Un numero sempre maggiore di industrie sta focalizzando l'attenzione sull'importanza dell'analisi delle vibrazioni nei motori. In questo articolo analizziamo la problematica delle vibrazioni nei motori, e quali sono le misure da adottare per circoscrivere il fenomeno e ridurne l'impatto.
Introduzione
Nel precedente articolo abbiamo analizzato il fenomeno delle vibrazioni. I motori elettrici sono componenti fondamentali nel settore industriale. Essi vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni di tipo industriale e anche in diversi altri contesti. Moltissimi motori elettrici sono essenziali per la sicurezza e l'efficienza delle operazioni, motivo per cui la loro affidabilità è un elemento cruciale. Monitorare e analizzare le vibrazioni di un motore o della macchina può fornire dati essenziali per la programmazione della manutenzione predittiva. In tal modo, gli operatori del settore, i progettisti e i tecnici sono in grado di identificare e riparare i problemi, ancor prima che questi causino una riduzione delle prestazioni o, addirittura, dei guasti al sistema. Solitamente gli organi e i componenti che possono trarre il maggiore vantaggio dall'analisi delle vibrazioni sono le pompe, i ventilatori, i cuscinetti, le scatole degli ingranaggi, i generatori delle turbine eoliche, i compressori, e in genere tutte le apparecchiature rotanti.
Le vibrazioni del motore
Nonostante sia abbastanza normale che i motori diano origine a delle piccole vibrazioni, le grandi vibrazioni possono indicare la presenza di problemi e anomalie importanti. La vibrazione totale di un motore elettrico può essere creata da molti elementi, e la conoscenza di queste possibili cause permette una diagnosi più efficace per comprendere ciò che sta accadendo al motore stesso. Vediamo ora cosa può effettivamente provocare il fenomeno delle vibrazioni in un motore. Una delle principali cause delle vibrazioni è lo sbilanciamento, ovvero il fenomeno in base al quale un punto in cui un peso è sbilanciato e si muove intorno all'asse della macchina, causa la vibrazione dei componenti rotanti. Gli sbilanciamenti possono essere causati da diversi fattori, quali i difetti di fusione, gli errori di lavorazione o i problemi di manutenzione. Anche i cuscinetti possono essere un fattore scatenante delle vibrazioni. I cuscinetti allentati, infatti, possono causare la diffusione delle vibrazioni anche ad altri componenti. L'assenza di lubrificazione o una scarsa lubrificazione, provoca una rapida usura dei componenti dei cuscinetti. Anche gli ingranaggi sono una potenziale causa di vibrazioni se non sono correttamente allineati, infatti, i denti degli ingranaggi usurati o rotti possono sfregarsi l'uno sull'altro, e causare così una vibrazione che può essere anche molto pericolosa. Non dimentichiamo che anche la stabilità del supporto a cui è fissato il motore può fungere da innesco delle vibrazioni. Anche un montaggio inadeguato può causare l'usura e l'affaticamento dei supporti o di altri componenti del motore, parallelamente, può causare il disallineamento degli alberi della macchina. Le vibrazioni possono essere causate anche da un possibile errato montaggio del motore o della catena di trasmissione, e possono svilupparsi in seguito all'uso nel tempo. Infine, le vibrazioni sono anche originate da fonti esterne (macchine o altri processi collegati al motore). E' chiaro quindi che le vibrazioni hanno un notevole impatto sul funzionamento di un sistema meccanico o elettromeccanico. Un aspetto che sicuramente non è da sottovalutare è legato ai costi. Le vibrazioni, infatti, potrebbero indicare problemi che riducono l'efficienza energetica del motore, portando a un conseguente aumento dei costi, ragion per cui, assicurarsi al meglio che tutti i componenti del motore siano ben allineati e non subiscano un'eccessiva usura può senz'altro contribuire ad aumentare l'efficienza energetica dei motori e a ridurre i costi di esercizio. Aspetto, quest'ultimo, da non sottovalutare, soprattutto in questa fase caratterizzata dall'aumento dei prezzi dell'energia. Tuttavia, i problemi più gravi si verificano quando un motore va incontro a guasto. Il guasto al motore può causare tempi di inattività non pianificati in uno stabilimento industriale, generando perdite ingenti durante la fase di riparazione del motore.
