A cosa serve la misurazione delle vibrazioni in un motore elettrico? Diagnostica predittiva dei motori industriali

La misurazione delle vibrazioni di un motore elettrico consente di rilevare guasti meccanici ed elettromeccanici in fase di sviluppo prima che causino l’avaria della macchina. Grazie all’analisi delle vibrazioni è possibile valutare lo stato dei cuscinetti, rilevare lo sbilanciamento del rotore, la posizione eccentrica del rotore rispetto allo statore, giochi meccanici, problemi al ventilatore e variazioni preoccupanti nel funzionamento dell’azionamento. In pratica, è uno dei metodi chiave della diagnostica predittiva del motore, perché permette di pianificare il servizio sulla base dello stato tecnico reale, e non solo dopo il verificarsi di un guasto.

Negli stabilimenti industriali i motori elettrici lavorano spesso come elementi di azionamenti critici. Alimentano trasportatori, pompe, ventilatori, macchine utensili, linee di confezionamento, sistemi di trasporto, applicazioni con inverter, servoazionamenti, soft starter e controllori PLC. Quando un motore di questo tipo inizia a funzionare in modo instabile, le conseguenze non si limitano al solo azionamento. Vibrazioni non trattate possono portare alla degradazione dei cuscinetti, al danneggiamento dell’isolamento degli avvolgimenti, al sovraccarico meccanico, a errori di posizionamento, all’arresto del processo e a costosi fermi di produzione.

Per questo la misurazione delle vibrazioni del motore non dovrebbe essere trattata come un controllo aggiuntivo eseguito solo dopo un guasto. Nella manutenzione moderna è uno strumento per prevedere i problemi, pianificare le attività di servizio e ridurre il rischio di arresto della produzione.

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Cosa rileva la misurazione delle vibrazioni di un motore elettrico e perché è importante per la manutenzione?

Perché le vibrazioni sono uno dei primi segnali di usura del motore?

Le vibrazioni in un motore elettrico compaiono quando gli elementi rotanti, supportati da cuscinetti o che cooperano meccanicamente iniziano a lavorare al di fuori del loro corretto intervallo operativo. La causa può essere un cuscinetto usurato, uno sbilanciamento, un disallineamento, una posizione eccentrica del rotore rispetto allo statore, un danneggiamento del ventilatore, l’allentamento del fissaggio o la degradazione progressiva dei componenti meccanici.

Gli elementi del motore più esposti sono di solito i cuscinetti. Il loro stato è difficile da valutare visivamente, perché sono chiusi all’interno della carcassa del motore e lavorano in condizioni di carico, temperatura, lubrificazione e sollecitazioni meccaniche. In molti casi l’utente viene a conoscenza del danneggiamento del cuscinetto solo quando compaiono rumore, aumento della temperatura, battimento percepibile o arresto della macchina.

La diagnostica vibrazionale permette di rilevare tali variazioni in anticipo. La registrazione delle vibrazioni mostra se il comportamento operativo del motore si discosta dallo stato corretto, mentre l’analisi dei trend consente di valutare se il problema sta aumentando e richiede un intervento di servizio.

Quali guasti si possono rilevare tramite la misurazione delle vibrazioni del motore?

La misurazione e l’analisi delle vibrazioni consentono di rilevare non solo il fatto che il motore funzioni in modo anomalo, ma anche di indicare la possibile fonte del problema. Per la manutenzione questo ha grande importanza, perché l’usura di un cuscinetto richiede una reazione diversa rispetto allo sbilanciamento del rotore, mentre un problema di installazione, accoppiamento o sistema di azionamento richiede un approccio ancora diverso.

Danni ai cuscinetti

I cuscinetti danneggiati sono una delle cause più frequenti di vibrazioni elevate del motore. Il problema può derivare dall’usura delle piste, dal danneggiamento degli elementi volventi, dalla mancanza di lubrificazione adeguata, da contaminazione, sovraccarico o funzionamento in condizioni ambientali sfavorevoli.

I sintomi possono includere un aumento dell’ampiezza delle vibrazioni, una variazione dello spettro di frequenza, un aumento del rumore, una temperatura di lavoro più elevata e un funzionamento instabile dell’azionamento. Il rilevamento precoce di tale condizione consente di pianificare la sostituzione dei cuscinetti prima che vengano danneggiati albero, carcassa, ventilatore o accoppiamento.

