Diagnosi dei difetti degli ingranaggi con l'analisi delle vibrazioni
Difetti dell'ingranaggio esistono diverse forme di usura e danneggiamento — usura dei denti, crepe, eccentricità, disallineamento — che si manifestano negli ingranaggi utilizzati per la trasmissione di potenza nei macchinari industriali. L'ingranamento dei denti è un processo intrinsecamente rumoroso e soggetto a vibrazioni, pertanto gli ingranaggi in buono stato producono una firma vibrazionale molto chiara e stabile; qualsiasi deviazione da tale firma è un chiaro indicatore di problemi. Poiché analisi delle vibrazioni è in grado di rilevare queste anomalie in una fase molto precoce, individuando i guasti agli ingranaggi molto prima che questi degenerino in un guasto catastrofico del riduttore.
1. La firma vibrazionale degli ingranaggi
Ogni gruppo ingranaggi presenta un'impronta caratteristica nel dominio della frequenza, dominata dalla frequenza di ingranamento dei denti e circondata dall'attività legata alla rotazione di ciascun albero. Una misurazione di riferimento di un riduttore in buone condizioni costituisce quindi uno dei dati di riferimento più preziosi che un programma di affidabilità possa disporre: i guasti non vengono diagnosticati in base a un valore assoluto, ma in base a come lo spettro odierno e forma d'onda temporale differiscono da quella firma di riferimento. La disciplina della diagnosi degli ingranaggi consiste in gran parte nell'interpretare correttamente tale differenza, motivo per cui gli ingranaggi rivestono un ruolo così importante nelle operazioni di routine monitoraggio delle condizioni.
2. Frequenza di ingranamento degli ingranaggi (GMF)
La frequenza più importante nell'analisi del riduttore è la Frequenza di ingranamento (GMF) — la velocità con cui i denti di due ingranaggi in presa si innestano l'uno nell'altro.
GMF = Numero di denti su un ingranaggio × Velocità di rotazione di quell'ingranaggio
In un riduttore in buone condizioni il Spettro FFT mostra un picco evidente al GMF, solitamente accompagnato da alcune piccole armoniche (2×GMF, 3×GMF). L'ampiezza del picco GMF riflette il carico sugli ingranaggi, quindi un picco GMF elevato di per sé non è necessariamente indice di un guasto: potrebbe semplicemente significare che il riduttore sta lavorando a pieno regime. Le vere informazioni diagnostiche risiedono nelle frequenze intorno il picco GMF, non il picco in sé. Poiché il GMF dipende sia dal numero di denti che dalla velocità, è facile commettere errori di identificazione manuale; un Calcolatore della frequenza di ingranamento calcola il GMF e le sue bande laterali per un dato set di ingranaggi in pochi secondi.
3. Utilizzo delle bande laterali per la diagnosi dei guasti
Bande laterali rappresentano lo strumento più efficace per diagnosticare problemi specifici agli ingranaggi. Si tratta di piccoli picchi che compaiono su entrambi i lati della GMF e delle sue armoniche, generati quando un difetto modula il processo di ingranamento. L'indizio fondamentale è la loro spaziatura: la differenza tra una banda laterale e il picco GMF corrisponde alla velocità di rotazione dell'albero su cui è montato l'ingranaggio difettoso, il che consente di capire immediatamente che albero da ispezionare.
- Ingranaggio usurato o eccentrico: usurato, eccentrico oppure un ingranaggio difettoso modula il GMF alla propria velocità di rotazione, creando bande laterali distanziate di velocità di rotazione (1×) dell'albero di quell'ingranaggio. Se le bande laterali corrispondono alla velocità dell'albero di ingresso, il guasto è nell'ingranaggio di ingresso.
- Usura generale dei denti: usura degli ingranaggi in genere aumenta l'ampiezza della GMF e delle sue armoniche, accompagnata da bande laterali 1× provenienti dal corrispondente ingranaggio.
