Una guida all'analisi delle vibrazioni
Che cos'è l'analisi delle vibrazioni?
L'analisi delle vibrazioni raccoglie ed elabora dati sulle vibrazioni meccaniche di una macchina, di un componente o di una struttura. Si utilizza per rilevare vibrazioni anomale che possono indicare le condizioni generali dell'oggetto da testare. Molti strumenti e tecniche di analisi delle vibrazioni sono stati progettati per misurare, memorizzare ed estrarre informazioni sulle vibrazioni. Queste tecniche consentono il monitoraggio delle condizioni delle macchine e possono aiutare un'azienda a migliorare la produttività, a ridurre i costi e a produrre beni in modo più sostenibile.
Perché misurare le vibrazioni?
Lamisurazione delle vibrazioni offre una serie di vantaggi agli ingegneri addetti al monitoraggio dello stato di salute di strutture e componenti. Può consentire loro di reagire in tempo reale alle variazioni delle condizioni del componente e permette il monitoraggio remoto delle condizioni. Esistono anche tecniche consolidate di analisi delle vibrazioni che possono essere utilizzate nella manutenzione predittiva.
Le due applicazioni principali del monitoraggio delle vibrazioni sono la protezione dell'integrità strutturale di infrastrutture come ponti e condutture (per garantirne la sicurezza d'uso) e il monitoraggio di componenti come motori e cuscinetti per prolungarne il funzionamento e gestirne il ciclo di vita e la manutenzione.
- Vibrazioni nei motori e nelle altre parti in movimento
- Garantire l'integrità strutturale
Le vibrazioni possono anche verificarsi per via di motori e altri componenti in movimento. Sebbene sia normale che i motori generino piccole vibrazioni, le grandi vibrazioni o qualsiasi cambiamento delle stesse possono indicare problemi. Esistono diverse cause potenziali di vibrazioni del motore, tra cui squilibri dovuti a difetti dei componenti, ingranaggi disallineati, malfunzionamenti dei cuscinetti, usura generale dei cuscinetti e di altre parti o un motore fissato in modo allentato al suo supporto.
Le vibrazioni potrebbero indicare problemi che riducono l'efficienza energetica del motore, con conseguente aumento dei costi. Con l'aumento dei prezzi dell'energia, ci si preoccupa sempre più in tal senso. Tuttavia, i costi maggiori possono sorgere quando un motore si guasta. Oltre ai costi di sostituzione o riparazione, questo può interrompere la produzione, con una perdita di fatturato e ulteriori costi dovuti alla necessità di sostituire i materiali deteriorati.
Un altro utilizzo dell'analisi delle vibrazioni è finalizzato al monitoraggio dell'integrità strutturale di infrastrutture come ponti, tubature e turbine eoliche. Ad esempio, più le turbine eoliche sono grandi, più sono soggette a vibrazioni strutturali elevate. Misurare le vibrazioni "normali" della pala di una turbina eolica e poi confrontarle con le variazioni osservate in questo schema può evidenziare un problema strutturale, consentendo di affrontare il problema prima che provochi un guasto catastrofico.
La rottura di un componente può avvenire anche rapidamente, a causa delle vibrazioni indotte dall'applicazione di un carico d'urto, ovvero un carico transitorio che presenta un'ampiezza molto elevata per una breve durata. Le apparecchiature elettroniche, ad esempio, possono essere dotate di sensori per il rilevamento di urti e vibrazioni eccessive.
Come si misurano le vibrazioni?
I sensori di vibrazione sono dispositivi che misurano la forza e la frequenza di una vibrazione in un particolare componente o sistema. La frequenza della vibrazione indica la frequenza con cui questa si verifica. Il monitoraggio dei picchi di vibrazione può aiutare a trovare la causa principale del problema. I sensori di vibrazione registrano anche l'intensità delle vibrazioni: maggiore è la vibrazione dell'apparecchiatura, maggiore è l'intensità delle misurazioni.
