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Tecniche di monitoraggio on-line delle vibrazioni meccaniche per la previsione di guasti nelle macchine automatiche

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Indice Sommario 1 1 Introduzione ed obiettivi della tesi 3 1.1 Obiettivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Benefici attesi per i costruttori di macchine . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Contenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 I-Care . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Tecniche diagnostiche applicate alla manutenzione industriale 13 2.1 La manutenzione industriale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1 Evoluzione della manutenzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2 Storia delle politiche manutentive . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.3 Politiche di manutenzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3.1 La manutenzione correttiva . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3.2 La manutenzione preventiva . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.3.3 La manutenzione secondo condizione . . . . . . . . . 25 2.1.3.4 La manutenzione proattiva . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2 La diagnostica tecnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.1 Misure dei parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.1.1 Misure di temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1.2 Misure di pressione e di forza . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.1.3 Misure di portata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.1.4 Misure di velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.2 La termografia IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.2.1 Basi dell’irraggiamento infrarosso . . . . . . . . . . . 54 i 2.2.2.2 Analisi qualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.2.3 Analisi quantitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.2.2.4 Consigli per una buona acquisizione IR . . . . . . . . . 57 2.2.3 L’analisi ad ultrasuoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.2.3.1 Tecnica di misura ad ultrasuoni . . . . . . . . . . . . . 64 2.2.3.2 Individuazione delle perdite . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.2.3.3 Ispezione di valvole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.2.3.4 Scaricatori di condensa . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.2.3.5 Lubrificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.2.4 L’analisi tribologica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.2.4.1 La ferrografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.2.4.2 Analisi tribologica trivettoriale . . . . . . . . . . . . . 72 2.2.5 L’analisi vibrazionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3 Analisi vibrazionale e sensoristica 77 3.1 Principi di meccanica delle vibrazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1.1 Risposta forzata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1.1.1 Ricettanza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.1.2 Risposta forzata dovuta a sbilanciamento in elementi rotanti . . . 84 3.1.3 Serie di Fourier e trasformata di Fourier . . . . . . . . . . . . . . 88 3.1.3.1 Serie di Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.1.3.2 Trasformata di Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.2 L’analisi vibrazionale nella manutenzione predittiva . . . . . . . . . . . . 93 3.2.1 Domini di rappresentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.1.1 Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.2 Unità di misura nell’analisi vibrazionale . . . . . . . . . . . . . . 97 3.2.3 Risonanza e velocità critiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.2.3.1 Risposta in frequenza in sistemi ad n g.d.l. ed antiriso- nanza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.2.3.2 Velocità critiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.2.4 Analisi orbitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.2.5 Utilizzi industriali della fase tra due segnali . . . . . . . . . . . . 114 3.2.5.1 Impiego della fase nella diagnostica tecnica . . . . . . 117 ii 3.3 Sensori e trasduttori per l’analisi vibrazionale . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.1 Trasduttori di posizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.3.2 Trasduttori di velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.3.3 Accelerometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 3.3.3.1 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.3.3.2 Tipologie di accelerometri . . . . . . . . . . . . . . . . 128 3.4 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.4.1 Parametri di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.4.1.1 Velocità di rotazione ed acquisizione del segnale . . . . 137 3.4.1.2 Frequenza massima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.4.2 Posizionamento dei sensori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 3.4.2.1 Direzioni di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.4.2.2 Nomenclatura standard delle acquisizioni . . . . . . . . 143 3.4.3 Connessione dei sensori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.4.3.1 Puntale di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.4.3.2 Basi magnetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.4.3.3 Fissaggio Quick-Lock . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.4.3.4 Basi incollabili e viti di fissaggio . . . . . . . . . . . . 147 3.4.4 Sensitività, Banda passante e Gamma dinamica . . . . . . . . . . 147 3.4.5 Riconoscimento di dati irrilevanti . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 3.4.5.1 Ski slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 3.4.5.2 Basso contenuto in alta frequenza . . . . . . . . . . . . 154 3.4.5.3 Armoniche inattese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 3.5 Signal processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 3.5.1 Campionamento del segnale analogico . . . . . . . . . . . . . . . 