Come funziona la manutenzione predittiva dei motori? Sensori di vibrazione autonomi Viezo Sonora

La manutenzione predittiva dei motori consiste nel monitoraggio regolare delle loro effettive condizioni tecniche e nel rilevamento dei cambiamenti che precedono un guasto. I sensori Viezo Sonora misurano le vibrazioni e la temperatura della macchina, trasmettono i dati tramite un gateway al cloud, mentre il sistema analizza le tendenze e le componenti caratteristiche del segnale. Quando compare un’anomalia persistente che indica usura dei cuscinetti, sbilanciamento, disallineamento o gioco meccanico, il reparto manutenzione riceve informazioni che consentono di pianificare il controllo e la riparazione.

Ciò non significa prevedere la data esatta del guasto di ogni componente. L’obiettivo è riconoscere il prima possibile il peggioramento delle condizioni della macchina, monitorare la velocità di sviluppo dell’anomalia ed eseguire gli interventi di assistenza prima di un arresto incontrollato della produzione.

I motori e i sistemi da essi azionati sono responsabili di una parte significativa del consumo mondiale di energia elettrica. Negli impianti industriali vengono utilizzati, tra l’altro, in pompe, ventilatori, compressori, trasportatori, miscelatori, macchine utensili e linee di produzione. Il guasto di un singolo motore può quindi arrestare non solo una macchina, ma anche l’intero processo tecnologico collegato.

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Come funziona la manutenzione predittiva dei motori elettrici?

In che modo la manutenzione predittiva differisce da quella preventiva?

Nella manutenzione reattiva, la riparazione viene eseguita solo dopo che si è verificato un guasto. Questo approccio può essere giustificato nel caso di dispositivi economici e non critici, il cui arresto non influisce in modo significativo sulla produzione. Nel caso dei motori essenziali, tuttavia, il rischio è molto maggiore.

La manutenzione preventiva si basa su un programma. Cuscinetti, guarnizioni o altri componenti vengono controllati o sostituiti dopo un determinato numero di ore, indipendentemente dalle loro condizioni effettive. Ciò riduce il numero di guasti, ma può portare alla sostituzione prematura di componenti ancora efficienti oppure alla mancata individuazione di un difetto che si sviluppa tra un’ispezione e l’altra.

La manutenzione predittiva utilizza i dati provenienti dalla macchina. La decisione relativa a un’ispezione, una riparazione o una sostituzione viene presa sulla base delle variazioni di parametri quali:

• accelerazione delle vibrazioni;
• valore RMS;
• frequenze caratteristiche;
• armoniche della velocità di rotazione;
• temperatura dell’alloggiamento;
• corrente assorbita dal motore;
• velocità di variazione dei valori nel tempo;

Strategia di manutenzione	Momento di esecuzione degli interventi	Limite principale
Reattiva	Dopo il verificarsi del guasto	Fermo non pianificato e rischio di danni secondari
Preventiva	Secondo un programma	Mancanza di informazioni complete sulle condizioni effettive dei componenti
Predittiva	Dopo aver rilevato un peggioramento delle condizioni	Richiede misurazioni affidabili e una corretta interpretazione dei dati

Perché le vibrazioni consentono di valutare le condizioni del motore?

Ogni macchina rotante in funzione genera vibrazioni. La loro presenza non indica automaticamente un guasto. Sono importanti la variazione del livello, la distribuzione delle frequenze e la relazione tra le singole componenti del segnale.

Un rotore sbilanciato produce uno schema vibrazionale diverso da quello causato dal danneggiamento della pista di un cuscinetto. Il disallineamento degli alberi può aumentare le componenti legate alla frequenza di rotazione, mentre i giochi meccanici spesso determinano la comparsa di numerose armoniche. I danni agli elementi volventi possono manifestarsi nelle gamme di frequenza più elevate.

Una diagnosi corretta non dovrebbe basarsi esclusivamente su un singolo valore. È necessario considerare:

• la velocità di rotazione del motore;
• il carico attuale;
• il metodo di fissaggio del dispositivo;
• il tipo di cuscinetti;
• l’influenza della pompa, del ventilatore, del riduttore o di un’altra macchina;
• la direzione della misurazione;
• le variazioni che si verificano in un periodo più lungo.

Per questo motivo, nella manutenzione predittiva la tendenza è particolarmente importante. Un aumento occasionale delle vibrazioni può derivare da un urto, da una variazione temporanea del carico o da un processo eseguito nelle vicinanze. Il sistema dovrebbe riconoscere cambiamenti persistenti e ripetibili che si sviluppano nelle misurazioni successive.

