Monitoraggio della coppia, l'arma segreta

Il monitoraggio della coppia risponde ad una tendenza crescente in settori industriali come quelli del cemento, marittimo ed energetico. Questo sistema consente agli utenti di usufruire di una comprensione più approfondita delle esigenze operative dei loro macchinari, laddove sia difficile diagnosticare un problema, mediante un'analisi vibrazionale standard. Questo metodo consente agli utenti di applicare le necessarie misure correttive al fine di garantire un funzionamento più regolare e di evitare avarie impreviste.

Le macchine sono strumenti progettati specificamente per l'esecuzione di determinati compiti. Per far ciò, queste trasformano l'energia in lavoro. Prendiamo come esempio un elevatore a  tazze. L'energia viene trasmessa attraverso tutti i componenti del treno macchina, dal motore alla scatola degli ingranaggi, fino all'elevatore a tazze. Il motore trasforma l'energia elettrica in energia meccanica, l'albero del motore e l'albero di entrata della scatola ad ingranaggi sono collegati tramite un accoppiamento e l'albero di trasmissione in uscita dalla scatola ad ingranaggi è collegato all'albero di traino dell'elevatore a tazze. Come in una qualsiasi catena, la forza di un treno macchina coincide con quella dell'anello più debole.

In base alle richieste operative dell'elevatore a tazze, che possiamo vedere come carichi di lavoro, la potenza erogata dal motore subirà variazioni. La grandezza fisica che genera di fatto la rotazione di un albero è denominata coppia motrice ed è direttamente proporzionale alla potenza. Ciò significa che se vogliamo mantenere una determinata velocità operativa nel nostro processo con un aumento del carico, il motore deve generare più potenza e ciò avviene mediante un incremento della coppia motrice.

Osservando più da vicino gli elementi della macchina coinvolti nella catena di trasmissione, come tutti i denti degli ingranaggi della scatola di trasmissione, il giunto di trasmissione, i diversi alberi, possiamo rilevare un gran numero di parti soggette a rottura, se non idonee a  sopportate lo sforzo di torsione generato dalla coppia applicata. La rottura di uno qualsiasi di tali elementi può essere attribuita ad un elevato numero di cause, che possono variare da difetti di progettazione, scarsa qualità dei materiali, errata selezione delle componenti della macchina, esercizio della macchina non corretto o condizioni operative estreme che non erano state considerate in fase di progettazione della macchina, solo per citarne alcuni.

In cosa consiste il monitoraggio delle condizioni?

Il condition monitoring è uno degli aspetti chiave delle strategie di manutenzione predittiva e proattiva. Analogamente al rapporto medico paziente, anche il tecnico specializzato ha verso le macchine il compito di tenere sotto controllo il loro stato di salute. Tuttavia, invece di misurarne la pressione sanguigna, il polso, la frequenza respiratoria etc., lo specialista della manutenzione misura le vibrazioni, la coppia, la qualità dell'olio e la temperatura, unitamente ad altri aspetti. Effettuando queste operazioni è in grado di rilevare rapidamente ogni cambiamento delle condizioni funzionali della macchina e di adottare le misure necessarie per superare ogni potenziale avaria, garantire la regolarità di funzionamento della macchina e del ciclo produttivo. I vantaggi di un adeguato programma di monitoraggio delle condizioni sono  numerosi: riduzione dei fermi macchina non pianificati, riduzione dei costi di manutenzione, riduzione delle scorte di parti di ricambio a magazzino, aumento della capacità produttiva e della disponibilità, unitamente ad un'estensione della vita utile dei macchinari.

Come si misura la coppia motrice

Gli estensimetri collegati secondo il principio del ponte di Wheatstone e protetti da umidità e da contaminazioni, vengono applicati sull'albero (Figura 1). Poiché i trasduttori subiscono deformazioni a causa dello sforzo generato sull'albero, la rispettiva resistenza elettrica cambia proporzionalmente. Un segnale di tensione viene fatto passare forzatamente attraverso gli estensimetri per misurare questa resistenza elettrica. Il segnale viene amplificato, trasmesso  via antenna rotante e in seguito captato da un'antenna di ricezione stazionaria. Infine affluisce ad un'unità di valutazione dove viene rettificato e misurato esattamente come qualsiasi altro  segnale di parametro di processo. Sapendo in quale misura la superficie dell'albero si è elasticamente deformata, la dimensione dell'albero e il rispettivo modulo di rigidezza (una proprietà fisica del materiale dell'albero), è possibile determinare la coppia alla quale l'albero è sottoposto.