155 3.5.1.1 Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 3.5.1.2 Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 3.5.2 Conversione Analogico/Digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 3.5.3 DFT e FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 3.5.3.1 FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 3.5.4 Acquisizione ed integrazione del segnale . . . . . . . . . . . . . 164 3.6 Analisi globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 3.7 Analisi spettrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 iii 3.7.1 Analisi in bande di frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 3.7.2 Analisi spettrale agli ordini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 4 Analisi spettrale agli ordini 177 4.1 Sbilanciamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4.1.0.1 Verifica dello sbilanciamento . . . . . . . . . . . . . . 180 4.1.1 Sbilanciamento statico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.1.2 Sbilanciamento dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.1.3 Cause di Sbilanciamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 4.2 Disallineamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 4.2.1 Disallineamento parallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 4.2.2 Disallineamento angolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 4.2.3 Accorgimenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 4.2.4 Cocked bearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.3 Gioco meccanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 4.3.1 Gioco rotante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 4.3.1.1 Sleeve bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 4.3.2 Giochi strutturali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 4.3.2.1 Gioco strutturale o sbilanciamento? . . . . . . . . . . . 196 4.3.2.2 Loose pedestal bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 4.4 Analisi dei rotismi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 4.4.1 Gear Mesh Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 4.4.2 Dente usurato o mancante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 4.4.3 Ruote disallineate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 4.4.4 Costrizione meccanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 4.4.5 Armoniche secondarie indotte dai rotismi . . . . . . . . . . . . . 207 4.4.5.1 Componenti fantasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 4.4.5.2 Frequenza frazionaria di ingranamento . . . . . . . . . 208 4.4.5.3 Frequenza di ripetizione . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 4.5 Analisi dei cuscinetti volventi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 4.5.1 Bearing forcing frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 4.5.1.1 Bearing kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.5.2 Ball Pass Frequency Outer race (BPFO) . . . . . . . . . . . . . . 216 iv 4.5.3 Ball Pass Frequency Inner race (BPFI) . . . . . . . . . . . . . . . 218 4.5.4 Fundamental Train Frequency (FTF) . . . . . . . . . . . . . . . . 220 4.5.5 Ball Spin Frequency (BSF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 4.5.6 Alcune particolarità dei difetti di cuscinetto . . . . . . . . . . . . 224 4.5.7 Evoluzione di un difetto di cuscinetto . . . . . . . . . . . . . . . 225 4.5.7.1 Stage One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 4.5.7.2 Stage Two . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 4.5.7.3 Stage Three . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 4.5.7.4 Stage Four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 4.5.8 Tecniche avanzate di individuazione dei difetti di cuscinetto . . . 232 4.5.8.1 Airborn ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 4.5.8.2 Shock Pulse Method: SPM® . . . . . . . . . . . . . . 232 4.5.8.3 Spike Energy™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 4.5.8.4 Enveloping and Demodulation . . . . . . . . . . . . . 233 4.5.8.5 PeakVue® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 4.5.9 Meccanismi di danneggiamento dei cuscinetti volventi . . . . . . 239 4.5.9.1 Sfaldamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 4.5.9.2 Cricche e rotture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 4.5.9.3 Brinellatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 4.5.9.4 Abrasione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 4.5.9.5 Usura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 4.5.9.6 Ruggine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 4.5.9.7 Passaggio di corrente elettrica . . . . . . . . . . . . . . 244 4.5.9.8 Smerigliatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 4.5.9.9 Rotazione degli anelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 4.6 Lubrificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 4.7 Analisi dei motori elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 4.7.1 Campo magnetico rotante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 4.7.2 Motori sincroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 4.7.3 Motori asincroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 4.7.4 Fonti di vibrazione nei motori elettrici . . . . . . . . . . . . . . . 256 4.7.5 Difetti di statore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 4.7.6 Difetti di rotore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 v 4.7.6.1 Barra rotorica danneggiata . . . . . . . . . . . . . . . . 261 4.7.6.2 Rotore eccentrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 4.7.7 Altri difetti elettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 4.7.7.1 Loose rotor bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 4.7.7.2 Loose stator windings . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 4.7.7.3 Lamination problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 4.7.7.4 Loose connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 4.7.7.5 Fluting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 4.8 Pompe, ventilatori e compressori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 4.8.1 Blade Pass Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 4.8.2 Cavitazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 4.8.2.1 Turbolenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 4.9 Trasmissioni a cinghia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 4.9.1 Fundamental Belt Pass Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 4.9.2 Difetto di cinghia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 4.9.3 Disallineamento della trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 4.10 Simulazioni al banco prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 5 Tecniche di on-line condition monitoring 283 5.1 On-line condition monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 5.1.1 Approcci presenti in letteratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 5.2 G-Talk Project : a “5 W” approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 5.2.1 Why . