MANUTENZIONE DELLE STRUTTURE MECCANICHE

Negli ultimi decenni la complessità dei sistemi tecnologici è cresciuta esponenzialmente rendendo più complicato mantenere alti livelli di affidabilità senza appesantire troppo gli oneri e la frequenza della manutenzione. Sapendo però che una scarsa manutenzione potrebbe azzerare i benefici di una progettazione e di una tecnologia di produzione superiori, i problemi di manutenzione e sostituzione sono stati ampiamente studiati in letteratura e continuano a rappresentare una sfida ardua. Vediamo dunque come si suddividono.

Cos’è l’affidabilità meccanica?

L’affidabilità meccanica si riferisce alla capacità di un sistema o di un componente di funzionare come previsto per un periodo di tempo specifico e sotto condizioni operative definite. È strettamente legata alla progettazione iniziale: ogni decisione progettuale influisce direttamente sulla sicurezza e sulla durata del sistema. Per stimarla si utilizzano modelli matematici che prevedono l’evoluzione delle cause di guasto in relazione al design, ai materiali scelti, ai carichi applicati e alle condizioni ambientali.

I guasti più comuni derivano da:

• Usura: la rimozione progressiva di materiale da superfici a contatto, come avviene nei cuscinetti. L’usura può essere ridotta con lubrificanti avanzati o trattamenti superficiali.
• Corrosione: le reazioni chimiche che si generano in ambienti aggressivi possono compromettere la resistenza teorica dei componenti.
• Fatica: i carichi ciclici causano l’accumulo di stress residui che, con il tempo, possono generare microcricche e portare alla rottura del componente. La progettazione basata sulla meccanica della frattura è essenziale per prevenirle.

Manutenzione correttiva

Manutenzione correttiva (o run to failure o manutenzione reattiva) si basa sull’intervenire solo quando sopraggiunge realmente il guasto. Questo può essere consentito solo se le conseguenze di tale eventualità sono insignificanti sia in termini di sicurezza che come di costi.

Manutenzione preventiva

Nella manutenzione preventiva (o manutenzione periodica) gli interventi di manutenzione sono programmati in anticipo per prevenire i guasti in base al tempo di funzionamento delle apparecchiature o al tempo trascorso dall’installazione. Con questo metodo a volte il sistema viene fermato per effettuare la manutenzione solo perché è stata appunto programmata, causando inutili tempi di fermo e/o sostituzione di parti, ed altre volte invece il guasto avviene molto prima della manutenzione programmata causando conseguenze gravi o costose. La frequenza di manutenzione è determinata in base alle indicazioni del produttore o all’esperienza. Le aziende però, dovendo fare manutenzione a più macchine contemporaneamente e non a singoli prodotti, hanno dovuto sviluppare modelli matematici volti ad accorpare e ottimizzare queste operazioni. Come ampiamente descritto nel libro “Technical System Maintenance” di S. Werbińska-Wojciechowska, si può arrivare alle seguenti conclusioni:

• I principali metodi matematici utilizzati per analizzare i problemi di programmazione della manutenzione includono: la teoria della probabilità applicata e la teoria delle decisioni di Markov. Tuttavia, esistono molti problemi di manutenzione in cui la relazione funzionale tra i parametri di ingresso e di uscita di un sistema non può essere descritta analiticamente. Pertanto, nella pratica sono stati sviluppati vari modelli di manutenzione che utilizzano l’intelligenza artificiale o la programmazione lineare e non lineare, la programmazione dinamica, i processi di simulazione, gli algoritmi genetici, l’approccio bayesiano e gli approcci euristici.
• La maggior parte dei modelli di manutenzione per ottenere parametri di manutenzione ottimali tiene conto solo del vincolo di costo, tuttavia, le azioni di manutenzione dovrebbero mirare prima di tutto a migliorare l’affidabilità del sistema. Per i sistemi complessi, in cui i vari tipi di componenti hanno costi di manutenzione diversi e una diversa importanza dell’affidabilità in un sistema, è più appropriato analizzare una politica di manutenzione ottimale sotto i vincoli di costo e affidabilità contemporaneamente.

Manutenzione predittiva

La manutenzione predittiva si distingue da quella preventiva perché il suo obiettivo è appunto prevedere i guasti e i malfunzionamenti di un sistema che si sta deteriorando, al fine di ottimizzare gli sforzi di manutenzione attraverso la valutazione dello stato del sistema e/o attraverso i dati storici del sistema in questione. Come spiegato nell’articolo “Predictive maintenance, its implementation and latest trends” del Journal Engineering Manufacture, tramite delle apposite tecniche è possibile infatti rilevare i segnali di un guasto o di malfunzionamento futuro e quindi avviare le procedure di manutenzione e rifornimento dei ricambi al momento giusto. I dati che restituiscono questi modelli forniscono informazioni sia diagnostiche che prognostiche, indicando dove si trovi il problema, perché si stia verificando, se sia un guasto o solo un’anomalia e quando si verificherà l’eventuale guasto.