Esistono diversi tipi di sensori di vibrazione, ognuno dei quali funziona in base a principi diversi e ha una propria applicazione. Alcuni richiedono il contatto diretto con il componente in esame, mentre altri possono rilevare le vibrazioni a distanza. Il tipo più comune di sensori di vibrazione è l'accelerometro, ma sono ampiamente utilizzati anche gli estensimetri e i sensori microfonici.
- Accelerometri
- Estensimetri
- Sensori microfonici
Gli accelerometri misurano le variazioni di velocità del componente. Le vibrazioni indicano una variazione di velocità, che induce l'accelerometro a produrre un segnale elettrico. Questi segnali possono essere elaborati per produrre dati di vibrazione utilizzabili. Gli accelerometri piezoelettrici sono i più utilizzati. Sono diffusi perché producono un segnale forte e chiaro alla maggior parte delle frequenze, sebbene anche gli accelerometri piezoresistivi stiano diventando sempre più comuni. Sono in grado di rilevare frequenze alte e basse, ma sono molto più costosi di quelli di tipo piezoelettrico.
Un altro metodo per contatto è rappresentato dagli estensimetri, che assumono la forma di una lamina applicata direttamente al componente. La lamina contiene una griglia elettricamente conduttiva, che si deforma quando il componente è sottoposto a vibrazioni. Tali deformazioni modificano la resistenza elettrica della griglia e, leggendo il tempo impiegato da una corrente elettrica per attraversarla, si può valutare la vibrazione dell'oggetto.
Per funzionare, gli estensimetri devono essere applicati correttamente alla superficie del componente, il che può rendere l'installazione un processo lungo.
Anche sensori microfonici sono piuttosto diffusi. Le vibrazioni creano un suono che spesso va oltre la portata dell'udito umano. I sensori microfonici sono in grado di rilevare le variazioni di questi suoni ad alta frequenza e rappresentano un metodo economico per fornire alcune informazioni di base. Vengono spesso utilizzati insieme agli accelerometri.
Esiste un'ampia gamma di sensori di vibrazione disponibili per soddisfare i requisiti di quasi tutte le applicazioni.
Quali sono le principali tecniche di analisi delle vibrazioni?
Una volta acquisiti i dati dai sensori, è necessario elaborarli per rilevare i problemi. Le tecniche di analisi delle vibrazioni si basano su tre metodi principali: accelerazione massima, analisi della frequenza e intelligenza artificiale. L'accelerazione massima esamina la quantità di movimento dell'oggetto vibrante, l'analisi della frequenza esamina la velocità con cui si verificano questi movimenti e l'intelligenza artificiale utilizza i dati per individuare modelli che potrebbero indicare dei guasti.
- Accelerazione massima
- Dominio della frequenza
- Intelligenza artificiale
L'accelerazione massima analizza le vibrazioni nel dominio del tempo. Traccia l'ampiezza della vibrazione dal punto più alto della forma d'onda registrata al punto più basso e la rapporta all'asse del tempo. Si ottiene così un dato sull'accelerazione in Gs. In quanto tasso di variazione della velocità, rappresenta le forze subite dall'apparecchiatura o dal componente. L'accelerazione pone un particolare accento sulle alte frequenze ed è uno strumento utile per valutare le condizioni dei cuscinetti.
La velocità è derivata dai dati di accelerazione e rappresenta la velocità di variazione dello spostamento. È una misura della fatica meccanica.
Le forme d'onda temporali mostrano un breve campione di dati di vibrazione grezzi, fornendo indicazioni sulle condizioni dei macchinari che non sono sempre facili da interpretare dallo spettro di frequenza.
Proprio come un brano musicale è composto da diverse frequenze, così anche le vibrazioni sperimentate da una macchina. Ad esempio, la vibrazione totale può essere composta da molte vibrazioni diverse provenienti dal motore, dal cuscinetto, dall'albero motore o da numerosi altri componenti. Per analizzare queste numerose frequenze, si utilizzano le trasformate di Fourier veloci (FFT). La tecnica decompone il segnale in tutte le sue frequenze costitutive, convertendolo dal dominio del tempo a quello della frequenza.