Analisi e monitoraggio
Le vibrazioni a cui è sottoposta una macchina o una apparecchiatura sono composte da più frequenze, quindi, la vibrazione totale può essere calcolata come la somma di diverse vibrazioni, ad esempio del motore, del cuscinetto, dell'albero motore o di altri componenti. Condurre una efficace analisi delle vibrazioni del motore comporta la quantificazione del segnale di vibrazione che viene catturato in diverse metriche, da cui il loro monitoraggio e confronto nel tempo. Esistono tre grandi tipologie di analisi: dominio del tempo, dominio della frequenza e algoritmi di Intelligenza Artificiale. Il monitoraggio delle vibrazioni del motore può essere effettuato facendo ricorso a diversi sensori, impiegati per misurare le vibrazioni e funzionanti ciascuno con diversi principi fisici. Alcuni sensori funzionano con metodi basati sul contatto diretto e pertanto richiedono il montaggio sulla carcassa del motore. D'altra parte, i dispositivi senza contatto possono rilevare il movimento a distanza attraverso l'uso di mezzi ottici o magnetici. Tra i principali strumenti di monitoraggio segnaliamo:
- Accelerometri: rappresentano il metodo più comunemente utilizzato. Il loro funzionamento è basato sulla misura della variazione di velocità del componente, che si manifesta sotto forma di vibrazioni che inducono l'accelerometro a produrre un segnale elettrico che può essere elaborato per produrre dati sulle vibrazioni utilizzabili.
- Accelerometri piezoelettrici: producono un segnale alla maggior parte delle frequenze.
- Estensimetri
- Sensori microfonici
- Misuratori di vibrazioni portatili
L'Intelligenza Artificiale nell'analisi delle vibrazioni del motore
L’AI è ampiamente utilizzata nel monitoraggio delle condizioni dei motori elettrici. Uno dei principali strumenti della manutenzione predittiva è infatti proprio l'Intelligenza Artificiale (AI) che, in combinazione con l’apprendimento automatico (Machine Learning o ML), offre grandi opportunità per migliorare la fruibilità dei motori riducendo i costi di gestione e manutenzione. La manutenzione predittiva basata sull'Intelligenza Artificiale può migliorare la disponibilità delle macchine, ridurre i costi di ispezione e tagliare le spese di manutenzione. Il ML funziona utilizzando algoritmi che funzionano su una serie di dati di addestramento relativi a fattori come le condizioni e le prestazioni degli asset, i tassi di guasto, i processi di manutenzione, i cicli di carico e di lavoro e le condizioni ambientali. Utilizzando questo dataset, l'algoritmo crea un modello matematico per descrivere il sistema e le interazioni dei suoi componenti, permettendo di rilevare le anomalie. L'obiettivo è prevedere una variabile dipendente target, come lo stato di salute dell’asset o la sua durata residua. Quando i dati del mondo reale vengono inseriti nel modello, sulla base di misurazioni effettive, il modello restituisce uno stato o una previsione per il motore, consentendo agli ingegneri di prendere decisioni fondate sulla sua manutenzione. Utilizzando i dati già raccolti, la soluzione genera modelli di comportamento per aiutare gli ingegneri a prestare attenzione alle criticità. Alcuni sensori di vibrazione possono integrarsi con il software di Intelligenza Artificiale per creare un sistema di monitoraggio delle condizioni.
In sintesi
I motori elettrici sono responsabili di circa l'80% dell'energia elettrica consumata nel settore industriale. Il monitoraggio delle vibrazioni del motore consente di intervenire in tempo reale per evitare tempi di fermo che potrebbero causare il deterioramento delle macchine e dei componenti. Con l'analisi delle vibrazioni dei macchinari i progettisti possono monitorare e verificare lo stato di salute dei componenti rotanti e delle macchine. L'obiettivo della misurazione delle vibrazioni è garantire il corretto e duraturo funzionamento dei motori con le prestazioni richieste e l'efficienza energetica prevista, soprattutto nei processi critici che non possono essere interrotti. Attraverso il monitoraggio delle vibrazioni del motore si garantisce una valutazione sempre aggiornata delle condizioni di funzionamento, e una manutenzione al momento giusto, massimizzando disponibilità ed efficienza e riducendo i costi. L'affidabilità è l'obiettivo principale dei programmi di manutenzione dei motori, da essa infatti dipende il funzionamento duraturo delle apparecchiature, evitando i guasti che possono irrimediabilmente compromettere la redditività dell'impianto a causa delle ingenti perdite.
