Diagnostica delle vibrazioni dei componenti delle locomotive ferroviarie: una guida completa per gli ingegneri riparatori

2.3.1.1. Fondamenti di vibrazione: forze oscillatorie e vibrazioni nelle apparecchiature rotanti

Principi di base della vibrazione meccanica

Le vibrazioni meccaniche rappresentano il moto oscillatorio dei sistemi meccanici attorno alle loro posizioni di equilibrio. Gli ingegneri che lavorano con i componenti delle locomotive devono comprendere che le vibrazioni si manifestano in tre parametri fondamentali: spostamento, velocità e accelerazione. Ogni parametro fornisce informazioni uniche sulle condizioni delle apparecchiature e sulle caratteristiche operative.

Spostamento delle vibrazioni Misura l'effettivo movimento fisico di un componente dalla sua posizione di riposo. Questo parametro si rivela particolarmente utile per analizzare le vibrazioni a bassa frequenza, tipicamente riscontrabili negli squilibri delle macchine rotanti e nei problemi alle fondazioni. L'ampiezza dello spostamento è direttamente correlata ai modelli di usura delle superfici dei cuscinetti e dei componenti del giunto.

Velocità di vibrazione Rappresenta la velocità di variazione dello spostamento nel tempo. Questo parametro dimostra un'eccezionale sensibilità ai guasti meccanici in un'ampia gamma di frequenze, rendendolo il parametro più utilizzato nel monitoraggio delle vibrazioni industriali. Le misurazioni della velocità rilevano efficacemente lo sviluppo di guasti in riduttori, cuscinetti motore e sistemi di accoppiamento prima che raggiungano fasi critiche.

Accelerazione delle vibrazioni Misura la variazione di velocità nel tempo. Le misurazioni dell'accelerazione ad alta frequenza sono eccellenti nel rilevare difetti iniziali dei cuscinetti, danni ai denti degli ingranaggi e fenomeni correlati agli urti. Il parametro di accelerazione diventa sempre più importante nel monitoraggio di macchine ausiliarie ad alta velocità e nel rilevamento di carichi di tipo shock.

Caratteristiche di periodo e frequenza

Il periodo (T) rappresenta il tempo necessario per un ciclo completo di oscillazione, mentre la frequenza (f) indica il numero di cicli che si verificano nell'unità di tempo. Questi parametri costituiscono il fondamento di tutte le tecniche di analisi delle vibrazioni utilizzate nella diagnostica delle locomotive.

I componenti delle locomotive ferroviarie operano in diverse gamme di frequenza. Le frequenze di rotazione delle sale montate variano tipicamente da 5 a 50 Hz durante il normale funzionamento, mentre le frequenze di accoppiamento degli ingranaggi si estendono da 200 a 2000 Hz a seconda dei rapporti di trasmissione e della velocità di rotazione. Le frequenze di difettosità dei cuscinetti si manifestano spesso nell'intervallo 500-5000 Hz, richiedendo tecniche di misurazione e metodi di analisi specializzati.

Misure di vibrazioni assolute e relative

Le misurazioni delle vibrazioni assolute riferiscono l'ampiezza della vibrazione a un sistema di coordinate fisso, tipicamente un sistema di riferimento terrestre o inerziale. Gli accelerometri sismici e i trasduttori di velocità forniscono misurazioni assolute utilizzando masse inerziali interne che rimangono fisse mentre l'alloggiamento del sensore si muove insieme al componente monitorato.

Le misurazioni delle vibrazioni relative confrontano la vibrazione di un componente con quella di un altro componente in movimento. Le sonde di prossimità montate sugli alloggiamenti dei cuscinetti misurano la vibrazione dell'albero rispetto al cuscinetto, fornendo informazioni cruciali sulla dinamica del rotore, l'espansione termica e le variazioni del gioco del cuscinetto.

Nelle applicazioni locomotive, gli ingegneri in genere utilizzano misurazioni assolute per la maggior parte delle procedure diagnostiche, poiché forniscono informazioni complete sul movimento dei componenti e possono rilevare problemi sia meccanici che strutturali. Le misurazioni relative diventano essenziali quando si analizzano grandi macchine rotanti, dove il movimento dell'albero rispetto ai cuscinetti indica problemi di gioco interno o instabilità del rotore.

