Manutenzione Industriale: Manutenzione Predittiva

Analisi e riduzione dei fermi in un Impianto Industriale

Piano di manutenzione predittiva con l’ ausilio dell’ analisi vibrazionale

L’industria deve essere flessibile, per cui deve ridurre al zero le perdite per manutenzioni a guasto o preventive. Il monitoraggio delle condizioni, la capacità di raccogliere ed analizzare
i dati che provengono dalla macchina permettono di ridurre al minimo i tempi di fermo degli impianti.

Premessa:

La manutenzione preventiva è una politica di manutenzione che si prefigge l'obiettivo di eseguire un intervento manutentivo di "verifica strumentale” analisi, revisione" "sostituzione" o "riparazione", prima che nel componente si manifesti il guasto.

La manutenzione predittiva è un tipo di manutenzione preventiva che viene effettuata a seguito dell'individuazione di uno o più parametri che vengono misurati ed estrapolati utilizzando appropriati modelli matematici allo scopo di individuare il tempo residuo prima del guasto. A tale fine si utilizzano svariate metodologie, come ad esempio le analisi sui lubrificanti, la misura delle vibrazioni, la termografia, l'analisi delle correnti assorbite, il rilievo di vibrazioni anomale e tante altre. Una variazione delle misure effettuate rispetto allo stato di normale funzionamento indicherà l'aumentare del degrado e, in definitiva, permetterà di prevedere il momento del guasto.

Esempi di tale metodo sono:

le parti soggette ad usura, aumentando l'attrito, producono calore, questo aumento di temperatura è evidenziato appunto dalla termografia;

il motore lascia nell'olio particolato metallico che indica un principio di usura. Prendendo piccole quantità di olio se ne può effettuare l'analisi chimica e verificare la salute della macchina;

un cuscinetto danneggiato, un disallineamento, uno squilibrio provocheranno un aumento di vibrazioni.

lo stesso sistema è usato per il controllo manutentivo del serraggio dei morsetti dei cavi elettrici che se lenti, provocano calore per effetto Joule.

Tra le analisi che abbiamo adottato, c’è la vibrazionale, questo Progetto di monitoraggio dei motori delle linee di produzione nasce con lo scopo di ridurre i guasti legati ad un fermo accidentale di uno di essi e di conseguenza un fermo linea non programmato, con conseguente scarto e ritardi di produzione, nonché, dispendio di risorse.

Su ogni linea di produzione sono installati diverse motorizzazioni, quelle più critiche sono all’ interno degli essicatoi che variano dai 50 ai 120 ventilatori che garantiscono una temperatura ed un umidità ideale necessaria per garantire la qualità del prodotto.

Gli altri motori sono quelli delle due viti di estrusione con motorizzazioni da 80 KW. Abbiamo tenuto in esame per il momento solo i ventilatori interni, perché a parità di fermo per guasto, incidono maggiormente oltre che per mancata produzione anche per scarto prodotto.

E’ stato stimato che per ogni ora di fermo il costo della mancata produzione è di circa 1500 €/ora senza contare i ritardi di produzione legati al fermo linea con conseguente ritardo delle consegne e di fermi linea a valle per attesa prodotto.

Gli scarti prodotti da un fermo su una linee da 3500 kg/h, per un fermo di 7-8 ore si scartano mediamente 200-250 ql di pasta) a causa del cambiamento delle condizioni termodinamiche all’interno dei tunnel di essiccazione. La strumentazione adottata per l’ analisi vibrazionale è uno strumento della SKF Microlog Analyzer, utilizzata con periodicità trimestrale dal personale interno.

I cuscinetti

Uno dei fattori più importanti, che intervengono nel processo d’elaborazione dei dati di vibrazione, è il cuscinetto. Il cuscinetto è un anello molto importante del macchinario rotante, in quanto un suo guasto, anche a livello embrionale, può precludere l’efficienza del macchinario e, nel peggiore dei casi, danneggiarlo.

E’ poi molto difficile in una valutazione di valore globale, anche utilizzando tecniche quali Spike Energy e SPM, riconoscere il suo contributo, in quanto ha un rapporto segnale/rumore molto basso, che è spesso sovrastato dalla vibrazione globale della macchina.

