L'utilizzo degli ultrasuoni per una manutenzione affidabile

I cuscinetti sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni industriali e sono considerati componenti fondamentali. I malfunzionamenti dei cuscinetti, se non rilevati in tempo, sono responsabili di arresti non programmati e quindi di fermate molto costose, portando anche a guasti irreparabili. Per i cuscinetti ad alta velocità, diverse tecniche consolidate sono comunemente integrate in un programma di PdM: vibrazioni, misura di temperatura, ultrasuoni, analisi sull'usura detriti.

Il controllo dei cuscinetti a bassa velocità è diverso. Le tecniche di controllo convenzionali, quando si parla di meno di 250 giri al minuto, rimangono il più delle volte "cieche" fino al momento in cui è troppo tardi. In queste applicazioni sulle basse velocità cogliere lo stato iniziale di un malfunzionamento dei cuscinetti rimane un problema noto. A meno che non si utilizzino gli ultrasuoni.

Che cosa sono gli ultrasuoni?

Per l'ispezione in meccanica, l'analisi a ultrasuoni significa rilevare e misurare le onde acustiche generate da un impatto fra cuscinetti, per esempio, o la frizione o lo sfregamento generati dalla scarsa lubrificazione.

Basandosi sul suono, la tecnologia è chiamata ad ultrasuoni perché utilizza alte frequenze, al di sopra del limite dell'udito umano dei 20 kHz. Ma perché utilizzare gli ultrasuoni? La risposta sta in due elementi chiave: alte frequenze e urti. Queste due proprietà sono particolarmente utili per le macchine a bassa velocità per le quali, per definizione, i segnali

provenienti dai cuscinetti sono deboli. Come prima cosa, le frequenze elevate sono sensibili agli urti. Inoltre il range ultrasonoro è naturalmente insensibile a fenomeni a bassa frequenza come la velocità di funzionamento del macchinario, che invece tenderà a mascherare le difettosità dei cuscinetti nell'analisi vibrazionale. Come secondo punto, l'ultrasuono rileva le onde d'urto generate dal cuscinetto difettoso e, più precisamente, l'energia localizzata rilasciata sul punto dell'impatto. In caso di bassa velocità, questi impatti sono troppo deboli per causare abbastanza vibrazioni strutturali da essere individuati.

Combinando questi due vantaggi, l'ultrasuono è un metodo selettivo che evidenzia impatti e attriti dal rumore di fondo prodotto da fenomeni di bassa frequenza. Si tratta di un metodo semplice da usare, poiché qualsiasi tecnico - anche con poca esperienza - può controllare con successo macchinari a bassa velocità. Persino un principiante è in grado di rilevare facilmente quando un cuscinetto è difettoso, basta ascoltare lo specifico suono scoppiettante ripetitivo. Il risultato è poi immediato: non occorre un lungo e snervante tempo di acquisizione dati di svariati minuti solo per giungere alla conclusione che il cuscinetto è in buone condizioni. Da 5 a 10 secondi sono sufficienti con un rilevatore a ultrasuoni: questo, moltiplicato per ogni cuscinetto da ispezionare, comporta un importante risparmio di tempo. Infine, non è necessario alcun complicato trattamento del segnale per eseguire il rilevamento e la diagnosi.

L'unica accortezza è quella di scegliere strumenti efficaci e sensori ottimizzati: da questo punto di vista, SDT Italia si pone come interlocutore competente nell'offrire la giusta attrezzatura in funzione delle specifiche esigenze operative.

Sensore e strumento: i punti chiave

I sensori a contatto a ultrasuoni sono sensori risonanti. La loro sensibilità è un punto importante, ma non l'unico. Le basi di un Condition Monitoring sono il trend dei dati e l'eseguire azioni correttive quando viene raggiunto un allarme. Se non si ha la garanzia che due sensori forniscono un risultato simile per lo stesso segnale, bisogna cambiare fornitore. I dati storici e le soglie di allarme diventano inutili quando si utilizza un sensore difettoso e pertanto, come per tutte le tecnologie, le caratteristiche del trasduttore, cioè la sensibilità e la frequenza di risonanza, devono essere chiaramente specificate e certificate dal produttore. La stessa osservazione è valida per il dispositivo di misurazione. Gli strumenti correttamente tarati sono intercambiabili senza avere variazioni nella misurazione. Idealmente l'ingresso - la ricezione del segnale del sensore - dev'essere conosciuta e sotto controllo, non necessariamente l'uscita audio eterodina.