Unità di misura lineari e logaritmiche

Le unità di misura lineari esprimono le ampiezze delle vibrazioni in grandezze fisiche dirette, come millimetri (mm) per lo spostamento, millimetri al secondo (mm/s) per la velocità e metri al secondo quadrato (m/s²) per l'accelerazione. Queste unità facilitano la correlazione diretta con i fenomeni fisici e forniscono una comprensione intuitiva dell'intensità delle vibrazioni.

Le unità logaritmiche, in particolare i decibel (dB), comprimono ampi intervalli dinamici in scale gestibili. La scala in decibel si rivela particolarmente preziosa nell'analisi di spettri di vibrazione a banda larga, dove le variazioni di ampiezza si estendono su diversi ordini di grandezza. Molti analizzatori di vibrazioni moderni offrono opzioni di visualizzazione sia lineari che logaritmiche per soddisfare diverse esigenze di analisi.

Standard internazionali e quadro normativo

L'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) stabilisce standard riconosciuti a livello globale per la misurazione e l'analisi delle vibrazioni. La serie ISO 10816 definisce i criteri di severità delle vibrazioni per diverse classi di macchine, mentre la ISO 13373 affronta le procedure di monitoraggio e diagnostica delle condizioni.

Per le applicazioni ferroviarie, gli ingegneri devono considerare norme specifiche che riguardano ambienti operativi particolari. La norma ISO 14837-1 fornisce linee guida sulle vibrazioni trasmesse al suolo per i sistemi ferroviari, mentre la norma EN 15313 stabilisce le specifiche per le applicazioni ferroviarie relative alla progettazione di sale montate e telai di carrelli, tenendo conto delle vibrazioni.

Gli standard GOST russi integrano i requisiti internazionali con disposizioni specifiche per regione. GOST 25275 definisce le procedure di misurazione delle vibrazioni per le macchine rotanti, mentre GOST R 52161 affronta i requisiti per le prove di vibrazione del materiale rotabile ferroviario.

Classificazioni dei segnali di vibrazione

Vibrazione periodica ripete schemi identici a intervalli di tempo regolari. I macchinari rotanti generano prevalentemente firme vibrazionali periodiche, legate alla velocità di rotazione, alle frequenze di accoppiamento degli ingranaggi e ai passaggi degli elementi dei cuscinetti. Questi schemi prevedibili consentono un'identificazione precisa dei guasti e una valutazione della gravità.

Vibrazione casuale presenta caratteristiche statistiche piuttosto che deterministiche. Le vibrazioni indotte dall'attrito, il rumore del flusso turbolento e l'interazione strada/rotaia generano componenti di vibrazione casuali che richiedono tecniche di analisi statistica per una corretta interpretazione.

Vibrazione transitoria si verifica come eventi isolati di durata finita. Carichi d'impatto, ingaggio dei denti degli ingranaggi e urti degli elementi dei cuscinetti producono firme vibrazionali transitorie che richiedono tecniche di analisi specializzate come la media sincronizzata nel tempo e l'analisi dell'inviluppo.

Descrittori di ampiezza di vibrazione

Gli ingegneri utilizzano diversi descrittori di ampiezza per caratterizzare efficacemente i segnali di vibrazione. Ogni descrittore fornisce informazioni uniche sulle caratteristiche della vibrazione e sui modelli di sviluppo dei guasti.

Ampiezza di picco Rappresenta il valore istantaneo massimo rilevato durante il periodo di misurazione. Questo parametro identifica efficacemente eventi di tipo impatto e carichi d'urto, ma potrebbe non rappresentare accuratamente i livelli di vibrazione continua.

Ampiezza del valore quadratico medio (RMS) Fornisce il contenuto energetico effettivo del segnale di vibrazione. I valori RMS sono ben correlati con i tassi di usura della macchina e la dissipazione di energia, rendendo questo parametro ideale per l'analisi delle tendenze e la valutazione della gravità.

Ampiezza media Rappresenta la media aritmetica dei valori assoluti di ampiezza durante il periodo di misurazione. Questo parametro offre una buona correlazione con la finitura superficiale e le caratteristiche di usura, ma potrebbe sottostimare le firme di guasto intermittenti.