Un'analisi delle vibrazioni "ascolta" l'interno della macchina. Ogni componente vibra infatti a modo suo, generando un rumore caratteristico, che nello spettro lascia un'impronta tipica avente forma di pattern lineare, solo applicando delle tecniche di filtraggio del segnale nelle bande di frequenza più opportune, è possibile evidenziare il segnale proveniente dai cuscinetti volventi. Questa tecnica, denominata Inviluppo, permette l’acquisizione del segnale in alta frequenza e la successiva demodulazione in bassa frequenza per l’analisi. L’utilizzo del software Machine Analyst, completo di database per il calcolo delle frequenze di difetto dei cuscinetti volventi, permette di avere una chiara visione dello stato di usura e di lubrificazione.

Attività di manutenzione predittiva

Il programma di manutenzione predittiva realizzato lo suddiviso in tre punti principali:

1. Sorveglianza: monitorare per rilevare problemi che potrebbero insorgere;

2. Diagnosi: individuare la causa principale del problema;

3. Rimedio: mettere a punto azioni correttive;

I vantaggi per gestore e manutentore sono del tutto evidenti:

1. Identificazione dei difetti delle macchine

2. Informazioni sulle cause dei difetti

3. Ottimizzazione della gestione dei ricambi (scorta)

4. Pianificazione delle misure di manutenzione da adottare

Data-base software Machine Analyst

Il punto di partenza è l’impostazione del Data-base, il quale permette di catalogare gli apparati ed i loro relativi componenti tipo albero genealogico, elencando in un’apposita scheda macchina i dati ritenuti essenziali (tipo, costruttore, matricola, potenza, velocità, temperature, fluidi trattati, ecc.). Ogni punto di misura viene marcato inequivocabilmente in modo che, quando vengono effettuate le rilevazioni, risulta possibile riconoscerlo senza creare confusione. E’ necessario conoscere alcuni parametri fonda- mentali della singola macchina, molto utili nella fase diagnostica, quali per esempio: il parametro velocità di rotazione, il tipo di cuscinetto montato e le condizioni ambientali

Le grandezze fisiche significative delle varie tipologie di macchine rotanti tengono conto della direzione di misura. Nel caso di motori elettrici sono stati presi in considerazione le tre direzioni ortogonali: assiale, radiale orizzontale e radiale verticale.

Per quanto riguarda la determinazione dei valori di allarme, sono stati presi come riferimenti la normativa ISO 10186-1 per la vibrazione globale, integrata con l’esperienza del personale interno di manutenzione.

La Normativa prevede una distinzione dei macchinari in Classi:

Classe 1: motori elettrici fino a 15 Kw;

Classe 2: motori elettrici da 15 fino a 75 Kw;

Classe 3: grandi macchine su fondazioni rigide;

Classe 4: grandi macchine su superfici morbide (Turbogeneratori).

Fig.1 Valori Tratti da Norma ISO 10186-1

Fig.2 Tabella tratta dal manuale SKF “Monitoraggio delle Vibrazioni” di Corrado Cesti

SKF propone una tabella (Vibration Severità), basata sui valori di inviluppo (gE), analoga alle tabelle di velocità di vibrazione (ISO 10816-1); i valori di inviluppo rilevati possono essere confrontati con i valori della tabella e classi- ficati con giudizi come Buono, Soddisfacente, Insoddisfacente, Inaccettabile.

Come si può osservare dalla tabella, le classificazioni proposte sono utilizzabili nell’intervallo di velocità di rota- zione che va da 100 rpm a 3600 rpm e per diametri del- l’albero compresi nell’intervallo da 20 a 500 mm.

I migliori risultati si sono ottenuti dalla qualità, dalle prestazioni e dall’ affidabilità della strumentazione adottata, nel nostro caso sia per Hardware che per il Software sono stati utilizzati uno strumento portatile Microlog CMXA50, con diagnostica nel dominio del tempo e delle frequenza, con risoluzione FFT fino a 12800 linee e range da 1Hz a 40 KHz.

Per trarre il massimo vantaggio dai dati vibrazionali acquisiti è stata effettuata un’ analisi di firma vibrazionale o di baseline. Questo lavoro viene effettuato alla partenza di un programma di manutenzione predittiva, in quanto è necessario conoscere in prima analisi lo stato di salute iniziale del macchinario rotante per poter fare successivamente le dovute considerazioni.