Come funziona la misurazione delle vibrazioni con un sensore Viezo Sonora?

Sonora è un sistema autonomo di monitoraggio delle condizioni delle macchine rotanti. Il sensore viene installato direttamente sull’alloggiamento del dispositivo controllato e registra regolarmente i dati relativi alle vibrazioni e alla temperatura.

In questo caso, il termine “autonomo” indica principalmente l’alimentazione a batteria del sensore, l’esecuzione automatica delle misurazioni e la trasmissione wireless dei dati. Non si tratta di un sistema cablato che richiede il collegamento dell’alimentazione e della rete di comunicazione a ogni punto di misura.

Parametro del sensore Sonora	Caratteristica dichiarata
Alimentazione	Batteria
Durata operativa dichiarata	Fino a 5 anni
Frequenza delle misurazioni	Normalmente una volta all’ora
Gamma dell’accelerometro	Fino a 25 kHz
Misurazione della temperatura	Sì
Comunicazione con il gateway	Bluetooth
Grado di protezione	IP66
Temperatura di esercizio dichiarata	Da -30°C a +80°C
Montaggio	Adesivo e magnete

Le misurazioni regolari effettuate durante l’intero periodo di esercizio garantiscono un monitoraggio continuo delle condizioni del dispositivo. Ciò non deve tuttavia essere confuso con la trasmissione ininterrotta dell’intero andamento delle vibrazioni 24 ore su 24. Nella configurazione standard, il sensore esegue le misurazioni periodicamente.

Registrazione delle vibrazioni e della temperatura sull’alloggiamento della macchina

L’accelerometro registra le vibrazioni trasmesse all’alloggiamento del motore o al corpo del dispositivo monitorato. Sulla base dell’accelerazione misurata è possibile calcolare le caratteristiche del segnale utilizzate per valutare le condizioni tecniche.

Il monitoraggio simultaneo della temperatura aiuta a riconoscere le situazioni in cui l’aumento delle vibrazioni è accompagnato da un incremento della temperatura dell’alloggiamento. Ciò può verificarsi, tra l’altro, in caso di attrito eccessivo, peggioramento della lubrificazione, sovraccarico o problemi di raffreddamento.

Trasmissione dei dati al cloud tramite il gateway

Il sensore trasmette i dati a un gateway di comunicazione situato nelle vicinanze. La comunicazione tra il sensore e il gateway avviene in modalità wireless tramite Bluetooth. Il gateway può quindi trasmettere i dati al cloud.

Questa architettura limita la necessità di posare cavi da ogni motore al quadro elettrico. Ciò è particolarmente importante negli stabilimenti in funzione, nei quali la realizzazione di un nuovo impianto cablato richiederebbe l’arresto delle macchine o interventi sul sistema di automazione esistente.

Analisi delle tendenze, spettro FFT e generazione degli avvisi

Il segnale raccolto può essere analizzato nel dominio del tempo e della frequenza. L’andamento temporale mostra come è variato il valore delle vibrazioni durante la misurazione. La trasformata FFT converte il segnale in uno spettro che indica le frequenze alle quali si manifestano componenti vibrazionali significative.

Il sistema può analizzare, tra l’altro:

• la variazione del valore RMS;
• lo sviluppo delle armoniche;
• l’energia in determinate bande di frequenza;
• le variazioni delle frequenze dominanti;
• la ripetibilità delle anomalie;
• la velocità di peggioramento delle condizioni del dispositivo;
• la relazione tra temperatura e vibrazioni.

I risultati sono disponibili in un pannello online. In caso di rilevamento di anomalie persistenti, il sistema può generare un avviso inviato tramite e-mail o SMS.

Quali guasti dei motori possono essere rilevati in base alle vibrazioni?

La diagnostica vibrazionale delle macchine rotanti è particolarmente utile per rilevare i guasti meccanici. La possibilità di identificare un difetto dipende dal punto di installazione del sensore, dalla qualità del segnale, dalla velocità di rotazione, dalla struttura del dispositivo e dal livello di sviluppo del danno.

Usura e danneggiamento dei cuscinetti

I danni alle piste, agli elementi volventi o alla gabbia possono generare impulsi caratteristici e componenti ad alta frequenza. Con lo sviluppo del guasto possono aumentare il livello delle vibrazioni, il numero di armoniche e l’energia in determinate bande dello spettro.