Ampiezza picco-picco Misura l'escursione totale tra i valori massimi di ampiezza positiva e negativa. Questo parametro si rivela prezioso per valutare problemi legati al gioco e identificare allentamenti meccanici.

Fattore di cresta Rappresenta il rapporto tra l'ampiezza di picco e l'ampiezza RMS, fornendo informazioni sulle caratteristiche del segnale. Fattori di cresta bassi (1,4-2,0) indicano vibrazioni prevalentemente sinusoidali, mentre fattori di cresta elevati (>4,0) suggeriscono un comportamento impulsivo o di tipo shock, tipico dei guasti dei cuscinetti in via di sviluppo.

Tecnologie e metodi di installazione dei sensori di vibrazione

Gli accelerometri rappresentano i sensori di vibrazione più versatili per le applicazioni locomotive. Gli accelerometri piezoelettrici generano una carica elettrica proporzionale all'accelerazione applicata, offrendo un'eccellente risposta in frequenza da 2 Hz a 10 kHz con una distorsione di fase minima. Questi sensori dimostrano un'eccezionale durata in ambienti ferroviari difficili, pur mantenendo un'elevata sensibilità e un basso rumore.

I trasduttori di velocità sfruttano i principi dell'induzione elettromagnetica per generare segnali di tensione proporzionali alla velocità di vibrazione. Questi sensori eccellono nelle applicazioni a bassa frequenza (0,5-1000 Hz) e offrono rapporti segnale/rumore superiori per il monitoraggio dei macchinari. Tuttavia, le dimensioni maggiori e la sensibilità alla temperatura possono limitare le opzioni di installazione su componenti compatti delle locomotive.

Le sonde di prossimità sfruttano il principio delle correnti parassite per misurare lo spostamento relativo tra il sensore e la superficie del bersaglio. Questi sensori si rivelano preziosi per il monitoraggio delle vibrazioni dell'albero e la valutazione del gioco dei cuscinetti, ma richiedono accurate procedure di installazione e calibrazione.

La corretta installazione del sensore influisce significativamente sulla precisione e sull'affidabilità delle misurazioni. Gli ingegneri devono garantire un accoppiamento meccanico rigido tra il sensore e il componente monitorato per evitare effetti di risonanza e distorsioni del segnale. I perni filettati offrono un montaggio ottimale per installazioni permanenti, mentre le basi magnetiche sono comode per misurazioni periodiche su superfici ferromagnetiche.

Origini delle vibrazioni delle apparecchiature rotanti

Fonti di vibrazioni meccaniche derivano da squilibri di massa, disallineamenti, allentamenti e usura. I componenti rotanti sbilanciati generano forze centrifughe proporzionali al quadrato della velocità di rotazione, creando vibrazioni alla frequenza di rotazione e alle sue armoniche. Il disallineamento tra alberi accoppiati produce componenti di vibrazione radiali e assiali alla frequenza di rotazione e al doppio della frequenza di rotazione.

Fonti di vibrazioni elettromagnetiche derivano dalle variazioni di forza magnetica nei motori elettrici. L'eccentricità del traferro, i difetti delle barre del rotore e i guasti degli avvolgimenti dello statore creano forze elettromagnetiche che modulano la frequenza di rete e le sue armoniche. Queste forze interagiscono con le risonanze meccaniche producendo complesse firme vibrazionali che richiedono sofisticate tecniche di analisi.

Fonti di vibrazioni aerodinamiche e idrodinamiche derivano dalle interazioni del flusso di fluido con i componenti rotanti. Il passaggio delle pale del ventilatore, le interazioni delle pale della pompa e la separazione del flusso turbolento generano vibrazioni alle frequenze di passaggio pale/pale e alle relative armoniche. Queste fonti diventano particolarmente significative nelle macchine ausiliarie che operano ad alta velocità con notevoli esigenze di gestione dei fluidi.

