Che cos'è l'analisi delle vibrazioni e come può aiutare a ottimizzare la manutenzione predittiva?

L'analisi delle vibrazioni (o monitoraggio delle vibrazioni) è un potente strumento diagnostico per identificare, monitorare e prevenire guasti meccanici nelle macchine rotanti e alternative. È un componente essenziale dei programmi di manutenzione predittiva, che consente ai tecnici di rilevare lo sviluppo di problemi nell'attrezzatura prima che causino costosi tempi di inattività non pianificati o guasti catastrofici.

L'analisi delle vibrazioni, un componente dei sistemi di condition monitoring, utilizza sensori di vibrazione per misurare le frequenze di un asset e rilevare anomalie che possono indicare un problema. Fondamentalmente, l'analisi delle vibrazioni è lo studio dei movimenti oscillatori delle macchine e dei loro componenti attorno a un punto di equilibrio stabilito. Queste oscillazioni possono derivare da una serie di problemi, tra cui squilibri, disallineamenti, allentamenti, alberi piegati e difetti dei cuscinetti, tra gli altri.

Misurando e analizzando le vibrazioni delle macchine, i tecnici possono valutare meglio lo stato di salute e le prestazioni dell'attrezzatura, consentendo loro di individuare i problemi e attuare azioni correttive. E poiché i componenti rotanti e alternativi (ad esempio, motori, compressori, pompe ecc.) tendono a vibrare più intensamente e più rumorosamente con l'avanzare dell'età, l'analisi delle variazioni di vibrazione può aiutare i responsabili della manutenzione a monitorare le condizioni della macchina in tempo reale e a identificare in modo proattivo l'usura e i danni agli asset.

Le vibrazioni sono multidimensionali, quindi i test di vibrazione richiedono la comprensione di vari parametri. I parametri primari sono l'ampiezza, la frequenza e la fase:

• L'ampiezza si riferisce all'entità della vibrazione, generalmente misurata in unità come spostamento (mil o micrometri), velocità (pollici al secondo o millimetri al secondo) o accelerazione (g).
• La frequenza misura il numero di oscillazioni per unità di tempo, solitamente espresso in Hertz (Hz).
• La fase si riferisce alla tempistica relativa della forma d'onda della vibrazione, in genere misurata in gradi.

Gli analizzatori di vibrazioni possono utilizzare questi fattori, insieme ad altri come la forma d'onda, la forma d'onda e il contenuto armonico, per identificare guasti specifici della macchina e la loro gravità. 

Esistono anche due tipi principali di vibrazioni:

• La vibrazione forzata si verifica quando una forza esterna viene applicata a un sistema, causandone la vibrazione. Gli esempi includono le vibrazioni prodotte da un motore o da una pompa in funzione.
• La vibrazione naturale, nota anche come risonanza, si verifica quando un sistema vibra alla sua frequenza naturale. Questo tipo di vibrazione può essere problematico se la frequenza naturale della macchina coincide con la frequenza operativa, in quanto può portare a vibrazioni eccessive.

Nell'odierno panorama industriale competitivo, garantire il funzionamento regolare e la longevità dei macchinari è fondamentale. Seguire un processo di analisi delle vibrazioni passo dopo passo può aiutarla a utilizzare le vibrazioni delle macchine per comprendere meglio l'attrezzatura e lo stato di salute del sistema.

Passaggio 1. Raccogli dati preliminari

Per condurre un'analisi delle vibrazioni, inizia con la raccolta dei dati relativi all'attrezzatura e/o alla struttura che analizzerai. Assicurati di identificare la posizione e il tipo di sensori necessari per le misurazioni delle vibrazioni, inclusi eventuali intervalli di ampiezza e frequenza, poiché i sensori fungeranno da raccoglitori di dati durante tutto il processo. È anche importante raccogliere informazioni sulle condizioni operative dell'attrezzatura, come velocità, carico e temperatura.

Passaggio 2. Misurare le vibrazioni

La fase successiva del processo consiste nella misurazione delle vibrazioni del macchinario scelto. L'analisi delle vibrazioni comporta in genere la misurazione dell'ampiezza delle vibrazioni di un asset o di un sistema.

In questo caso, per effettuare le misurazioni, ci si affiderà a un accelerometro collegato ai punti chiave delle vibrazioni. Gli accelerometri (ad es. accelerometri piezoelettrici, sonde di prossimità, vibrometri laser doppler, ecc.) utilizzano risposte ad alta frequenza per misurare l'accelerazione di un oggetto vibrante in tre direzioni: su e giù, da un lato all'altro e da una parte anteriore all'altra.