- Dente incrinato o rotto: un singolo dente incrinato o rotto genera un picco intenso alla velocità di rotazione 1× di quell'ingranaggio, spesso accompagnato da numerose armoniche, oltre a bande laterali attorno alla frequenza fondamentale (GMF) distanziate in base alla velocità dell'ingranaggio stesso. In questo caso, la forma d'onda temporale è particolarmente utile, poiché mostra un impatto netto e periodico ogni volta che il dente danneggiato cerca di innestarsi.
- Disallineamento degli ingranaggi: disallineamento il disallineamento degli ingranaggi produce spesso un'armonica 2×GMF di forte intensità, talvolta più elevata del picco GMF primario, anch'essa accompagnata da bande laterali legate alla velocità di rotazione.
Un effetto correlato che vale la pena conoscere è il frequenza hunting tooth, la frequenza estremamente bassa con cui una determinata coppia di denti si innesta nuovamente; i difetti che coinvolgono un dente difettoso su ciascun ingranaggio possono eccitarla.
4. Tecniche di analisi specializzate
Poiché le vibrazioni degli ingranaggi sono così complesse, l'analisi spettrale standard viene spesso integrata con tecniche che isolano il segnale degli ingranaggi:
- Analisi della forma d'onda nel tempo: indispensabile per individuare denti rotti o scheggiati, che si manifestano con urti secchi e ripetuti, sincronizzati con la rotazione dell'ingranaggio piuttosto che con l'innesto.
- Analisi del cepstrum: una trasformazione che condensa intere famiglie di bande laterali equidistanti in singole componenti facilmente interpretabili, rendendo visibili i modelli delle bande laterali quando sono nascosti in una FFT affollata.
- Analisi dell'inviluppo: demodula la portante ad alta frequenza per rivelare la frequenza di impatto a bassa frequenza di un difetto del dente localizzato, integrando il quadro fornito dalle bande laterali.
5. Fasi di guasto degli ingranaggi
L'analisi delle vibrazioni consente di monitorare l'evoluzione di un guasto agli ingranaggi attraverso quattro fasi ben distinte, offrendo ai team di manutenzione il tempo necessario per pianificare un intervento:
- Fase 1 (iniziale): intorno al GMF compaiono piccole bande laterali. Il livello complessivo di vibrazioni potrebbe non variare affatto.
- Fase 2 (moderata): le ampiezze delle bande laterali aumentano e iniziano a comparire armoniche della GMF con bande laterali proprie.
- Fase 3 (grave): il GMF e le sue armoniche generano numerose bande laterali di ampia ampiezza, la frequenza pari a 1× dell'ingranaggio difettoso inizia ad aumentare e il rumore di fondo dello spettro si innalza.
- Fase 4 (catastrofica): Il GMF potrebbe scomparire, sostituito da un'impronta vibrazionale rumorosa e casuale quando i denti sono gravemente danneggiati o distrutti.
6. Mettere in pratica sul campo
La diagnosi degli ingranaggi inizia con una misurazione accurata sul campo alla velocità e al carico di esercizio. Uno strumento portatile a due canali come il Balanset-1A rileva lo spettro FFT e la forma d'onda grezza nel dominio del tempo su ciascun cuscinetto, consentendo al tecnico di individuare la GMF, rilevare la distanza tra le bande laterali per individuare il guasto su un albero specifico e osservare la forma d'onda alla ricerca dell'impulso periodico rivelatore di un dente rotto — il tutto senza aprire il riduttore. Nei casi in cui il riduttore aziona o sostiene anche un rotore, lo stesso strumento verifica che la vibrazione residua cuscinetto e le vibrazioni dovute a squilibri rimangono entro i limiti previsti da norme quali la ISO 20816, in modo che un guasto confermato all'ingranaggio non venga mascherato da fonti estranee. Se individuato nella fase 1 o 2, un difetto dell'ingranaggio diventa un intervento di manutenzione programmata anziché un guasto imprevisto.