2.3.1.2. Sistemi locomotivi: WMB, WGB, AM e i loro componenti come sistemi oscillatori

Classificazione delle apparecchiature rotanti nelle applicazioni locomotive

Le apparecchiature rotanti per locomotive comprendono tre categorie principali, ciascuna con caratteristiche di vibrazione e difficoltà diagnostiche specifiche. I blocchi motore-sala montata (WMB) integrano i motori di trazione direttamente con le sale montate, creando sistemi dinamici complessi soggetti a forze di eccitazione sia elettriche che meccaniche. I blocchi ingranaggi-sala montata (WGB) impiegano sistemi di riduzione intermedi tra motori e sale montate, introducendo ulteriori fonti di vibrazione attraverso l'interazione degli ingranaggi. Le macchine ausiliarie (AM) includono ventole di raffreddamento, compressori d'aria, pompe idrauliche e altre apparecchiature di supporto che operano indipendentemente dai sistemi di trazione primari.

Questi sistemi meccanici mostrano un comportamento oscillatorio governato dai principi fondamentali della dinamica e della teoria delle vibrazioni. Ogni componente possiede frequenze proprie determinate dalla distribuzione di massa, dalle caratteristiche di rigidezza e dalle condizioni al contorno. La comprensione di queste frequenze proprie diventa fondamentale per evitare condizioni di risonanza che possono portare ad ampiezze di vibrazione eccessive e ad un'usura accelerata dei componenti.

Classificazioni dei sistemi oscillatori

Oscillazioni libere Si verificano quando i sistemi vibrano a frequenze naturali a seguito di una perturbazione iniziale senza una forzatura esterna continua. Nelle applicazioni locomotive, le oscillazioni libere si manifestano durante i transitori di avvio e arresto quando le velocità di rotazione attraversano le frequenze naturali. Queste condizioni transitorie forniscono preziose informazioni diagnostiche sulla rigidezza del sistema e sulle caratteristiche di smorzamento.

Oscillazioni forzate derivano da forze di eccitazione periodiche e continue che agiscono sui sistemi meccanici. Squilibri rotanti, forze di accoppiamento tra ingranaggi ed eccitazione elettromagnetica creano vibrazioni forzate a frequenze specifiche correlate alla velocità di rotazione e alla geometria del sistema. Le ampiezze delle vibrazioni forzate dipendono dalla relazione tra la frequenza di eccitazione e le frequenze naturali del sistema.

Oscillazioni parametriche Si verificano quando i parametri del sistema variano periodicamente nel tempo. La rigidità variabile nel tempo nel contatto degli ingranaggi, le variazioni del gioco dei cuscinetti e le fluttuazioni del flusso magnetico creano un'eccitazione parametrica che può portare a una crescita instabile delle vibrazioni anche in assenza di forzatura diretta.

Oscillazioni autoeccitate (auto-oscillazioni) Si sviluppano quando i meccanismi di dissipazione dell'energia del sistema diventano negativi, portando a una crescita sostenuta delle vibrazioni senza forzature periodiche esterne. Il comportamento stick-slip indotto dall'attrito, il flutter aerodinamico e alcune instabilità elettromagnetiche possono creare vibrazioni autoeccitate che richiedono un controllo attivo o modifiche progettuali per la mitigazione.

Determinazione della frequenza naturale e fenomeni di risonanza

Le frequenze naturali rappresentano le caratteristiche intrinseche delle vibrazioni dei sistemi meccanici, indipendenti dall'eccitazione esterna. Queste frequenze dipendono esclusivamente dalla distribuzione della massa e dalle proprietà di rigidezza del sistema. Per sistemi semplici a un grado di libertà, il calcolo delle frequenze naturali segue formule consolidate che mettono in relazione i parametri di massa e rigidezza.

I componenti complessi delle locomotive presentano molteplici frequenze naturali corrispondenti a diversi modi di vibrazione. Modi di flessione, modi di torsione e modi accoppiati possiedono ciascuno caratteristiche di frequenza e andamenti spaziali distinti. Le tecniche di analisi modale aiutano gli ingegneri a identificare queste frequenze e le forme modali associate per un efficace controllo delle vibrazioni.

La risonanza si verifica quando le frequenze di eccitazione coincidono con le frequenze naturali, con conseguente amplificazione significativa delle risposte vibrazionali. Il fattore di amplificazione dipende dallo smorzamento del sistema: i sistemi leggermente smorzati presentano picchi di risonanza molto più elevati rispetto ai sistemi fortemente smorzati. Gli ingegneri devono garantire che le velocità operative evitino condizioni di risonanza critiche o fornire uno smorzamento adeguato per limitare le ampiezze delle vibrazioni.

