Inviluppo dell'accelerazione per il rilevamento di danni ai cuscinetti
Introduzione
In qualsiasi stabilimento di produzione o lavorazione, il guasto di un macchinario comporta conseguenze significative. La produttività e la redditività ne risentono solitamente e vi è anche un rischio per la salute e la sicurezza. Sorprendentemente, tuttavia, la causa del guasto viene raramente identificata. Al contrario, i cuscinetti danneggiati e guasti vengono spesso semplicemente sostituiti, nella speranza che durino più a lungo la volta successiva.
Tuttavia, i cuscinetti non si guastano senza un motivo. C'è sempre una spiegazione per il loro cedimento, che è solitamente riconducibile a una serie di cause: la macchina funziona in modo sbilanciato, disallineato o a una velocità critica; un cuscinetto non è stato montato correttamente; si è verificata una lubrificazione eccessiva o insufficiente; oppure è stato usato il lubrificante sbagliato.
Analisi delle vibrazioni
Quando problemi di questo tipo si verificano in apparecchiature industriali, vengono utilizzati accelerometri sensibili per rilevare e analizzare le vibrazioni. Questa tecnica è nota come analisi delle vibrazioni e può identificare il cedimento dei cuscinetti nelle primissime fasi, quando ad esempio è presente un difetto microscopico sulla pista di scorrimento.
Ciò consente di rilevare i problemi prima del guasto della macchina e di intervenire in via preventiva per ridurre al minimo i danni agli asset. C'è tuttavia un problema importante da segnalare riguardo a questa tecnica: il segnale identificativo viene solitamente soffocato da tutto il resto del rumore prodotto dalla macchina.
Cos'è l'envelope dell'accelerazione
È fondamentale rilevare i difetti dei cuscinetti il prima possibile per evitare che si trasformino in problemi più gravi, e un modo per ottenere ciò è utilizzare una tecnica di elaborazione dei segnali chiamata inviluppo dell'accelerazione.
Funziona filtrando progressivamente le parti indesiderate dello spettro delle vibrazioni fino a quando il segnale di un difetto del cuscinetto può essere chiaramente visto.
L'inviluppo dell'accelerazione è più comunemente usato nei sistemi di cuscinetti a rulli, ma può anche essere applicato in aree come motori elettrici e riduttori. È un fattore chiave nel successo dei programmi di manutenzione basata sulle condizioni.
Senza l'envelope dell'accelerazione, i team di manutenzione e gli ingegneri verranno a conoscenza dei danni e dei guasti solo quando le vibrazioni complessive aumentano, i lubrificanti sono contaminati e le temperature salgono. Quando ciò si verifica, la vita utile residua degli elementi della macchina danneggiati potrebbe essere breve e il danno potrebbe essere più esteso rispetto a quanto sarebbe avvenuto se i guasti fossero stati rilevati in precedenza.
Nelle ipotesi peggiori, i cuscinetti possono guastarsi e la macchina potrebbe rompersi prima che gli operatori si accorgano dei problemi o li risolvano.
Come funziona l'envelope di accelerazione
L'inviluppo di accelerazione è un processo a due stadi.
Il primo passaggio consiste nell'applicare un filtro passa-banda al mix di basse e alte frequenze della forma d'onda non filtrata di un cuscinetto difettoso. Questo isola solo le frequenze in cui si nasconde il segnale di interesse.
L'uscita filtrata identificherà segnali ripetitivi ad alta frequenza. Questi sono gli impatti degli elementi volventi che colpiscono il difetto del cuscinetto rotante.
Il secondo passaggio del processo consiste nel far passare l'output filtrato attraverso un avvolgitore, che raddrizza la forma d'onda invertendo la parte negativa in positiva ed estrae la frequenza di ripetizione dei rilasci di energia.
Questo inviluppo viene ora utilizzato come un vero e proprio segnale di vibrazione, aiutandolo a distinguersi dal rumore di fondo.
L'inviluppo aiuta a contenere segnali regolarmente spaziatisi come un singolo difetto su una pista, mentre altre cause di rumore, come lo sfregamento dell'albero, sono casuali e non produrranno picchi uniformemente spazionati.
È importante notare che è necessaria una certa esperienza per garantire che i passaggi di questo processo siano completati correttamente, in particolare quando si selezionano le frequenze di taglio alto e basso corrette.
Enveloping dell'accelerazione in azione
L'inviluppo dell'accelerazione è più comunemente usato nei sistemi di cuscinetti a vololamento ma può anche essere applicato in aree come motori elettrici e riduttori.
Si è ripetutamente dimostrato un fattore chiave per il successo dei programmi di manutenzione basata sulle condizioni. Sebbene sia utilizzato prevalentemente con segnali nello spettro dell'accelerazione, può essere impiegato anche per migliorare altre misurazioni, come l'impulso d'urto.
