Approfondimento sulle vibrazioni dei cuscinetti

Una sofisticata tecnica di elaborazione dei segnali può aiutare a individuare con precisione il guasto dei cuscinetti in una fase precoce. Lo spiega Chris Hansford, Managing Director di Hansford Sensors.

Gli operatori esperti riescono spesso a capire se una macchina non funziona correttamente dal fatto che ‘non suona bene’. Lo stesso principio può essere applicato – utilizzando l'elettronica moderna – per identificare l'esatta causa del problema.

Accelerometri sensibili possono rilevare e analizzare le vibrazioni provenienti da apparecchiature industriali, evidenziando problemi come il disallineamento o lo squilibrio dei cuscinetti. La tecnica è nota come analisi delle vibrazioni. Essa è in grado di identificare il cedimento dei cuscinetti nelle primissime fasi, quando è presente un difetto microscopico sulla pista, ad esempio. Il problema è che il segnale di identificazione viene solitamente sommerso da tutto l'altro rumore proveniente dalla macchina.

Dispositivo di filtraggio

È fondamentale individuare questo tipo di difetti il prima possibile, per evitare che si trasformino in problemi più gravi. Un modo per individuare il segnale di interesse, filtrando il ‘rumore’, è utilizzare una tecnica di elaborazione del segnale chiamata envelope dell'accelerazione (o inviluppo dell'accelerazione). Essa funziona filtrando progressivamente le parti indesiderate dello spettro di vibrazione fino a quando il segnale di un difetto del cuscinetto può essere chiaramente visto, estraendo vibrazioni ripetitive di basso livello dal rumore circostante.

La forma d'onda non filtrata di un cuscinetto difettoso è un misto di basse e alte frequenze, senza alcuno schema evidente. Il primo passo consiste nell'applicare un filtro passa-banda, che isola solo le frequenze in cui si nasconde il segnale di interesse. È necessaria una certa esperienza per sapere come scegliere le frequenze di passa-alto e passa-basso.

L'uscita filtrata identificherà segnali ripetitivi ad alta frequenza, sebbene siano necessari ulteriori passaggi per individuare quello specifico del difetto del cuscinetto. Prima di tutto, la forma d'onda viene raddrizzata – invertendo la parte negativa in positiva – e questa viene poi inviluppata (o demodulata) tracciando una linea sopra la forma generale del segnale raddrizzato. Questo ‘inviluppo’ viene ora utilizzato come un vero e proprio segnale di vibrazione, aiutandolo a emergere dal rumore.

L'inviluppo aiuta a contenere segnali regolarmente spaziati, come un singolo difetto su una pista. Altre cause di rumore, come lo sfregamento dell'albero, sono casuali e quindi non produrranno picchi uniformemente spaziati.

Tecnica in azione

L'envelope dell'accelerazione è comunemente usato nei sistemi di cuscinetti a volantinamento, 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 (CBM).

Sebbene l'enveloping sia più comunemente usato con i segnali nello spettro dell'accelerazione, può essere utilizzato per migliorare altre misurazioni, come l'impulso d'urto.

Una volta filtrato il segnale, le informazioni possono essere raccolte dall'accelerometro utilizzando un collettore di dati, pronte per essere esaminate e interpretate da uno specialista, il quale può decidere se è necessario un intervento di manutenzione immediato o se questo può essere pianificato nell'ambito delle scadenze di routine.

Nonostante l'envelope dell'accelerazione possa sembrare la risposta definitiva per il rilevamento dei guasti ai cuscinetti, non può essere applicato universalmente a qualsiasi macchina. La tecnica rileva guasti che comportano interazioni ripetitive metallo-metallo. Qualsiasi cosa che mascheri questo fenomeno, come guarnizioni o ammortizzatori, può rendere una macchina non idonea al suo utilizzo.

Fattori di successo

Se un'applicazione è adatta all'inviluppo, diversi fattori contribuiranno a garantire risultati migliori. Innanzitutto, gli accelerometri per la misurazione del segnale a basso livello devono essere selezionati con cura – nell'intervallo di frequenza appropriato – per soddisfare le esigenze della particolare macchina o applicazione.