Meccanismi di smorzamento e loro effetti

Lo smorzamento rappresenta meccanismi di dissipazione dell'energia che limitano l'aumento dell'ampiezza delle vibrazioni e garantiscono la stabilità del sistema. Diverse fonti di smorzamento contribuiscono al comportamento complessivo del sistema, tra cui lo smorzamento interno dei materiali, lo smorzamento per attrito e lo smorzamento dei fluidi, dovuto a lubrificanti e aria circostante.

Lo smorzamento dei materiali deriva dall'attrito interno tra i materiali dei componenti durante carichi ciclici di sollecitazione. Questo meccanismo di smorzamento si rivela particolarmente significativo nei componenti in ghisa, negli elementi di montaggio in gomma e nei materiali compositi utilizzati nella moderna costruzione di locomotive.

Lo smorzamento per attrito si verifica sulle superfici di interfaccia tra i componenti, comprese le superfici di appoggio, i giunti bullonati e gli assemblaggi a calettamento. Sebbene lo smorzamento per attrito possa fornire un vantaggioso controllo delle vibrazioni, può anche introdurre effetti non lineari e un comportamento imprevedibile in condizioni di carico variabili.

Lo smorzamento dei fluidi deriva dalle forze viscose presenti nei film lubrificanti, nei sistemi idraulici e nelle interazioni aerodinamiche. Lo smorzamento del film d'olio nei cuscinetti portanti fornisce stabilità critica per i macchinari rotanti ad alta velocità, mentre gli smorzatori viscosi possono essere deliberatamente incorporati per il controllo delle vibrazioni.

Classificazioni della forza di eccitazione

Forze centrifughe derivano da squilibri di massa nei componenti rotanti, creando forze proporzionali al quadrato della velocità di rotazione. Queste forze agiscono radialmente verso l'esterno e ruotano con il componente, generando vibrazioni alla frequenza di rotazione. L'entità della forza centrifuga aumenta rapidamente con la velocità, rendendo il bilanciamento preciso fondamentale per il funzionamento ad alta velocità.

Forze cinematiche derivano da vincoli geometrici che impongono un moto non uniforme ai componenti del sistema. Meccanismi alternativi, rulli a camme e sistemi di ingranaggi con errori di profilo generano forze di eccitazione cinematica. Queste forze presentano tipicamente un contenuto di frequenza complesso correlato alla geometria del sistema e alle velocità di rotazione.

Forze d'impatto derivano da applicazioni di carico improvvise o da collisioni tra componenti. L'ingranamento dei denti degli ingranaggi, il rotolamento degli elementi dei cuscinetti su difetti superficiali e le interazioni ruota-rotaia creano forze d'impatto caratterizzate da un ampio contenuto di frequenza e da elevati fattori di cresta. Le forze d'impatto richiedono tecniche di analisi specializzate per una corretta caratterizzazione.

Forze di attrito si sviluppano dal contatto strisciante tra superfici in moto relativo. L'applicazione dei freni, lo scorrimento dei cuscinetti e la dispersione ruota-rotaia generano forze di attrito che possono manifestare un comportamento di stick-slip, dando origine a vibrazioni autoeccitate. Le caratteristiche della forza di attrito dipendono fortemente dalle condizioni della superficie, dalla lubrificazione e dal carico normale.

Forze elettromagnetiche Hanno origine dalle interazioni del campo magnetico nei motori elettrici e nei generatori. Le forze elettromagnetiche radiali derivano dalle variazioni del traferro, dalla geometria delle espansioni polari e dalle asimmetrie nella distribuzione della corrente. Queste forze creano vibrazioni alla frequenza di linea, alla frequenza di passaggio delle fessure e alle loro combinazioni.

Proprietà del sistema dipendenti dalla frequenza

I sistemi meccanici presentano caratteristiche dinamiche dipendenti dalla frequenza che influenzano significativamente la trasmissione e l'amplificazione delle vibrazioni. Rigidità, smorzamento e proprietà inerziali del sistema si combinano per creare complesse funzioni di risposta in frequenza che descrivono le relazioni di ampiezza e fase delle vibrazioni tra l'eccitazione in ingresso e la risposta del sistema.