Sbilanciamento del rotore e del ventilatore

Lo sbilanciamento si verifica quando la massa dell’elemento rotante non è distribuita uniformemente rispetto all’asse di rotazione. Può riguardare il rotore, il ventilatore, la puleggia, l’accoppiamento o gli elementi di trasmissione dell’azionamento. Il risultato è un carico ciclico sui cuscinetti e sulla struttura della macchina, che in caso di funzionamento prolungato porta a un’usura accelerata.

In pratica, lo sbilanciamento può manifestarsi con vibrazioni percepibili, aumento del rumore, allentamento dei collegamenti meccanici, crepe negli elementi di fissaggio e riduzione della durata dei cuscinetti. La misurazione delle vibrazioni di un motore elettrico aiuta a confermare se la fonte del problema sia il motore stesso o gli elementi che cooperano con l’azionamento.

Posizione eccentrica del rotore rispetto allo statore

L’eccentricità significa che il rotore non si trova perfettamente coassiale rispetto allo statore. Può avere carattere statico, dinamico o misto. In questo caso cambia il traferro e il funzionamento della macchina elettrica diventa meno stabile sia dal punto di vista meccanico sia da quello elettromagnetico.

Questo fenomeno può generare armoniche correlate alla frequenza di rotazione del rotore, alla costruzione della macchina e al numero di cave. Nella diagnostica avanzata del motore, l’analisi spettrale consente di riconoscere segnali caratteristici che indicano asimmetria magnetica e geometria di lavoro non corretta del sistema rotore-statore.

Giochi meccanici e degradazione degli elementi dell’azionamento

Le vibrazioni elevate possono essere anche conseguenza di giochi nel fissaggio del motore, usura dell’accoppiamento, problemi di fondazione, allineamento errato o degradazione degli elementi di trasmissione dell’azionamento. In questi casi il problema non si trova sempre nel motore stesso, ma il motore diventa il punto in cui i sintomi sono ben visibili dal punto di vista della misurazione.

Per questo una diagnostica professionale del motore non dovrebbe limitarsi a una semplice constatazione che le vibrazioni sono elevate. È importante determinare se la fonte del problema sia il cuscinetto, il rotore, il ventilatore, l’accoppiamento, il telaio della macchina, il sistema di alimentazione, l’inverter o le condizioni di lavoro dell’intera applicazione.

Cosa significano frequenza delle vibrazioni e ampiezza delle vibrazioni?

Nella diagnostica vibrazionale hanno particolare importanza due parametri: la frequenza delle vibrazioni e l’ampiezza delle vibrazioni. La frequenza informa su quanto spesso si ripete un determinato fenomeno vibrazionale, mentre l’ampiezza ne mostra l’intensità.

Semplificando, si può dire che la frequenza aiuta a rispondere alla domanda: quale può essere la fonte delle vibrazioni? L’ampiezza, invece, aiuta a valutare: quanto è grave il problema e il suo livello sta aumentando?

• L’aumento dell’ampiezza delle vibrazioni può indicare una degradazione progressiva di un elemento meccanico.
• La variazione della frequenza delle componenti dominanti può suggerire una fonte del guasto diversa da quella osservata finora.
• La comparsa di nuove armoniche può indicare un difetto in sviluppo che prima non era visibile.
• La variazione del livello di rumore nello spettro può indicare un peggioramento dello stato tecnico generale della macchina.

Il massimo valore diagnostico non deriva da una singola misurazione, ma dal confronto dei risultati con misurazioni precedenti, con lo stato di una macchina efficiente, con le caratteristiche dell’applicazione e con le condizioni di lavoro. Questo consente di monitorare le vibrazioni nel tempo e prendere decisioni di manutenzione sulla base di un trend, e non di una lettura una tantum.

In che modo la misurazione delle vibrazioni riduce il rischio di fermi produttivi?

Un fermo macchina non pianificato non significa solo il costo della riparazione del motore. In molti stabilimenti industriali significa anche produzione persa, arresto della linea, ritardi nell’evasione degli ordini, carico aggiuntivo per il team di manutenzione e rischio di danneggiamento di ulteriori elementi del sistema.

La diagnostica predittiva del motore consente di passare da un modello reattivo a un modello basato sullo stato tecnico reale. Invece di attendere il cedimento di un cuscinetto, è possibile rilevare prima l’aumento delle vibrazioni, valutare il trend e pianificare l’intervento in una finestra di servizio conveniente.

In pratica, la misurazione delle vibrazioni aiuta a:

• rilevare guasti meccanici in fase di sviluppo prima che fermino la macchina,
• valutare il grado di usura dei cuscinetti, del ventilatore e degli elementi rotanti,
• ridurre il rischio di danni secondari,
• pianificare il servizio invece di eseguire una riparazione d’emergenza,
• prolungare la durata dei motori e degli elementi dell’azionamento,
• limitare il costo della produzione persa,
• aumentare la sicurezza operativa delle macchine critiche.