La causa del problema non deve necessariamente essere la normale usura. I cuscinetti possono danneggiarsi a causa di:

• lubrificazione non corretta;
• contaminazione;
• tensione eccessiva delle cinghie;
• disallineamento;
• montaggio non corretto;
• sovraccarico;
• passaggio di correnti nei cuscinetti;
• vibrazioni trasmesse dalla macchina azionata.

Il rilevamento precoce delle variazioni consente di controllare la lubrificazione, i giochi e l’allineamento prima del grippaggio del cuscinetto e del danneggiamento dell’albero, degli scudi o dell’avvolgimento.

Sbilanciamento del rotore o del ventilatore

Lo sbilanciamento indica una distribuzione irregolare della massa rispetto all’asse di rotazione. Può riguardare il rotore del motore, il ventilatore, la puleggia, il giunto o un utensile montato sull’albero.

Un segnale tipico è l’aumento delle vibrazioni associate alla frequenza di rotazione. La causa può essere la contaminazione del ventilatore, la perdita di materiale, una pala danneggiata, lo spostamento di un componente o una bilanciatura non corretta dopo la riparazione.

Disallineamento degli alberi e danneggiamento del giunto

Il disallineamento si verifica quando l’albero del motore e l’albero della macchina azionata non si trovano sul corretto asse comune. Può essere parallelo, angolare oppure combinare entrambi i tipi di deviazione.

Le conseguenze possono includere:

• vibrazioni assiali e radiali elevate;
• usura accelerata dei cuscinetti;
• surriscaldamento del giunto;
• danneggiamento delle guarnizioni;
• aumento del carico sugli alberi;
• aumento della corrente assorbita dal motore.

La sola sostituzione dei cuscinetti senza eliminare il disallineamento può causare il rapido ritorno del guasto.

Giochi meccanici, risonanza ed errori di montaggio

Bulloni di fondazione allentati, una base danneggiata, un supporto non corretto o un gioco in un collegamento possono causare una risposta non lineare della macchina e l’aumento di numerose armoniche.

Le vibrazioni elevate possono inoltre derivare dalla risonanza, ossia dal funzionamento in prossimità della frequenza naturale della struttura. In questo caso, la sostituzione del motore non risolverà il problema se la fonte è la base, il telaio o il sistema di tubazioni.

Il monitoraggio delle vibrazioni può anche evidenziare anomalie che compaiono immediatamente dopo il montaggio, come:

• allineamento non corretto del giunto;
• fissaggio allentato;
• sollecitazioni delle tubazioni trasmesse alla pompa;
• cuscinetto montato in modo errato;
• cinghia eccessivamente tesa;
• componente sbilanciato montato sull’albero.

Che cosa significano RMS, FFT e armoniche delle vibrazioni?

RMS è il valore efficace del segnale e consente di descriverne in modo semplificato il livello energetico complessivo. Un aumento del valore RMS può indicare un peggioramento delle condizioni della macchina, ma non determina autonomamente il tipo di guasto.

FFT, ossia la trasformata veloce di Fourier, converte l’andamento temporale in uno spettro di frequenza. In questo modo è possibile verificare se l’aumento delle vibrazioni si verifica alla frequenza di rotazione, ai suoi multipli oppure nelle bande più elevate associate, ad esempio, ai cuscinetti.

Le armoniche sono componenti presenti ai multipli della frequenza fondamentale. La loro disposizione e ampiezza possono aiutare a riconoscere giochi meccanici, disallineamenti o altri disturbi periodici.

L’interpretazione dovrebbe inoltre tenere conto delle variazioni della velocità del motore. Nel caso di un azionamento con inverter, la frequenza di rotazione può variare insieme alla velocità impostata e, di conseguenza, anche la posizione di alcune componenti dello spettro può cambiare.

Dove installare un sensore di vibrazione sul motore?

Il sensore deve essere posizionato su una parte rigida dell’alloggiamento, il più vicino possibile al cuscinetto controllato. Il segnale deve essere trasmesso direttamente attraverso la struttura, senza protezioni flessibili o sottili elementi in lamiera.

Nella scelta del punto di installazione è opportuno considerare:

• la posizione del cuscinetto lato azionamento;
• la posizione del cuscinetto lato opposto all’azionamento;
• l’accesso alla superficie di montaggio;
• la temperatura dell’alloggiamento;
• il rischio di urtare accidentalmente il sensore;
• la portata della comunicazione con il gateway;
• la possibilità di eseguire il montaggio in sicurezza.