In altre parole, la manutenzione predittiva non mira solo alla prevenzione dei guasti, ma anche a un funzionamento efficiente, con conseguente miglioramento della sicurezza, della qualità del prodotto, dell’affidabilità, della disponibilità e della riduzione dei costi energetici.

Sebbene la manutenzione predittiva possa essere ulteriormente suddivisa in due categorie: manutenzione predittiva basata sulle statistiche e manutenzione predittiva basata sulle condizioni, è molto comune trattarle come sinonimi.

Va notato che la manutenzione predittiva in generale si basa sulle due seguenti premesse principali:

• Il tasso di deterioramento è sufficientemente basso da consentire il tempo per individuare e analizzare i segni di guasto e quindi intervenire.
• Lasciare che il sistema si guasti non è conveniente in termini di sicurezza e/o di costi.

Monitoraggio

Un programma di manutenzione predittiva consiste fondamentalmente in tre fasi principali: acquisizione dei dati, elaborazione dei dati e decisione sulla manutenzione. La fase di acquisizione ed elaborazione è solitamente chiamata monitoraggio del sistema e può essere suddivisa in sei categorie: misurazione dei parametri di processo, analisi delle vibrazioni, analisi dell’olio, analisi termografica, analisi acustica e altre tecniche.

Misurazione dei parametri di processo

L’efficienza del processo, la perdita di calore, la temperatura, la corrente del motore, la pressione del fluido, l’umidità e la portata sono alcuni dei numerosi parametri di processo che vengono misurati per monitorare la salute del sistema. Qualsiasi loro variazione anomala, così come le variazioni della velocità di produzione e della qualità del prodotto, possono fornire informazioni sullo stato di salute del sistema. Tuttavia, va notato che le variazioni dei parametri di processo sono talvolta causate da cambiamenti operativi, come la velocità e il carico, ma non indicano necessariamente lo sviluppo di un guasto.

Analisi delle vibrazioni

L’analisi delle vibrazioni è una delle tecniche più comuni soprattutto nelle apparecchiature rotanti o alternate, sia su base continua che a intervalli programmati, per ottenere informazioni sullo stato del sistema. Ad esempio, le vibrazioni che si verificano alla velocità di rotazione indicano uno squilibrio o un disallineamento, mentre livelli di vibrazione crescenti con la velocità di rotazione indicano problemi imminenti ai cuscinetti.

L’analisi delle vibrazioni, in generale, può fornire avvisi molto precoci, a volte anche mesi prima del guasto. Il tasso di falsi positivi, se il sistema è ben settato, è solitamente dell’ordine dell’8%. L’analisi delle vibrazioni non fornisce informazioni solo sulle vibrazioni indotte dalla meccanica, ma anche su quelle indotte dal flusso, come nel caso di compressori, pompe e tubazioni. Va notato che i macchinari a velocità variabile e alternativi sono estremamente difficili da monitorare efficacemente con l’analisi delle vibrazioni, in tutti gli altri casi l’analisi può rilevare i seguenti problemi:

• Squilibrio
• Eccentricità
• Disallineamento di giunti e cuscinetti
• Problemi di risonanza
• Allentamento/debolezza meccanica
• Sfregamento
• Alberi piegati
• Crepe sugli alberi
• Ingranaggi e cuscinetti usurati o danneggiati
• Cinghie e catene di trasmissione difettose o mal regolate
• Problemi ai cuscinetti a manicotto
• Turbolenza
• Difetti delle pale di turbine e ventilatori

L’analisi delle vibrazioni può essere utilizzata per rilevare e identificare i problemi avendo come riferimento il modello di vibrazione del sistema sano come confronto. Ad esempio, tre spettri di vibrazione di un pignone presi rispettivamente quando il pignone è sano, quando un dente è danneggiato e quando un dente è mancante, sono distintamente diversi l’uno dall’altro, aiutando a identificare i tipi di problemi, se presenti.

Analisi dell’olio

Le analisi fisiche e chimiche degli oli e dei lubrificanti usati possono fornire informazioni preziose sia sulle condizioni della macchina sia sulle condizioni dell’olio/lubrificante. Esistono due tipi di analisi dell’olio:

• L’analisi delle particelle presenti nel liquido: la presenza di detriti nell’olio indica l’usura delle parti meccaniche interne; il tipo di usura può essere identificato studiando la quantità, la composizione, le dimensioni e la forma delle particelle.
• L’analisi dell’olio verifica se il lubrificante è degradato o ancora in grado di funzionare. Poiché alcune proprietà cruciali dei lubrificanti si deteriorano nel tempo, l’analisi dell’olio fornisce informazioni importanti sullo stato di salute del sistema.

