L'analisi delle vibrazioni consente di raccogliere ed elaborare i dati sulle vibrazioni meccaniche che interessano una macchina, un componente o una struttura in generale. L'analisi delle vibrazioni viene utilizzata per il rilevamento di vibrazioni anomale che possono inficiare le condizioni generali del componente o della struttura da testare. Esistono diversi strumenti e tecniche per l'analisi delle vibrazioni, appositamente progettati per misurare, memorizzare ed estrarre preziosi dati e informazioni sulle vibrazioni. Grazie a queste tecniche innovative possiamo ad esempio monitorare da remoto le condizioni delle macchine contribuendo al miglioramento del ciclo produttivo aziendale riducendo anche i costi di sistema e i tempi di inattività.
L'analisi delle vibrazioni: una panoramica introduttiva
Come abbiamo specificato precedentemente, l'analisi delle vibrazioni è un potente strumento che consente di gestire i dati sulle vibrazioni meccaniche che possono interessare un macchinario o un componente in generale. La misurazione delle vibrazioni fornisce diversi vantaggi ai progettisti e agli ingegneri direttamente interessati al monitoraggio dello stato di salute di strutture e componenti. Le moderne apparecchiature elettroniche sono spesso dotate di sensori per il rilevamento di urti e vibrazioni eccessive. Una volta che vengono acquisiti i dati dai sensori, è necessario elaborarli per rilevare gli eventuali problemi. Con l'analisi delle vibrazioni, ad esempio, le figure tecniche preposte possono reagire in tempo reale alle variazioni delle condizioni del componente. Attraverso il monitoraggio dei picchi di vibrazione si può trovare la causa principale del problema che affligge la struttura o il macchinario in esame. Le principali applicazioni tipiche dell'analisi delle vibrazioni sono il monitoraggio dell'integrità strutturale di infrastrutture come ponti e condutture per garantirne la protezione e la sicurezza d'uso, e il monitoraggio di componenti strategici quali motori e cuscinetti per prolungarne il funzionamento e gestirne il ciclo di vita e la manutenzione. Le vibrazioni possono anche verificarsi a causa dei motori e di altri componenti in movimento. Nonostante sia abbastanza normale che i motori generino piccole vibrazioni, le grandi vibrazioni o qualsiasi cambiamento delle stesse possono indicare la presenza di problemi. Le potenziali cause all'origine delle vibrazioni di un motore possono essere diversificate: squilibri dovuti a difetti dei componenti, disallineamento degli ingranaggi, malfunzionamento dei cuscinetti, usura generale dei cuscinetti e di altre parti in movimento, oppure errato montaggio di un motore fissato in modo allentato al suo supporto. La presenza di vibrazioni potrebbe indicare problemi che riducono l'efficienza energetica del motore, con conseguente aumento dei costi di sistema. Parimenti, l'analisi delle vibrazioni può essere impiegata anche nel monitoraggio continuo dell'integrità strutturale di infrastrutture come ponti, turbine eoliche e tubature. Le vibrazioni strutturali di una turbina eolica dipendono anche dalle sue dimensioni, ad esempio, maggiore è la dimensione di una turbina eolica, maggiormente sarà soggetta a vibrazioni strutturali elevate. Ecco quindi che la misurazione delle vibrazioni normali di una pala di una turbina eolica, per poi confrontarle con le variazioni osservate in questo schema, può evidenziare un problema di tipo strutturale, consentendo di affrontare la problematica prima che questa provochi un guasto catastrofico. Ricordiamo che la rottura di un componente può avvenire anche rapidamente e senza alcun preavviso a causa di vibrazioni indotte dalla presenza di un carico d'urto.
Misurare le vibrazioni
Per la misurazione delle vibrazioni si utilizzano alcuni tipi di sensori di vibrazione, ciascuno dei quali funziona in base a principi diversi e ha una propria applicazione predefinita. Alcuni sensori richiedono il contatto diretto con il componente in esame, mentre altri possono rilevare le vibrazioni anche a distanza senza alcun tipo di contatto. La più comune tipologia di sensori di vibrazione è rappresentata dall'accelerometro, ma vengono ampiamente utilizzati anche estensimetri e sensori microfonici. Con un sensore di vibrazione possiamo misurare la forza e la frequenza di una vibrazione in un determinato componente e registrare anche l'intensità delle vibrazioni. La frequenza della vibrazione è un parametro che indica la frequenza con cui questa si verifica. Gli accelerometri misurano le variazioni di velocità dell'oggetto. Le vibrazioni, infatti, indicano una variazione di velocità che fa in modo che l'accelerometro produca un segnale elettrico. I segnali possono poi essere elaborati per produrre dati di vibrazione. I più utilizzati sono gli accelerometri piezoelettrici, molto diffusi perché producono un segnale forte e chiaro alla maggior parte delle frequenze, sebbene si stiano diffondendo anche gli accelerometri piezoresistivi. Gli accelerometri piezoresistivi possono rilevare frequenze alte e basse, ma sono molto più costosi di quelli piezoelettrici. Gli estensimetri invece assumono la forma di una lamina applicata direttamente al componente. All'interno della lamina c'è una griglia elettricamente conduttiva che si deforma quando il componente viene sottoposto alle vibrazioni. Queste deformazioni modificano la resistenza elettrica della griglia e, attraverso la lettura del tempo impiegato da una corrente elettrica per attraversarla, si può valutare la vibrazione dell'oggetto. I sensori microfonici rilevano le variazioni dei suoni ad alta frequenza generati dalle vibrazioni e vengono spesso utilizzati insieme agli accelerometri.