La superficie deve essere pulita da vernice scrostata, olio e contaminanti. Il fissaggio deve essere stabile, poiché una variazione del metodo di montaggio può influire sul segnale registrato e rendere difficile il confronto tra le misurazioni successive.

La diagnostica vibrazionale rileva tutti i guasti del motore?

No. La diagnostica vibrazionale è molto efficace nella valutazione di numerosi guasti meccanici, ma non sostituisce tutti gli altri metodi di controllo del motore.

Per una valutazione più completa possono essere necessari anche:

• misurazione della resistenza degli avvolgimenti;
• misurazione della resistenza di isolamento;
• test dei cortocircuiti tra le spire;
• analisi della corrente del motore;
• termografia;
• controllo dell’encoder o del resolver;
• diagnostica dell’inverter;
• misurazione dei giochi dell’albero;
• controllo del lubrificante e dei cuscinetti;
• prova dinamica sotto carico.

Ad esempio, il deterioramento dell’isolamento degli avvolgimenti potrebbe inizialmente non causare variazioni evidenti delle vibrazioni. Allo stesso modo, un errore dell’inverter o del sistema di controllo può influire sul funzionamento dell’azionamento senza produrre una tipica firma meccanica.

Se il monitoraggio indica un peggioramento delle condizioni del motore, è opportuno combinare l’analisi delle vibrazioni con misurazioni elettriche e con il controllo della macchina azionata.

Come implementare la diagnostica vibrazionale dei motori e reagire agli avvisi?

Quali motori devono essere sottoposti per primi al monitoraggio?

Non tutti i motori presenti in uno stabilimento richiedono lo stesso livello di supervisione. È opportuno monitorare innanzitutto i dispositivi il cui guasto comporta le maggiori conseguenze per la produzione, la qualità o la sicurezza.

La priorità dovrebbe essere assegnata a:

• motori senza un’unità di riserva disponibile;
• azionamenti in funzionamento continuo;
• motori difficilmente accessibili durante il funzionamento;
• azionamenti di pompe, ventilatori e compressori critici per il processo;
• motori con lunghi tempi di consegna;
• dispositivi il cui guasto arresta l’intera linea;
• azionamenti che funzionano ad alta temperatura o in ambienti polverosi;
• macchine con precedenti problemi ai cuscinetti;
• motori recentemente riparati o modernizzati;
• sistemi con elevati costi dovuti alla perdita di produzione.

Un buon punto di partenza consiste nel preparare un elenco dei dispositivi e nell’assegnare loro un livello di criticità. È necessario considerare l’impatto del guasto, la disponibilità dei ricambi, il tempo di sostituzione, le risorse richieste e la possibilità di utilizzare un azionamento di riserva.

Come determinare il corretto livello di riferimento delle vibrazioni?

Non esiste un unico livello di vibrazione adatto a tutti i motori. Un piccolo motore installato su una base rigida, un grande ventilatore e una pompa che lavora con carico variabile presenteranno caratteristiche differenti.

Durante la valutazione è necessario considerare:

• la velocità di rotazione;
• il tipo di fondazione;
• il tipo di macchina azionata;
• le condizioni di carico;
• le variazioni di velocità impostate dall’inverter;
• la tendenza storica del dispositivo specifico.

Le norme relative alla valutazione delle vibrazioni delle macchine possono fornire criteri generali, ma non dovrebbero sostituire l’analisi della tendenza individuale. Nella manutenzione predittiva è particolarmente preziosa l’informazione che un determinato motore sta iniziando a comportarsi in modo diverso rispetto al passato.

Che cosa fare dopo aver ricevuto un avviso dal sistema Sonora?

Un avviso dovrebbe avviare un processo diagnostico e non portare automaticamente alla sostituzione del motore. Innanzitutto, è necessario confermare le condizioni nelle quali è stata eseguita la misurazione e verificare se la variazione persiste nelle letture successive.

1. Controlla il dispositivo e le condizioni di funzionamento. Determina la velocità, il carico e lo stato del processo al momento della misurazione.
2. Analizza la tendenza. Verifica se il livello delle vibrazioni aumenta, rimane stabile o è tornato ai valori precedenti.
3. Verifica il punto di montaggio. Assicurati che il sensore non sia stato spostato o allentato.
4. Esegui un’ispezione visiva. Controlla il fissaggio, il giunto, le cinghie, il ventilatore, le perdite e la temperatura.
5. Confronta gli altri punti del sistema. La fonte delle vibrazioni potrebbe essere la pompa, il riduttore o la struttura e non il motore stesso.
6. Pianifica misurazioni aggiuntive. Se necessario, esegui misurazioni con un analizzatore di vibrazioni portatile e controlli elettrici.
7. Stabilisci il momento dell’intervento. Determina se è necessario un intervento immediato, un controllo durante il prossimo arresto o un’ulteriore osservazione.

