ambiente di ingranaggi in cui si uniscono più firme di vibrazioni provenienti da diversi elementi dell'ingranaggio. Un'altra cosa da aggiungere è l'importanza del rilevamento precoce, non solo per la protezione delle risorse, ma anche per il condizionamento del segnale. È stato dimostrato che quando si verifica un guasto a causa della rottura di un dente, la gravità delle vibrazioni può essere maggiore rispetto a quando si verifica un guasto per la rottura di due o più denti dell'ingranaggio, il che implica che il rilevamento potrebbe essere relativamente più facile nelle fasi iniziali.

Riepilogo

Guasti comuni, come squilibri, disallineamenti, difetti dei cuscinetti a elementi volventi e guasti ai denti degli ingranaggi sono solo alcuni dei tanti tipi di guasti che possono essere rilevati e diagnosticati utilizzando sensori di vibrazioni ad alte prestazioni. Prestazioni più elevate del sensore, insieme a opportune considerazioni sul sistema, consentono di implementare soluzioni di monitoraggio basate sulle condizioni di nuova generazione che forniranno informazioni approfondite sul funzionamento meccanico di un'ampia gamma di apparecchiature e applicazioni industriali. Queste soluzioni trasformeranno il modo in cui viene eseguita la manutenzione e il funzionamento delle macchine, riducendo i tempi di inattività, migliorando l'efficienza e fornendo nuove funzionalità per le apparecchiature di nuova generazione.