A frequenze ben al di sotto della prima frequenza naturale, i sistemi si comportano in modo quasi statico, con ampiezze di vibrazione proporzionali alle ampiezze della forza di eccitazione. L'amplificazione dinamica rimane minima e le relazioni di fase rimangono prossime allo zero.

In prossimità delle frequenze naturali, l'amplificazione dinamica può raggiungere valori da 10 a 100 volte superiori alla deflessione statica, a seconda dei livelli di smorzamento. Le relazioni di fase cambiano rapidamente di 90 gradi in risonanza, consentendo una chiara identificazione delle posizioni delle frequenze naturali.

A frequenze ben al di sopra delle frequenze naturali, gli effetti inerziali dominano il comportamento del sistema, causando una diminuzione dell'ampiezza delle vibrazioni con l'aumentare della frequenza. L'attenuazione delle vibrazioni ad alta frequenza fornisce un filtraggio naturale che aiuta a isolare i componenti sensibili dai disturbi ad alta frequenza.

Sistemi a parametri concentrati vs. sistemi a parametri distribuiti

I blocchi motore-sala montata possono essere modellati come sistemi a parametri concentrati quando si analizzano modi di vibrazione a bassa frequenza, dove le dimensioni dei componenti rimangono ridotte rispetto alle lunghezze d'onda di vibrazione. Questo approccio semplifica l'analisi rappresentando le proprietà di massa distribuita e rigidezza come elementi discreti collegati da molle prive di massa e collegamenti rigidi.

I modelli a parametri concentrati si dimostrano efficaci per analizzare lo sbilanciamento del rotore, gli effetti della rigidezza del supporto dei cuscinetti e la dinamica dell'accoppiamento a bassa frequenza tra i componenti del motore e della sala montata. Questi modelli facilitano l'analisi rapida e forniscono una chiara comprensione fisica del comportamento del sistema.

I modelli a parametri distribuiti diventano necessari quando si analizzano modi di vibrazione ad alta frequenza, dove le dimensioni dei componenti si avvicinano alle lunghezze d'onda di vibrazione. I modi di flessione dell'albero, la flessibilità dei denti degli ingranaggi e le risonanze acustiche richiedono un trattamento a parametri distribuiti per una previsione accurata.

I modelli a parametri distribuiti tengono conto degli effetti della propagazione delle onde, delle forme modali locali e del comportamento dipendente dalla frequenza, che i modelli a parametri concentrati non riescono a catturare. Questi modelli richiedono in genere tecniche di soluzione numerica, ma forniscono una caratterizzazione del sistema più completa.

2.3.1.3. Proprietà e caratteristiche delle vibrazioni a bassa frequenza, media frequenza, alta frequenza e ultrasoniche in WMB, WGB e AM

Classificazioni delle bande di frequenza e loro significato

L'analisi delle frequenze delle vibrazioni richiede una classificazione sistematica delle bande di frequenza per ottimizzare le procedure diagnostiche e la selezione delle apparecchiature. Ogni banda di frequenza fornisce informazioni uniche su specifici fenomeni meccanici e sulle fasi di sviluppo dei guasti.

Vibrazione a bassa frequenza (1-200 Hz) Origina principalmente da squilibri, disallineamenti e risonanze strutturali di macchinari rotanti. Questa gamma di frequenze cattura le frequenze di rotazione fondamentali e le loro armoniche di ordine inferiore, fornendo informazioni essenziali sulle condizioni meccaniche e sulla stabilità operativa.

Vibrazione a media frequenza (200-2000 Hz) Comprende le frequenze di accoppiamento degli ingranaggi, le armoniche di eccitazione elettromagnetica e le risonanze meccaniche dei principali componenti strutturali. Questo intervallo di frequenza si rivela fondamentale per diagnosticare l'usura dei denti degli ingranaggi, i problemi elettromagnetici del motore e il deterioramento del giunto.

Vibrazione ad alta frequenza (2000-20000 Hz) Rileva le firme dei difetti dei cuscinetti, le forze d'impatto dei denti degli ingranaggi e le armoniche elettromagnetiche di ordine superiore. Questa gamma di frequenze fornisce un segnale precoce di sviluppo di guasti prima che si manifestino nelle bande di frequenza più basse.