In secondo luogo, gli accelerometri devono quindi essere montati correttamente: vicino al componente monitorato, 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 gli accelerometri, è opportuno effettuare letture dei dati a intervalli regolari per un certo periodo di tempo, così da consentire la produzione di analisi di tendenza accurate. Ciò consente, ad esempio, di identificare una condizione in costante deterioramento.

È importante comprendere che le informazioni fornite non costituiscono una semplice risposta ‘sì/no’ e richiedono una certa abilità ed esperienza per essere interpretate: l'ampiezza di una condizione in peggioramento può infatti ridursi nel tempo, ad esempio, man mano che l'imperfezione diventa leggermente più liscia.

I potenziali benefici dell'inviluppo dell'accelerazione sono evidenti, ma sarebbe imprudente affidarsi unicamente a questa tecnica. Implementarla come parte di un regime di monitoraggio e analisi più ampio può essere molto più efficace, aiutando i tecnici d'impianto a salvaguardare la salute, le prestazioni e la produttività di tutti i beni sotto la loro cura.

Envelope di accelerazione in azione

Secondo il Global Wind Energy Council, alla fine del 2014 erano in funzione 268.000 turbine eoliche, ciascuna delle quali dotata in media di 8.000 componenti distinti. Tra questi, un gran numero è associato alla catena cinematica, riconosciuta separatamente come la principale causa di prolungati tempi di inattività. È noto che l'usura, in particolare nei riduttori e nei cuscinetti, causa problemi. Sebbene l'usura tenda a essere graduale piuttosto che catastrofica, può nondimeno portare a riparazioni costose che, in termini di fermo macchina unito alla possibile necessità di attrezzature di sollevamento pesanti, sostituzione del riduttore o riavvolgimento del generatore, costano molto di più del semplice costo di un cuscinetto o di un ingranaggio di ricambio. Un regolare monitoraggio delle vibrazioni può prevenire il verificarsi di questi problemi.

La complessità di una turbina eolica tipica rappresenta tuttavia una sfida per il monitoraggio delle vibrazioni. Ad esempio, la turbina principale, il moltiplicatore di giri e il generatore hanno spesso più di 15 cuscinetti a elementi volventi installati, mentre il moltiplicatore di giri incorpora una serie di stadi, ciascuno con più ingranaggi. Questi componenti generano firme di vibrazione uniche, con diverse ampiezze e frequenze, che possono essere difficili da isolare l'una dall'altra e che possono essere mascherate dal rumore dei sistemi circostanti.

Ecco dove una tecnica come l'accelerazione in inviluppo può giocare un ruolo cruciale, consentendo agli analisti delle vibrazioni e agli ingegneri di manutenzione di separare le firme delle vibrazioni e identificare i cambiamenti nelle condizioni del segnale, che possono indicare un'usura crescente.

Per essere efficace, l'envelope dell'accelerazione richiede l'uso di accelerometri multipli, montati su tutte le parti rotanti chiave. Questi includono i cuscinetti principali, gli stadi di ingranaggio planetario, intermedio e ad alta velocità, il generatore (cuscinetti interni ed esterni) e idealmente i movimenti trasversi e assiali della navicella.

In ogni caso, vi sono diversi fattori critici che devono essere presi in considerazione. In particolare, ciascun accelerometro deve essere montato saldamente su una base pulita e solida, e il più vicino possibile al componente monitorato; normalmente vengono utilizzati attacchi standard M8. È inoltre importante raccogliere i dati in modo coerente, per consentire di identificare accuratamente qualsiasi cambiamento nelle condizioni operative o nelle tendenze nel tempo alla prima occasione possibile.

Va inoltre notato che la frequenza dei segnali di inviluppo è direttamente correlata alla velocità di rotazione dell'albero. Sulle trasmissioni delle turbine eoliche, ad esempio sull'albero di uscita del generatore, le velocità di rotazione possono essere relativamente basse e potrebbero quindi richiedere l'uso di accelerometri CA a basse frequenze per usi speciali, con una sensibilità compresa tra 100mV/g e 500mV/g. I sensori sono generalmente collegati via cavo a una scatola di giunzione all'interno della navicella e quindi a un pannello di interruttori montato a livello del suolo. I segnali possono essere monitorati in loco utilizzando raccoglitori di dati portatili, dotati di software in grado di calcolare automaticamente l'inviluppo dell'accelerazione, oppure trasmessi a un centro di monitoraggio remoto per la successiva analisi.