La trasformata di Fourier veloce viene utilizzata soprattutto per rilevare i guasti delle macchine, come il disallineamento o lo sbilanciamento.
I sistemi di misurazione delle vibrazioni possono raccogliere grandi quantità di dati. Questo rende difficile, per chi se ne occupa, analizzare e identificare i modelli. Una soluzione consiste nell'amplificare i loro sforzi utilizzando le tecniche di intelligenza artificiale (AI).
Poiché gli strumenti di intelligenza artificiale eccellono nelle attività di routine, possono esaminare istantaneamente ogni dato relativo alle vibrazioni e decidere se è irrilevante o se si tratta di un'anomalia che deve essere segnalata per ulteriore analisi. La capacità dei sistemi di intelligenza artificiale di utilizzare tecniche di apprendimento automatico fa sì che non debbano essere programmati per conoscere l'aspetto dei segnali anomali: possono studiare le vibrazioni regolari e quindi identificare quelli che differiscono da queste condizioni normali.
L'utilizzo dell'intelligenza artificiale per individuare i segnali di allarme nei dati può aiutare gli analisti delle vibrazioni a concentrarsi sullo sviluppo di piani per rispondere a tali segnali. L'intelligenza artificiale è quindi uno strumento importante per lo sviluppo di una cultura della manutenzione predittiva.
Utilizzo dell'analisi delle vibrazioni per la manutenzione predittiva
Molte organizzazioni si stanno orientando verso la manutenzione predittiva per massimizzare la disponibilità e la durata dei loro impianti di produzione. Questo differisce dalle tecniche tradizionali, come la manutenzione reattiva. In questo caso, l'asset viene riparato solo dopo il guasto, causando un'interruzione della produzione. Anche la manutenzione preventiva può rappresentare un elemento di disturbo, in quanto viene eseguita a intervalli prestabiliti e raccomandati e non quando la macchina lo richiede o i programmi di produzione lo consentono.
Prevedendo quando una macchina o un asset potrebbe guastarsi e quando intervenire per evitarlo, la manutenzione predittiva offre diversi vantaggi. Tra questi, la diminuzione della frequenza delle attività di manutenzione, la riduzione delle interruzioni non programmate e il risparmio di risorse.
L'uso della manutenzione predittiva è agevolato dall'utilizzo di un sistema computerizzato di gestione della manutenzione o CMMS, che centralizza le informazioni sulla manutenzione, facilita i processi e automatizza alcune attività per migliorare l'efficienza. Un CMMS ottimizza l'uso, la disponibilità e la durata di vita di attrezzature e macchinari per garantire la massima produttività e il ritorno sugli investimenti.
Uno dei principi della manutenzione predittiva consiste nell'identificare e monitorare le apparecchiature critiche. Può trattarsi di qualsiasi elemento o macchina che, qualora fosse fuori servizio, potrebbe causare gravi interruzioni della produzione, provocare un incidente di sicurezza significativo o comportare una violazione della legislazione sulla conformità ambientale. I motori sono ampiamente utilizzati nell'industria, alla base di molti processi, e quindi spesso possono essere considerati elementi critici. L'analisi continua delle vibrazioni dei motori e delle macchine che essi azionano o alimentano può aiutare a rilevare condizioni anomale, rivelando problemi di lubrificazione o usura eccessiva dei cuscinetti.
L'analisi delle vibrazioni può essere utilizzata anche per monitorare le condizioni di apparecchiature molto utilizzate, che vengono impiegate a ciclo continuo con poche pause. I sensori di vibrazione possono inviare avvisi quando le condizioni cambiano, in modo da ridurre al minimo le interruzioni.
Alcune macchine, come le apparecchiature di condizionamento, le gru o i recipienti di lavorazione, sono difficili da sottoporre a manutenzione perché si trovano in luoghi difficili da raggiungere, richiedono un lavoro in altezza o si trovano in aree pericolose per la salute. Il monitoraggio delle vibrazioni anomale consente di eseguire la manutenzione in orari più convenienti e di evitare che il personale entri inutilmente in aree potenzialmente rischiose.