Vibrazione ultrasonica (20000+ Hz) Rileva difetti incipienti dei cuscinetti, rotture del film lubrificante e fenomeni legati all'attrito. Le misurazioni a ultrasuoni richiedono sensori e tecniche di analisi specializzate, ma offrono la capacità di rilevamento dei guasti più precocemente possibile.

Analisi delle vibrazioni a bassa frequenza

L'analisi delle vibrazioni a bassa frequenza si concentra sulle frequenze di rotazione fondamentali e sulle loro armoniche fino a circa il decimo ordine. Questa analisi rivela le principali condizioni meccaniche, tra cui squilibrio di massa, disallineamento dell'albero, allentamenti meccanici e problemi di gioco dei cuscinetti.

La vibrazione a frequenza di rotazione (1×) indica condizioni di squilibrio di massa che creano forze centrifughe che ruotano con l'albero. Lo squilibrio puro produce vibrazioni prevalentemente a frequenza di rotazione con un contenuto armonico minimo. L'ampiezza della vibrazione aumenta proporzionalmente al quadrato della velocità di rotazione, fornendo una chiara indicazione diagnostica.

Una vibrazione a doppia frequenza di rotazione (2×) indica in genere un disallineamento tra alberi o componenti accoppiati. Il disallineamento angolare crea modelli di sollecitazione alternati che si ripetono due volte per giro, generando le caratteristiche firme di vibrazione 2×. Anche il disallineamento parallelo può contribuire alla vibrazione 2× attraverso una distribuzione variabile del carico.

Un contenuto armonico multiplo (3×, 4×, 5×, ecc.) suggerisce allentamenti meccanici, giunti usurati o problemi strutturali. L'allentamento consente una trasmissione di forza non lineare che genera un ricco contenuto armonico che si estende ben oltre le frequenze fondamentali. Il pattern armonico fornisce informazioni diagnostiche sulla posizione e l'entità dell'allentamento.

Caratteristiche delle vibrazioni a media frequenza

L'analisi a media frequenza si concentra sulle frequenze di accoppiamento degli ingranaggi e sui loro schemi di modulazione. La frequenza di accoppiamento degli ingranaggi è pari al prodotto della frequenza di rotazione per il numero di denti, creando linee spettrali prevedibili che rivelano le condizioni degli ingranaggi e la distribuzione del carico.

Gli ingranaggi sani producono vibrazioni notevoli alla frequenza di accoppiamento con bande laterali minime. L'usura dei denti, la rottura dei denti o un carico non uniforme creano una modulazione di ampiezza della frequenza di accoppiamento, generando bande laterali distanziate alle frequenze di rotazione degli ingranaggi in accoppiamento.

Le vibrazioni elettromagnetiche nei motori di trazione si manifestano principalmente nella gamma delle medie frequenze. Le armoniche di frequenza di linea, le frequenze di passaggio di slot e le frequenze di passaggio di polo creano modelli spettrali caratteristici che rivelano le condizioni del motore e le caratteristiche di carico.

La frequenza di passaggio delle fessure è pari al prodotto della frequenza di rotazione per il numero di fessure del rotore, generando vibrazioni attraverso variazioni di permeabilità magnetica quando le fessure del rotore attraversano i poli dello statore. Barre del rotore rotte o difetti degli anelli terminali modulano la frequenza di passaggio delle fessure, creando bande laterali diagnostiche.

Analisi delle vibrazioni ad alta frequenza

L'analisi delle vibrazioni ad alta frequenza si concentra sulle frequenze di difetto dei cuscinetti e sulle armoniche di accoppiamento degli ingranaggi di ordine elevato. I cuscinetti volventi generano frequenze caratteristiche in base alla geometria e alla velocità di rotazione, fornendo capacità diagnostiche precise per la valutazione delle condizioni dei cuscinetti.

La frequenza di passaggio delle sfere sulla pista esterna (BPFO) si verifica quando gli elementi volventi superano un difetto stazionario della pista esterna. Questa frequenza dipende dalla geometria del cuscinetto e in genere varia da 3 a 8 volte la frequenza di rotazione per i cuscinetti più comuni.

La frequenza di passaggio delle sfere (BPFI) nella pista interna è causata da elementi volventi che incontrano difetti nella pista interna. Poiché la pista interna ruota con l'albero, la BPFI in genere supera la BPFO e può presentare una modulazione della frequenza di rotazione dovuta agli effetti della zona di carico.