Esempio di applicazione: Envelope dell'accelerazione nelle turbine eoliche
La turbina eolica media ha circa ottomila componenti distinti. Tra questi, un gran numero è associato alla catena cinematica, riconosciuta come la principale causa di prolungati tempi di inattività.
L'usura degli ingranaggi e dei cuscinetti in particolare è nota per causare problemi e può portare a riparazioni costose. Il monitoraggio regolare delle vibrazioni può impedire che questi problemi si verifichino.
La complessità di una tipica turbina eolica rappresenta una sfida per il monitoraggio delle vibrazioni. Componenti come la turbina principale, il moltiplicatore di giri e il generatore producono firme di vibrazione uniche con ampiezze e frequenze diverse, che possono essere difficili da isolare e potrebbero essere mascherate dal rumore dei sistemi circostanti.
È qui che l'enveloping dell'accelerazione gioca un ruolo cruciale.
Selezione e installazione dei sensori per applicazioni eoliche
Per essere efficaci, gli accelerometri dovrebbero essere installati su tutte le parti rotanti principali di una turbina. Queste includono i cuscinetti principali, gli stadi di ingranaggio planetario, intermedio e ad alta velocità, il generatore e, idealmente, i movimenti trasversali e assiali della navicella.
Gli accelerometri devono essere selezionati in base alla frequenza dei segnali di inviluppo. Sulle trasmissioni delle turbine eoliche, in particolare sull'albero di uscita del generatore, le velocità di rotazione possono essere relativamente basse e potrebbero richiedere accelerometri AC a bassa frequenza per usi speciali con sensibilità comprese tra cento millivolt per g e cinquecento millivolt per g.
Ogni accelerometro deve essere montato saldamente su una base pulita e solida, il più vicino possibile al componente monitorato. Di norma vengono utilizzati attacchi standard M8.
I dati devono essere raccolti regolarmente e in modo coerente per consentire di identificare il prima possibile eventuali cambiamenti nelle condizioni operative o tendenze nel tempo.
I dati possono essere raccolti in loco utilizzando raccoglitori di dati portatili con software in grado di calcolare automaticamente l'involucro dell'accelerazione, oppure trasmessi a un centro di monitoraggio remoto per la successiva analisi.
Interpretazione dei dati di inviluppo dell'accelerazione
Una volta filtrato il segnale, le informazioni possono essere raccolte dall'accelerometro utilizzando un collettore di dati ed esaminate da uno specialista.
Sulla base dei dati, è possibile decidere se i lavori di manutenzione siano necessari immediatamente, se possano essere pianificati come parte dei programmi di routine o se non sia richiesta alcuna azione in quel momento.
Limiti dell'inviluppo di accelerazione
Nonostante l'envelope dell'accelerazione sembri essere la risposta definitiva per il rilevamento dei guasti ai cuscinetti, ci sono situazioni in cui potrebbe non essere l'opzione migliore.
La tecnica rileva i guasti che comportano interazioni ripetitive metallo contro metallo. Qualsiasi elemento che mascheri questo fenomeno, come guarnizioni o ammortizzatori, può escludere una macchina dal campo di applicazione dell'inviluppo di accelerazione.
Fattori chiave per il successo
Se un'applicazione è adatta all'inviluppo di accelerazione, diversi fattori contribuiscono a garantire i migliori risultati possibili.
Gli accelerometri devono essere selezionati con cura nell'intervallo di frequenza corretto per adattarsi all'applicazione specifica. Un fornitore esperto può assistere nella scelta tra accelerometri in corrente alternata e da quattro a venti milliampere.
Gli accelerometri devono essere montati correttamente, vicino al componente monitorato e su una superficie piana e pulita per garantire risultati coerenti. Un montaggio inadeguato riduce l'affidabilità e può rendere superflui i dati raccolti.
Una volta installati e calibrati, i dati delle letture dovrebbero essere rilevati a intervalli regolari per consentire un'analisi accurata dei trend. Ciò consente di identificare e affrontare un progressivo deterioramento delle condizioni prima che i danni ai cuscinetti peggiorino.
È importante comprendere che i dati sulle vibrazioni non forniscono una semplice risposta sì o no e richiedono esperienza per essere interpretati correttamente. In alcuni casi, l'ampiezza può ridursi nel tempo anche se il deterioramento continua.
L'utilizzo dell'enveloping dell'accelerazione come parte di una strategia più ampia
I vantaggi dell'envelope di accelerazione sono evidenti, ma non bisogna affidarsi ad esso come tecnica isolata.
Per ottenere i risultati più affidabili, l'envelope dell'accelerazione dovrebbe essere implementato come parte di un regime di monitoraggio e analisi più ampio. Combinato con le linee guida di questo documento, può aiutare gli ingegneri a salvaguardare la salute, le prestazioni e la produttività dei macchinari, prevenendo al contempo guasti e perdite di produzione.
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