Come si svolgono la misurazione e l’analisi delle vibrazioni nella diagnostica predittiva del motore?

Quali sensori si utilizzano per misurare le vibrazioni?

La misurazione delle vibrazioni viene eseguita con sensori specializzati che registrano movimento, accelerazione o variazione di posizione nel tempo. Nella diagnostica dei motori elettrici si utilizzano molto spesso accelerometri piezoelettrici, ma non sono l’unica soluzione.

Per la misurazione delle vibrazioni possono essere utilizzati, tra gli altri:

• accelerometri piezoelettrici,
• accelerometri capacitivi,
• accelerometri piezoresistivi,
• sensori MEMS,
• sensori laser di accelerazione.

Gli accelerometri piezoelettrici sfruttano l’effetto piezoelettrico, cioè la formazione di cariche elettriche sulla superficie di un materiale sotto l’effetto di sollecitazioni meccaniche. Quando il sensore è sottoposto a vibrazioni, l’elemento di misura si deforma e il segnale generato può essere trasformato in un’informazione sul livello di vibrazione.

Nelle costruzioni MEMS si possono incontrare sistemi con una trave sospesa realizzata in materiale piezoelettrico. La trave, vincolata da un lato, si deforma sotto l’effetto del movimento, consentendo la rilevazione dell’accelerazione. Per registrare il movimento su piani diversi si utilizzano sistemi che permettono la misurazione su tre assi.

In cosa consiste l’analisi FFT nella diagnostica vibrazionale?

La semplice registrazione delle vibrazioni è solo la prima fase della diagnostica. Il segnale del sensore viene convertito dalla forma analogica a quella digitale e poi analizzato con strumenti matematici. Uno degli strumenti più importanti è la trasformata veloce di Fourier, cioè FFT.

La FFT trasforma il segnale dal dominio del tempo al dominio della frequenza. Ciò significa che, invece di osservare solo l’andamento delle vibrazioni nel tempo, il diagnostico riceve uno spettro di frequenza. In questo spettro si possono cercare frequenze caratteristiche, armoniche e variazioni di ampiezza che indicano difetti specifici.

Nella diagnostica predittiva questo è particolarmente importante, perché diversi danni possono lasciare nello spettro le proprie tracce caratteristiche. I danni alla gabbia del rotore, come barre rotte o segmenti danneggiati degli anelli di cortocircuito, possono manifestarsi attraverso armoniche di scorrimento attorno alla frequenza di alimentazione e ai suoi multipli. I problemi di eccentricità del rotore possono generare componenti legate alla frequenza di rotazione e alla geometria della macchina.

Grazie a questo l’analisi delle vibrazioni dei motori elettrici non consiste solo nel valutare se il motore vibra molto o poco. Il suo obiettivo è riconoscere quale tipo di fenomeno è responsabile di un determinato segnale e se il suo livello indica un’avaria in fase di sviluppo.

Come interpretare i risultati della misurazione delle vibrazioni del motore?

L’interpretazione dei risultati richiede di combinare i dati di misura con la conoscenza della costruzione del motore, delle condizioni di lavoro, del metodo di alimentazione, del carico e della storia dei guasti. Lo stesso livello di vibrazioni può avere un significato diverso in un piccolo motore ausiliario e in un azionamento critico che lavora in continuo.

Durante l’interpretazione dei risultati si prendono in considerazione, tra l’altro:

• il livello dell’ampiezza delle vibrazioni,
• la frequenza delle componenti dominanti,
• la presenza di armoniche e armoniche di scorrimento,
• le variazioni rispetto alle misurazioni precedenti,
• il confronto con lo spettro di una macchina efficiente,
• il livello di rumore nel segnale,
• la velocità di rotazione e la frequenza di alimentazione,
• la costruzione del rotore, dello statore e del sistema di supporto su cuscinetti,
• l’influenza dell’inverter, dell’accoppiamento, del riduttore o del carico meccanico.

Vale la pena sottolineare che lo spettro diagnostico può essere ricco e complesso. Nei motori elettrici sono importanti non solo i fenomeni meccanici, ma anche i fenomeni elettromagnetici, la saturazione del circuito magnetico e le asimmetrie nel funzionamento della macchina. La non linearità del circuito magnetico può rendere più difficile l’interpretazione dello spettro dei segnali, ma allo stesso tempo fornisce informazioni aggiuntive sullo stato tecnico del motore.