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 5.2.2 Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 5.2.2.1 Analisi preliminare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 5.2.2.2 Tree structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 5.2.2.3 Historical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 5.2.2.4 Weibull analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 5.2.2.5 FMECA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 5.2.2.6 Pareto analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 5.2.3 hoW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 5.2.4 What . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 5.2.5 Who . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 vi 5.3 Failure Modes, Effects and Criticality Analysis . . . . . . . . . . . . . . 303 5.3.1 L’analisi FMECA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 5.3.2 Terminologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 5.3.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 6 Pilot plant presso Birra Peroni 309 6.1 Sidel Eurotronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 6.1.1 Macrofunzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 6.1.2 Gruppi principali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 6.1.2.1 Giostra riempitrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 6.1.2.2 Motorizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 6.1.2.3 Trasporto bottiglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 6.1.2.4 Martinetto alzabottiglia . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 6.1.2.5 Valvola di riempimento . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 6.1.2.6 Tappatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 6.1.2.7 Sciacquatrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 6.1.3 Descrizione del funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 6.2 Determinazione dei punti di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 6.2.1 Scomposizione funzionale della riempitrice Sidel . . . . . . . . . 323 6.2.2 Weibull analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 6.2.3 FMECA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 6.2.3.1 Definizione parametri di criticità . . . . . . . . . . . . 335 6.2.3.2 Criticità globali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 6.2.3.3 Analisi di Pareto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 6.2.4 Studio di fattibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 6.2.4.1 Analisi del miglioramento . . . . . . . . . . . . . . . . 342 6.2.5 Analisi tecnico/economica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 6.3 Installazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 6.3.1 Coclea d’ingresso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 6.3.2 Riduttore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 6.3.3 Camma riempitrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 6.3.4 Ralla riempitrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 6.3.5 Centralina di elaborazione ed acquisizione . . . . . . . . . . . . . 364 vii 6.4 Analisi dei segnali e definizione fault frequencies . . . . . . . . . . . . . 368 6.4.1 Gioco meccanico sulla coclea d’ingresso . . . . . . . . . . . . . 368 6.4.2 Difetti di cuscinetto sulle stelle di trasporto . . . . . . . . . . . . 370 6.4.3 Anomalie nei martinetti alzabottiglia . . . . . . . . . . . . . . . . 374 6.4.4 Ralla riempitrice e GMF di martinetto . . . . . . . . . . . . . . . 376 6.5 Definizione delle soglie d’allarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 7 Conclusioni 381 A Richiami di meccanica delle vibrazioni 383 A.1 Principio di d’Alambert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 A.2 Principio dei lavori virtuali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 A.3 Gradi di libertà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 A.4 Modelli fisici e matematici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 A.5 Moto armonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 A.6 Rappresentazione vettoriale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 A.6.1 Rappresentazione con numeri complessi . . . . . . . . . . . . . . 387 A.7 Spazio degli stati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 A.8 Evoluzione libera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 A.8.1 Sistema non smorzato ad 1 DoF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 A.8.2 Sistema smorzato ad 1 DoF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 A.8.3 Rappresentazioni alternative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 A.9 FRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 A.10 Risonanza e massimo trasferimento d’energia . . . . . . . . . . . . . . . 403 B Documentazione HW G-Talk 407 viii
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Tecniche di monitoraggio on-line delle vibrazioni meccaniche per la previsione di guasti nelle macchine automatiche

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Informazioni tesi

  Autore: Roberto Mastrotto
  Tipo: Tesi di Laurea Magistrale
  Anno: 2011-12
  Università: Università degli Studi di Padova
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Meccanica
  Relatore: Alberto Trevisani
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 441

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Parole chiave

analisi spettrale
maintenance
reliability
condition monitoring
manutenzione predittiva
manutenzione proattiva
analisi vibrazioni
fmeca - rcm
roberto mastrotto
vibration analysis

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