È inoltre possibile misurare le vibrazioni utilizzando sensori di velocità e sensori di spostamento. I sensori di velocità misurano la velocità di un oggetto vibrante, offrendo una risposta a media frequenza ideale per monitorare lo stato di salute della macchina. I sensori di spostamento, invece, misurano lo spostamento di un oggetto vibrante, fornendo una risposta a bassa frequenza adatta a rilevare problemi strutturali e squilibri.

Passaggio 3. Analizza i dati

Una volta raccolti tutti i dati rilevanti, è il momento di analizzarli. La fase di analisi richiederà l'utilizzo di algoritmi e software informatici per identificare i modelli di vibrazione e le tendenze dei dati e sarà necessario confrontare i dati con gli standard e le linee guida stabiliti.

I team di manutenzione possono utilizzare una varietà di tecniche per analizzare i dati sulle vibrazioni, tra cui: 

• Analisi nel dominio del tempo: per condurre un'analisi mel dominio del tempo, analizzerai il segnale di vibrazione grezzo nel tempo. I tecnici possono estrarre e valutare i dati (ad esempio, ampiezza di picco, fattore di cresta, asimmetria, radice quadrata media (RMS), ecc.) del segnale direttamente dalla forma d'onda temporale. Questa tecnica è utile per rilevare fenomeni transitori come impatti o shock. 
• Analisi nel dominio della frequenza: Utilizzando un'operazione matematica di analisi della frequenza chiamata Fast Fourier Transform (FFT), l'analisi nel dominio della frequenza prevede la conversione del segnale nel dominio del tempo in un segnale nel dominio della frequenza. Lo spettro di frequenza risultante facilita l'identificazione delle frequenze specifiche associate ai guasti meccanici.
• Analisi dell'inviluppo: nota anche come demodulazione, l'analisi dell'inviluppo viene utilizzata principalmente per rilevare i difetti dei cuscinetti in fase iniziale. Consiste nell'estrarre i segnali di impatto ad alta frequenza generati da cuscinetti danneggiati dal segnale di vibrazione complessivo, consentendo ai tecnici di identificare la presenza e la gravità dei guasti dei cuscinetti.
• Analisi modale: l'analisi modale è una tecnica più avanzata che si concentra sull'identificazione delle frequenze naturali, delle forme modali e delle caratteristiche di smorzamento di una macchina. Lo studio di queste proprietà aiuta gli analisti a valutare il comportamento dinamico di una macchina e a identificare potenziali problemi strutturali e/o condizioni di risonanza.

Passaggio 6: Interpreta i risultati

Un'analisi di successo richiederà agli analisti delle vibrazioni di comprendere le frequenze specifiche associate a vari problemi meccanici. Di seguito sono riportate alcune frequenze di errore comuni:

• Frequenza fondamentale: frequenza alla quale un componente rotante completa una rotazione completa. Le deviazioni dalla frequenza fondamentale di base possono aiutare a identificare difetti specifici, come squilibrio, disallineamento e allentamento.
• Armoniche: I multipli interi della frequenza fondamentale spesso associati a problemi di ingranamento degli ingranaggi o ad altri eventi ciclici.
• Bande laterali: Il risultato della modulazione della frequenza fondamentale con un'altra frequenza, come nell'interazione tra un guasto del cuscinetto e la frequenza di un componente rotante. Le bande laterali appaiono spesso come picchi simmetrici attorno alla frequenza fondamentale o alle sue armoniche e possono essere indicative di problemi ai cuscinetti e/o denti degli ingranaggi rotti.

Passaggio 5. Intraprendi azioni correttive

Una volta identificati i potenziali problemi nella fase di interpretazione, imposti delle soglie di allarme che attivino una risposta quando le vibrazioni le superano. Queste soglie possono essere basate su standard di settore, dati storici o raccomandazioni del produttore. I tipi di soglie di allarme più comunemente utilizzati sono le soglie assolute, le soglie di tendenza e le soglie statistiche.

• Le soglie assolute sono valori fissi basati sui livelli di vibrazione accettabili per determinati tipi di attrezzatura. 
• Le soglie di tendenza sono valori dinamici che cambiano nel tempo in base alle prestazioni storiche dell'attrezzatura. Quando i livelli di vibrazione aumentano improvvisamente, potrebbe indicare un problema in via di sviluppo.
• Le soglie statistiche derivano dall'analisi statistica dei dati storici, tenendo conto della media e della deviazione standard dei livelli di vibrazione.

Quando un sistema o un asset supera la soglia di allarme, il responsabile della manutenzione deve adottare le misure appropriate per affrontare il problema. Ciò può comportare la pianificazione della manutenzione, la regolazione dei parametri operativi o l'esecuzione di ulteriori analisi per individuare la causa del problema.