L'analisi delle vibrazioni per la manutenzione predittiva
La manutenzione predittiva viene spesso impiegata per monitorare o identificare le apparecchiature critiche, ovvero macchine o elementi del ciclo di produzione che, qualora fossero fuori servizio, potrebbero creare importanti interruzioni della produzione o, peggio, provocare incidenti. Un esempio rappresentativo sono i motori, ampiamente utilizzati in ambito industriale. I motori sono componenti critici alla base di molti processi produttivi e, per tale ragione, l'analisi delle vibrazioni sia dei motori sia delle macchine da essi azionate, offre un aiuto nel rilevamento delle condizioni anomale, evidenziando ad esempio problemi di lubrificazione o eccessiva usura di componenti sottoposti ad attrito quali sono i cuscinetti. Immaginiamo ad esempio il caso del guasto di un motore elettrico. Questo evento comporterebbe sicuramente dei costi maggiori. Oltre ai costi di sostituzione o riparazione, infatti, il guasto di un motore può interrompere la produzione, con una notevole perdita di fatturato e ulteriori costi dovuti alla necessità di sostituire i materiali usurati. Va da sé che la manutenzione predittiva massimizza la disponibilità dei macchinari e la durata degli impianti di produzione attraverso un sistema computerizzato per la gestione della manutenzione, che centralizza le informazioni sulla manutenzione, semplifica i processi e automatizza le attività per migliorare l'efficienza. La manutenzione predittiva ottimizza l'uso, la disponibilità e la durata delle attrezzature e dei macchinari garantendo la massima produttività e il ritorno sugli investimenti. Sono quindi molti i vantaggi offerti dalla manutenzione predittiva: il risparmio delle risorse, la riduzione delle interruzioni non programmate, la riduzione della frequenza delle attività di manutenzione, etc. Le tecniche di analisi delle vibrazioni possono essere utilizzate nella manutenzione predittiva, i sensori di vibrazione impiegati nell'analisi delle vibrazioni monitorano le condizioni operative e inviano avvisi quando le condizioni cambiano in modo da ridurre al minimo le interruzioni, anche di apparecchiature molto utilizzate che vengono impiegate a ciclo continuo con poche pause. Il rilevamento di vibrazioni anomale è molto vantaggioso soprattutto per macchinari che si trovano in aree difficilmente raggiungibili o pericolose e quindi difficilmente sottoponibili a manutenzione. Con l'analisi delle vibrazioni viene effettuata la manutenzione in orari più convenienti evitando che il personale entri inutilmente in aree potenzialmente rischiose per la salute umana. A differenza della manutenzione reattiva che prevede una riparazione del macchinario solo a guasto avvenuto, causando pertanto una interruzione della produzione, la manutenzione predittiva è in grado di prevedere quando una macchina o un asset potrebbe guastarsi e quando intervenire per evitarlo. La continuità della produzione viene interrotta anche dalla manutenzione preventiva che viene eseguita a intervalli prestabiliti.
Analisi delle vibrazioni: il ruolo dell'Intelligenza Artificiale
L'Intelligenza Artificiale è uno strumento di fondamentale importanza per l'implementazione della manutenzione predittiva. Attraverso la misurazione delle vibrazioni si possono infatti raccogliere grandi quantità di dati e informazioni che possono essere riutilizzati sulla base di modelli. E' ciò che comunemente viene effettuato dalle tecniche di Intelligenza Artificiale che utilizzano i dati per individuare modelli che potrebbero indicare dei guasti. I modelli di Intelligenza Artificiale sono in grado di esaminare istante per istante ciascun dato relativo alle vibrazioni, valutando così se è irrilevante o se si tratta di un'anomalia che vale la pena segnalare per un'ulteriore analisi. Il modus operandi delle tecniche di analisi delle vibrazioni basate sull'Intelligenza Artificiale è abbastanza intuitivo: poiché i sistemi di IA si basano sull'apprendimento automatico (Machine Learning), non è necessario che vengano programmati per riconoscere i segnali anomali. I modelli di Intelligenza Artificiale possono tranquillamente studiare le vibrazioni regolari per poi identificare quelle che differiscono dalle condizioni standard. Gli analisti dei dati di vibrazioni possono pertanto ricevere un supporto nell'individuazione dei segnali di allarme nei dati acquisiti e nella messa a punto di strategie per stilare programmi al fine di rispondere in tempo reale ai malfunzionamenti.
Conclusioni
In questo articolo abbiamo analizzato in linea generale quali sono i vantaggi e le metodologie dell'analisi vibrazionale. L'analisi delle vibrazioni fornisce indicazioni preziose sullo stato dei macchinari, delle strutture e dei componenti. Esistono diverse metodologie per poter effettuare l'analisi delle vibrazioni, molte delle quali fanno uso di sensori per il rilevamento. La vibrazione totale di un sistema può essere composta da molte vibrazioni diverse provenienti dai vari sottosistemi, ovvero dal motore, dal cuscinetto, dall'albero motore o da numerosi altri componenti. Per analizzare queste diverse 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 il rilevamento di guasti delle macchine, come il disallineamento o lo sbilanciamento. Nel prossimo articolo analizzeremo le vibrazioni dei motori, le principali fonti delle loro vibrazioni e i metodi a disposizione per monitorarle.