La debolezza del segnale generato da un cuscinetto a bassa velocità richiede un range dinamico adattato al rumore di fondo. È spesso necessaria un'amplificazione a 90 dB. Soprattutto, è essenziale un eccellente rapporto segnale-rumore (SNR). Si avrà comunemente una lettura di -6 dBuV per un cuscinetto sano, avvicinandosi a 0 dBuV quando non è in buone condizioni. -6 DBuV significa un segnale di 0,5 mV e 0 dBuV corrisponde a 1 mV. Lo strumento dev'essere in grado di estrarre questo debole segnale dal rumore di fondo: questo dimostra perché il rapporto segnale-rumore è così importante.

Ascoltare è la linea di difesa primaria

La prima funzione di un dispositivo a ultrasuoni è trasformare le alte frequenze in suoni udibili. Tale operazione si chiama eterodina. Le persone che non hanno familiarità con gli strumenti a ultrasuoni pensano che questo sia un metodo antiquato: in realtà non lo è, e lo è ancora meno quando si ispezionano macchinari a bassa velocità. Un operatore senza profonde conoscenze può distinguere un cuscinetto sano, che produce un segnale costante e "silenzioso", da uno difettoso, che causa un ronzio intermittente ripetitivo o uno scoppiettio specifico. Tuttavia, l'ascolto non è sufficiente. Sono necessarie misurazioni affidabili e ripetibili per costruire un solido programma di PdM. In caso contrario, lo strumento non è molto più di un banale stetoscopio.

Misurazioni statiche per il rilevamento di guasti

Le misure statiche (valori complessivi) sono semplici da implementare, dal momento che il risultato sono solo numeri. Sono facili da gestire per la memorizzazione, fare curve sui trend e per gli allarmi. Per i cuscinetti a bassa velocità, vengono utilizzati due indicatori forniti dalle misurazioni statiche: l'RMS, che caratterizza l'energia del segnale, e il Peak (picco), che caratterizza l'ampiezza del segnale. Combinando questi due indicatori, l'individuazione precoce del problema è facile.

Ecco il confronto dei dati provenienti da macchine che ruotano a 50 giri/min, utilizzando un tempo di acquisizione di 20 secondi.

Misurazione dinamica: dal rilevamento alla diagnosi

In alcuni casi, per esempio su una macchina complicata e importante o in caso di guasti ripetitivi inaspettati, l'utente desidera andare oltre l'obiettivo di rilevare la presenza di un guasto sul processo. La necessità è quella di determinare quale componente sia difettoso. Questo è il processo di diagnosi, effettuata utilizzando misurazioni dinamiche. Una misurazione dinamica è l'acquisizione di dati su una durata di tempo selezionata. Essa viene utilizzata per elaborare rappresentazioni nel dominio del tempo e della frequenza (FFT, o spettro). Per la tecnologia a ultrasuoni, la rappresentazione nel dominio del tempo è lo strumento preferito perché il segnale nel tempo funziona con segnali intermittenti e fornisce informazioni precise sulla natura del guasto e la gravità della situazione.

Come prima cosa, la forma del segnale nel tempo indica la presenza del danno con l'interpretazione visiva del segnale stesso, mostrando per esempio impatti ripetitivi. Il segnale nel tempo può essere analizzato in modo identico all'analisi vibrazionale per ottenere un'indicazione della causa del guasto. Come per la vibrazione, sono richieste la velocità di rotazione della macchina e una schematica dettagliata delle macchine stesse. Nel caso di un difetto in stato avanzato su un cuscinetto, l'operatore può misurare la distanza tra gli impatti, confrontare con i calcoli dei difetti derivanti dagli schemi e quindi determinare la provenienza del malfunzionamento del cuscinetto. Infine, le ampiezze d'impatto sono spesso un buon indicatore della gravità del guasto.

Conclusioni

In definitiva, l'ultrasuono è un metodo eccellente per operare sia su macchine a basso numero di giri, che ad alto numero di giri. I vantaggi forniti da tale tecnologia sono evidenti: efficienza, semplicità, velocità di raccolta dati, possibilità di combinare facilmente il rilevamento con una diagnosi più elaborata.

Molto pertinente in tal senso l'osservazione fatta da un responsabile della manutenzione:

«Il mio reparto non ha il budget per coprire le spese di un team di cinque esperti di vibrazioni. Inoltre, con cinque ragazzi potremmo monitorare solo le macchine critiche e più importanti. Con il nostro rilevatore a ultrasuoni, invece, la prima linea di intervento è gestita da operatori base, come i tecnici di lubrificazione, e la maggior parte delle macchine sono regolarmente controllate. L'80% dei problemi riscontrati viene risolto utilizzando gli ultrasuoni, mentre il mio unico esperto di vibrazioni viene impiegato per il restante 20%».