GRANDEZE FISICHE INTERESSATE DA UN FENOMENO VIBRATORIO

Spostamento(micrometri), velocità(m/s—tasso di variazione dello spostamento, cioè velocità parte vibrante) e accelerazione(m/s2—tasso di variazione della velocità)(inversamente proporzionale allo spostamento) ;

Nel caso di vibrazioni periodiche viene denominata FREQUENZA, il numero di volte che il periodo d’onda si riproduce in 1 secondo;

Spostamento: scende all’aumentare della frequenza;
Velocità: costante all’aumentare della frequenza;
Accelerazione: cresce all’aumentare della frequenza;

Per frequenze basse lo spostamento è migliore da usare in quanto mi rende più chiara la lettura. Per frequenza alte utilizzo l’accelerazione.

Azioni correttive e frequenza di monitoraggio

Una volta acquisiti i dati vibrazionali sulle linee di produzione occorre analizzarli e procedere all’emissione di un report dove vengono indicate tutte le azioni correttive da intraprendere (tenere sotto controllo, sostituire cuscinetti, sostituire il motore, controllare serraggio motore, bilanciare la girante, verificare isolamento, etc).

Molto importante è la decisione della frequenza di monitoraggio. In base all’esperienza per motori che lavorano a velocità prossime ai 3000 rpm si preferisce non superare la soglia dei 3/4 mesi a rilevazione.

Nel nostro caso si è partiti con un monitoraggio trimestrale (4 letture /anno), per poi passare gradualmente ad una strutturazione flessibile, nel senso che i motori che presentano un MTBF basso vengono monitorati con frequenza inferiore ai 3 mesi, mentre motori con MTBF alto possono essere monitorati con frequenza superiore ai 3 mesi.

Un altro parametro importante è la criticità dei motori. A tale scopo è stato fatto uno studio per ogni singola linea e per ogni singolo motore.

Avendo fissato questa base, è stato possibile affrontare un discorso legato anche all’ottimizzazione dei costi di Manutenzione Predittiva, per esempio, se dal report emerge che un motore in posizione non critica necessita della sostituzione, si può decidere anche di continuare a far lavorare il motore fino al guasto (sfruttandolo al 100% della sua vita), sapendo che la sostituzione può essere effettuata anche durante i tempi del successivo “Cambio formato” di produzione.

In seguito si riporta il numero totale di motori analizzati per singola linea, con il numero di punti di acquisizione:

1. Linea 1: n° 58 motori (174 punti);

2. Linea 2: n°40 motori (120 punti);

3. Linea 3: n°71 motori (213 punti);

4. Linea 4: n°44 motori (132 punti);

5. Linea 5: n°104 motori (312 punti).

In molti casi i piani di manutenzione Predittiva vengono considerati come una voce di costo, questo perché le attività di condition monitoring vengono gestite solo con un approccio tecnico e non economico-gestionale, volto ad una corretta quantificazione dei ritorni economici. E’ importante quindi coinvolgere il management aziendale con le informazioni relative ai costi ed ai benefici derivanti da analisi di questo tipo. Questa attività può essere effettuata mediante la stesura di specifici report che includono le perdite di produzione ed i costi di manutenzione associati alla stima dei guasti che sarebbero potuti accadere in caso di una mancata individuazione del problema.

Si riporta al riguardo una tabella:

Guasto ipotizzato	Guasto motore ventilatore
Perdita di Produzione	8 ore/1500€/h
Costo ricambi (sostituzione motore)	600€
Manodopera	500€
TOTALE	13.100€

Dalla tabella si evince che per ogni guasto evitato si ottiene un risparmio di circa 13000 €.

Si riportano anche i valori relativi ai guasti verificatisi nel 2013, nel 2014 e nel primo semestre del 2015.

LINEA	2013	2014	2015	% 2013/2014	% 2014/2015
LINEA	2013	2014	2015	riduzione	riduzione
1	51	25	3	50	88
2	28	11	1	60	90
3	36	9	2	75	77
4	42	21	4	50	81
5	58	32	6	45	81