Termografia

La termografia sfrutta il fatto che tutti gli oggetti la cui temperatura sia superiore allo zero assoluto emettono luce infrarossa e la lunghezza d’onda della luce aumenta all’aumentare della temperatura dell’oggetto. La termografia utilizza questa relazione temperatura-lunghezza d’onda per rendere visibili le variazioni di temperatura. Va notato che la quantità di radiazioni è determinata non solo dalla temperatura, ma anche dalle condizioni della superficie, dalla forma dell’oggetto e dall’angolo di osservazione. Trattandosi di un metodo senza contatto è ampiamente utilizzata per rilevare problemi elettrici che causano anomalie di temperatura. Le principali applicazioni della termografia a infrarossi possono essere elencate di seguito:

• Collegamenti elettrici allentati o corrosi
• Perdite nei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria
• Allentamento meccanico
• Problemi di carico
• Guasto di un componente

Analisi acustica

La maggior parte delle macchine crea pattern acustici costanti in condizioni di funzionamento normali. Se questi modelli sonori vengono registrati come riferimento, le variazioni nel modello di riferimento possono indicare il deterioramento dei componenti. Di seguito sono elencati alcuni dei difetti che possono essere rilevati dall’analisi a ultrasuoni:

• Rilevamento di perdite in sistemi a pressione e a vuoto (ad esempio, caldaie, scambiatori di calore, condensatori, refrigeratori, colonne di distillazione, forni a vuoto, sistemi di gas speciali).
• Ispezione dei cuscinetti
• Integrità delle tenute e delle guarnizioni di serbatoi, sistemi di tubazioni e grandi cabine di carico
• Cavitazione delle pompe
• Analisi delle valvole dei compressori
• Archi elettrici

Vantaggi della manutenzione predittiva

I vantaggi della manutenzione predittiva possono essere riassunti come segue:

• Maggiore sicurezza dei lavoratori e dell’ambiente
• Maggiore affidabilità
• Miglioramento della qualità del prodotto
• Minori costi per ricambi e manodopera
• Meno sprechi in termini di materie prime e materiali di consumo, come ad esempio i lubrificanti
• Riduzione dei costi di manutenzione: 25%-30% (poiché i costi di manutenzione rappresentano il 15%-70% del costo totale di produzione, è possibile ottenere un notevole risparmio grazie al Manutenzione predittiva25);
• Eliminazione dei guasti: 70%-75%;
• Riduzione dei tempi di fermo macchina: 35%-45%;
• Aumento della produzione: 20%-25%.

Implementazione

L’implementazione della manutenzione predittiva è un’impresa complessa per un’azienda/organizzazione, poiché comporta una pianificazione meticolosa dei requisiti di hardware, software, personale e formazione. Con l’aumentare della complessità dei requisiti di manutenzione, l’esternalizzazione del lavoro di manutenzione predittiva a un’azienda esperta diventa un’opzione praticabile. Nel caso in cui si scelga di intraprenderla internamente, il successo di un programma di manutenzione predittiva dipende fortemente dalle decisioni relative ai seguenti punti cruciali:

1. Determinare componenti vitali da monitorare.
2. Determinare i parametri che indicano il deterioramento.
3. Scegliere le tecniche appropriate: si deve scegliere una tecnica/parametro che sia influenzata il meno possibile dalle variazioni delle condizioni operative e dalle interferenze di altre macchine.
4. Determinazione della posizione dei sensori.
5. Impostazione delle soglie critiche per ciascuna variabile.
6. Determinazione dell’intervallo di ispezione: in modo continuo o a intervalli basati sulle condizioni oppure a intervalli regolari, che possono essere determinati dal parere di esperti e/o dalle raccomandazioni del produttore e/o dalle prestazioni passate.
7. Scegliere un gestionale appropriato che gestisca il programma di manutenzione.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come la realizzazione di modelli per la manutenzione può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

I giunti intelligenti IPK con sensoristica integrata possono rappresentare una svolta per tutti quegli esperti del settore che vogliono applicare i principi dell’Internet of Things e dell’industria 4.0, proponendosi come una soluzione:

• facile da installare, il sistema è subito pronto all’uso e si connette al resto della meccanica come un normale giunto;
• facile da integrare con il resto dell’elettronica industriale, grazie ai moduli wireless e la possibilità di trasmettere i dati in formato CSV;
• facile da consultare, anche tramite il proprio smartphone.

Tutto ciò fornisce non solo una risposta efficace al problema ma, data la sua semplicità, funge anche da stimolo alla sperimentazione di infrastrutture informatiche interconnesse.