Variazione osservata	Possibile causa	Intervento consigliato
Aumento delle vibrazioni alla frequenza di rotazione	Sbilanciamento del rotore, del ventilatore o della ruota	Controllo della contaminazione, del fissaggio e della bilanciatura
Aumento delle componenti assiali e delle armoniche	Disallineamento o danneggiamento del giunto	Controllo dell’allineamento, del giunto e del punto di montaggio
Aumento delle vibrazioni ad alta frequenza	Danneggiamento progressivo del cuscinetto	Controllo della lubrificazione e diagnostica dei cuscinetti
Numerose armoniche e segnale instabile	Gioco meccanico o fissaggio allentato	Controllo di bulloni, base, alloggiamento e collegamenti
Aumento simultaneo delle vibrazioni e della temperatura	Attrito, sovraccarico o peggioramento del raffreddamento	Controllo di cuscinetti, carico, ventilazione e corrente
Variazione dello spettro dopo la regolazione dell’inverter	Variazione della velocità o funzionamento nell’area di risonanza	Confronto dei dati in condizioni di velocità simili

Quando è sufficiente l’osservazione e quando è necessaria la riparazione del motore?

Un’ulteriore osservazione può essere giustificata quando la variazione è ridotta, non progredisce e il dispositivo non presenta un aumento della temperatura, del rumore o altri sintomi. È tuttavia necessario stabilire la frequenza dei controlli successivi.

Un intervento di assistenza è consigliato quando:

• il livello delle vibrazioni aumenta sistematicamente;
• compaiono nuove armoniche;
• le vibrazioni sono accompagnate da un aumento della temperatura;
• il motore inizia a funzionare in modo più rumoroso;
• compaiono giochi;
• aumenta la corrente assorbita;
• il dispositivo perde efficienza;
• il guasto può danneggiare componenti critici della macchina;

In caso di rapido sviluppo del danneggiamento di un cuscinetto, il funzionamento prolungato può portare al grippaggio e al danneggiamento dell’albero, del rotore, dello statore o dell’alloggiamento. Una riparazione inizialmente limitata alla sostituzione dei cuscinetti può quindi trasformarsi in una costosa rigenerazione dell’intero motore.

Quali interventi di assistenza possono derivare dall’analisi delle vibrazioni?

L’ambito degli interventi dipende dalla fonte identificata dell’anomalia. La diagnostica vibrazionale può portare all’esecuzione di operazioni quali:

• sostituzione dei cuscinetti;
• correzione della quantità o del tipo di lubrificante;
• bilanciatura del rotore o del ventilatore;
• allineamento del motore e della macchina;
• sostituzione o rigenerazione del giunto;
• serraggio dei fissaggi;
• riparazione della base o della fondazione;
• correzione della tensione delle cinghie;
• riparazione dell’albero;
• controllo del riduttore;
• rigenerazione dell’avvolgimento;
• controllo dell’inverter e dei parametri di comando;
• test del motore sotto carico.

Dopo la riparazione è opportuno continuare il monitoraggio. Una diminuzione delle vibrazioni conferma l’efficacia degli interventi eseguiti, mentre la persistenza dell’anomalia può indicare che la causa originaria si trova al di fuori del motore.

In che modo la manutenzione predittiva riduce i fermi di produzione?

Il vantaggio principale è la possibilità di spostare la riparazione dal momento di un guasto imprevisto a un fermo pianificato. Il reparto manutenzione può preparare in anticipo i ricambi, gli utensili, il personale e il dispositivo sostitutivo.

Il monitoraggio aiuta inoltre a ridurre:

• il tempo necessario per individuare la fonte del guasto;
• il numero di sostituzioni inutili di componenti ancora efficienti;
• l’entità dei danni secondari;
• la necessità di ordinare ricambi in emergenza;
• il rischio di arresto delle macchine collegate;
• il costo degli interventi di assistenza in modalità di emergenza;
• le perdite derivanti dall’interruzione della produzione.

Per il reparto produzione, ciò significa una maggiore prevedibilità della disponibilità delle macchine. Il reparto acquisti dispone di più tempo per procurare i ricambi, mentre il servizio di assistenza può pianificare la riparazione in base alle effettive condizioni del dispositivo.

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