Implementare l'analisi delle vibrazioni come parte di un programma di manutenzione predittiva offre numerosi benefici:

• Rilevamento precoce dei guasti: l'analisi delle vibrazioni può rilevare lo sviluppo di guasti nei macchinari molto prima che diventino visibili o udibili dai sensi umani. Queste funzionalità di rilevamento aiutano i team di manutenzione a programmare riparazioni o sostituzioni prima che si verifichi un guasto, riducendo i tempi di inattività e migliorando la produttività complessiva.
• Migliore pianificazione della manutenzione: identificando la gravità dei guasti della macchina, l'analisi delle vibrazioni consente ai team di manutenzione di dare priorità ai propri sforzi e allocare le risorse in modo più efficace. Questo approccio mirato può comportare significativi risparmi sui costi e una maggiore affidabilità dell'attrezzatura.
• Costi di manutenzione ridotti: individuare e correggere i guasti delle macchine prima che portino a guasti catastrofici può aiutare le organizzazioni a evitare costose riparazioni e sostituzioni di attrezzatura. Inoltre, la manutenzione predittiva basata sull'analisi delle vibrazioni può prolungare la durata dei macchinari, riducendo ulteriormente le spese in conto capitale a lungo termine. 
• Maggiore sicurezza: l'analisi delle vibrazioni può svolgere un ruolo cruciale nel mantenere un ambiente di lavoro sicuro per i dipendenti. Rilevare e risolvere in modo proattivo i potenziali guasti meccanici riduce significativamente il rischio di incidenti e lesioni nel posto di lavoro.
• Migliore efficienza energetica: i macchinari difettosi spesso consumano più energia di quanto dovrebbero, con conseguente aumento dei costi operativi. La correzione dei problemi mediante l'analisi delle vibrazioni aiuta le organizzazioni a ottimizzare l'efficienza degli asset e a ridurre il consumo di energia.

La versatilità dell'analisi delle vibrazioni la rende una metodologia utile in un'ampia gamma di settori e tipi di attrezzatura.

Gli impianti di produzione utilizzano l'analisi delle vibrazioni per monitorare le condizioni dei motori (compresi i motori elettrici), dei riduttori, dei nastri trasportatori e delle macchine utensili. I dati sulle vibrazioni possono essere utilizzati per ottimizzare i processi di produzione, ridurre il rischio di guasti dell'attrezzatura e migliorare l'efficienza complessiva dell'impianto.

Nel settore automobilistico, l'analisi delle vibrazioni svolge un ruolo significativo nella progettazione, sviluppo e collaudo dei componenti. L'analisi delle caratteristiche di vibrazione di motori, trasmissioni e sistemi di sospensione può aiutare gli ingegneri a ottimizzare i loro progetti per migliorare le prestazioni e l'affidabilità nel mondo reale e aumentare il comfort dei passeggeri.

Nel settore aerospaziale, l'analisi delle vibrazioni consente agli ingegneri di identificare e affrontare problemi come vibrazioni eccessive, risonanza o affaticamento del materiale per migliorare l'affidabilità e la longevità dei sistemi aeronautici. E nel settore dell'energia eolica, l'analisi delle vibrazioni aiuta gli operatori delle turbine a monitorare lo stato di salute delle turbine per identificare squilibri delle pale, guasti della scatola del cambio e/o difetti dei cuscinetti.

L'analisi delle vibrazioni è uno strumento inestimabile nel mondo della manutenzione predittiva, che offre alle organizzazioni la capacità di rilevare tempestivamente i guasti delle macchine. Comprendere i principi dell'analisi delle vibrazioni e utilizzare software avanzati come IBM Maximo Application Suite può aiutare i team di manutenzione a migliorare significativamente l'affidabilità, l'efficienza e la sicurezza della loro attrezzatura.

IBM Maximo è una piattaforma integrata che aiuta le aziende manifatturiere a ottimizzare le prestazioni degli asset e a semplificare le operazioni quotidiane. Con Maximo, i team possono configurare contatori per osservare e misurare lo stato di salute degli asset e collegarli ai sensori di vibrazione installati sugli asset chiave, aiutandoli a memorizzare e accedere più facilmente ai dati delle macchine.

Utilizzando una piattaforma integrata basata su AI e cloud, Maximo offre funzionalità CMMS, EAM e APM che producono analytics avanzata dei dati sulle vibrazioni e aiutano i manager a prendere decisioni di manutenzione più intelligenti e basate sui dati.

Mentre i settori continuano a evolversi e ad adottare nuove tecnologie, l'analisi delle vibrazioni rimarrà in prima linea nel mantenimento dello stato di salute delle macchine e nella garanzia delle prestazioni. Sfruttando le caratteristiche avanzate e le funzionalità di ibm maximo, le aziende possono trasformare le operazioni di manutenzione per stare al passo con il landscape in continua evoluzione.