Per questo una diagnostica vibrazionale professionale non dovrebbe essere eseguita solo dallo strumento di misura stesso, ma da un team capace di collegare il risultato al funzionamento reale della macchina, al sistema di azionamento e alle conseguenze per la produzione.

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Quando affidare la misurazione delle vibrazioni di un motore elettrico?

Conviene eseguire la misurazione delle vibrazioni sia in modo preventivo sia quando compaiono i primi sintomi di funzionamento anomalo del motore. In molti casi una diagnostica rapida aiuta a evitare una situazione in cui un piccolo problema al cuscinetto o di sbilanciamento porta a un grave guasto dell’azionamento.

Conviene affidare la misurazione delle vibrazioni di un motore elettrico quando si verificano:

• vibrazioni percepibili del motore o dell’intera macchina,
• aumento del rumore durante il funzionamento,
• sospetto di usura dei cuscinetti,
• riscaldamento anomalo del motore,
• guasti ripetuti di cuscinetti o accoppiamenti,
• problemi dopo la sostituzione del motore, dei cuscinetti, del ventilatore o dell’accoppiamento,
• funzionamento instabile dell’azionamento con inverter,
• vibrazioni dopo la modernizzazione della linea o la modifica dei parametri di lavoro,
• necessità di valutare lo stato del motore prima di una revisione pianificata,
• esigenza di monitorare azionamenti critici nella manutenzione.

Vale anche la pena eseguire misurazioni periodiche delle vibrazioni delle macchine nell’ambito di un piano preventivo. Una diagnostica regolare consente di costruire la storia dello stato tecnico del motore e di riconoscere più rapidamente le deviazioni dal normale funzionamento.

Misurazione delle vibrazioni e inverter, servoazionamenti, encoder e sistemi di controllo

Nelle linee di produzione moderne il motore raramente lavora come elemento isolato. Nella maggior parte dei casi è parte di un sistema più ampio in cui sono presenti inverter, servoazionamenti, controllori PLC, pannelli HMI, encoder, moduli I/O, soft starter, alimentatori, convertitori, elettronica di controllo e sistemi di potenza.

Le vibrazioni elevate possono influire su questi elementi in modo indiretto o diretto. Le vibrazioni possono peggiorare la stabilità degli accoppiamenti, causare errori di posizionamento, accelerare l’usura dell’encoder, influire sulla qualità dei segnali di misura e portare ad allarmi ripetuti nel sistema di controllo. Nelle applicazioni con inverter è importante anche collegare le vibrazioni alla velocità di rotazione, all’intervallo di frequenze di lavoro e al tipo di carico.

Per questo una diagnostica efficace del motore dovrebbe considerare non solo il corpo del motore stesso, ma anche l’intero contesto dell’applicazione. In molti casi solo la combinazione di misurazione delle vibrazioni, analisi del funzionamento dell’azionamento, valutazione della meccanica e storico degli errori consente di indicare la reale causa del problema.

La misurazione professionale delle vibrazioni di un motore elettrico come elemento della diagnostica predittiva

Una misurazione professionale delle vibrazioni di un motore elettrico fornisce al reparto manutenzione un’informazione concreta: se il motore lavora in modo stabile, se sono presenti sintomi di usura e se occorre pianificare interventi di servizio. Questo è particolarmente importante nel caso di macchine il cui arresto genera elevati costi produttivi.

In pratica, un servizio di misurazione dovrebbe comprendere non solo la lettura dei valori, ma anche l’analisi dei risultati, la valutazione delle possibili cause e la raccomandazione delle azioni successive. Per uno stabilimento industriale la cosa più importante non è semplicemente constatare che le vibrazioni sono presenti. È fondamentale determinare cosa possono significare, quali rischi comportano e se richiedono una reazione immediata.

Sulla base della misurazione si può prendere una decisione su ulteriori diagnostiche, sostituzione dei cuscinetti, controllo del ventilatore, verifica dell’allineamento, analisi dell’accoppiamento, valutazione del funzionamento dell’inverter o pianificazione della revisione del motore. In questo modo la manutenzione può agire più rapidamente, con maggiore precisione e con un rischio minore di costi inutili.

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La misurazione delle vibrazioni è uno degli strumenti più pratici della diagnostica predittiva, perché collega i dati tecnici a un obiettivo aziendale reale: mantenere la continuità della produzione. Permette di rilevare prima i guasti, pianificare il servizio in modo controllato e limitare le conseguenze delle avarie, che in condizioni industriali sono spesso molto più costose della stessa riparazione del motore.

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