Misurazione della coppia su un elevatore a tazze

Il Service and Diagnostic Centre di PRÜFTECHNIK Condition Monitoring ha effettuato la misurazione della coppia su un elevatore a tazze in un cementificio. Questo servizio è stato richiesto dal cliente a seguito del danneggiamento e rottura di alcuni denti di un ingranaggio all'interno di un riduttore (Figura 2). Il cliente aveva comunicato che la scatola ad ingranaggi aveva funzionato per diversi anni senza problemi. Tuttavia nel corso degli ultimi due anni si erano verificati due casi di avaria a distanza di soli sette mesi l'uno dall'altro.

Gli estensimetri e le necessarie apparecchiature erano state installate sull'albero d'uscita del riduttore (Figura 3). Unitamente alle componenti di misurazione della coppia sono stati installati anche accelerometri su punti chiave di misura. Al fine di correlare le letture di coppia con quelle di vibrazione, è stato utilizzato VIBGUARD, un sistema multicanale di monitoraggio delle condizioni sviluppato da PRÜFTECHNIK, al fine di consentire la misurazione sincrona di tutti i segnali.

La macchina è stata sottoposta a monitoraggio durante il processo di produzione notturno, il giorno successivo a vuoto (senza carico) e durante la fase di avviamento.

Le letture di coppia statica iniziali denotavano leggere vibrazioni durante il normale funzionamento, che peraltro non sono insolite in questo tipo di macchine e non erano tali da superare la coppia nominale dell'albero in uscita dal riduttore.

La fase seguente prevedeva la misurazione del carico durante l'avviamento della macchina. Poiché questo processo è di breve durata ed altamente variabile, deve essere misurata la coppia dinamica, che corrisponde alla componente AC del segnale. A tale scopo è stato registrato un segnale ad alta risoluzione. Nonostante il picco più alto sia appena superiore a 29400 Nm di coppia nominale, appare una coppia negativa assolutamente da evitare all'interno di qualsiasi scatola ad ingranaggi, la quale riflette un comportamento insolito del giunto idraulico.

Infine, si è passati ad effettuare anche la misurazione della coppia dinamica durante il funzionamento a pieno carico. Analizzando il segnale nel tempo, è stato possibile identificare chiaramente delle oscillazioni, ma con shock aggiuntivi di maggiore ampiezza in sovrapposizione, ad un intervallo di circa 45 secondi l'uno dall'altro. A partire dal segnale originale è stata effettuata un'analisi FFT, allo scopo di trovare le frequenze delle vibrazioni torsionali.

Nello spettro delle frequenze era stato rilevato un picco dominante a 3,5Hz, corrispondente  alla frequenza di passaggio delle tazze dell'elevatore.

Al cliente è stato consigliato di ridurre la quantità di olio all'interno del giunto idraulico o di ridurre la tensione della cinghia dell'elevatore a tazze, allo scopo di eliminare le coppie negative. A lungo termine sarebbe stato necessario ridurre il peso delle tazze dell'elevatore oppure sostituire il riduttore con uno più resistente.

Conclusione

Quando si tratta di salvaguardare i vostri beni, la combinazione di misurazioni della coppia con il monitoraggio delle condizioni offre un vantaggio unico. Analizzando nel dettaglio la coppia, è possibile determinare direttamente i requisiti operativi di una macchina e rilevare condizioni di esercizio non corrette, se non addirittura difetti di progettazione.

La misurazione della coppia può essere effettuata come servizio, in maniera temporanea mediante l'utilizzo di un analizzatore portatile, oppure permanente con l'analisi ininterrotta del segnale di coppia tramite un sistema di condition monitoring online. Indipendentemente dagli anni di operatività della macchina la misurazione della coppia può essere effettuata in ogni momento. Per le macchine di determinante importanza in vista della produzione, è caldamente consigliabile l'implementazione di un sistema di monitoraggio online delle vibrazioni e della coppia. Nella maggior parte dei casi i costi di riparazione a fronte di un'avaria improvvisa e inattesa e il valore complessivo della perdita di produzione possono incidere maggiormente rispetto ad un investimento iniziale per l'implementazione del sistema descritto.

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