La frequenza fondamentale del treno (FTF) rappresenta la frequenza di rotazione della gabbia e in genere è pari a 0,4-0,45 volte la frequenza di rotazione dell'albero. Difetti della gabbia o problemi di lubrificazione possono generare vibrazioni a livello della FTF e delle sue armoniche.

La frequenza di rotazione della sfera (BSF) indica la rotazione del singolo elemento volvente attorno al proprio asse. Questa frequenza raramente compare negli spettri di vibrazione, a meno che gli elementi volventi non presentino difetti superficiali o irregolarità dimensionali.

Applicazioni delle vibrazioni ultrasoniche

Le misurazioni delle vibrazioni ultrasoniche rilevano difetti incipienti nei cuscinetti settimane o mesi prima che diventino evidenti con l'analisi convenzionale delle vibrazioni. Il contatto con asperità superficiali, le microfratture e la rottura del film lubrificante generano emissioni ultrasoniche che precedono variazioni misurabili nelle frequenze dei difetti nei cuscinetti.

Le tecniche di analisi dell'inviluppo estraggono informazioni sulla modulazione di ampiezza dalle frequenze portanti ultrasoniche, rivelando modelli di modulazione a bassa frequenza corrispondenti alle frequenze dei difetti dei cuscinetti. Questo approccio combina la sensibilità alle alte frequenze con informazioni diagnostiche a bassa frequenza.

Le misurazioni a ultrasuoni richiedono un'attenta selezione e installazione del sensore per evitare la contaminazione del segnale da interferenze elettromagnetiche e rumore meccanico. Accelerometri con risposta in frequenza superiore a 50 kHz e un adeguato condizionamento del segnale forniscono misurazioni a ultrasuoni affidabili.

Origini delle vibrazioni meccaniche ed elettromagnetiche

Le sorgenti di vibrazioni meccaniche generano un'eccitazione a banda larga con un contenuto di frequenza correlato alla geometria e alla cinematica dei componenti. Le forze d'impatto derivanti da difetti dei cuscinetti, accoppiamento dei denti degli ingranaggi e allentamenti meccanici generano segnali impulsivi con un ricco contenuto armonico che si estende su un'ampia gamma di frequenze.

Le sorgenti di vibrazioni elettromagnetiche producono componenti di frequenza discrete, correlate alla frequenza di alimentazione elettrica e ai parametri di progettazione del motore. Queste frequenze rimangono indipendenti dalle velocità di rotazione meccaniche e mantengono relazioni fisse con la frequenza del sistema di alimentazione.

Distinguere tra sorgenti di vibrazioni meccaniche ed elettromagnetiche richiede un'attenta analisi delle relazioni di frequenza e della dipendenza dal carico. Le vibrazioni meccaniche variano tipicamente in base alla velocità di rotazione e al carico meccanico, mentre le vibrazioni elettromagnetiche sono correlate al carico elettrico e alla qualità della tensione di alimentazione.

Caratteristiche di impatto e vibrazioni da shock

Le vibrazioni da impatto derivano da applicazioni di forza improvvise e di durata molto breve. L'innesto dei denti degli ingranaggi, gli urti degli elementi dei cuscinetti e il contatto ruota-rotaia generano forze d'impatto che eccitano simultaneamente molteplici risonanze strutturali.

Gli eventi d'impatto producono firme nel dominio del tempo caratteristiche con elevati fattori di cresta e un ampio contenuto in frequenza. Lo spettro di frequenza delle vibrazioni d'impatto dipende più dalle caratteristiche di risposta strutturale che dall'evento d'impatto stesso, richiedendo un'analisi nel dominio del tempo per una corretta interpretazione.

L'analisi dello spettro di risposta agli urti fornisce una caratterizzazione completa della risposta strutturale al carico d'impatto. Questa analisi rivela quali frequenze naturali vengono sollecitate dagli eventi d'impatto e il loro contributo relativo ai livelli complessivi di vibrazione.

Vibrazioni casuali da fonti di attrito

Le vibrazioni indotte dall'attrito presentano caratteristiche casuali dovute alla natura stocastica dei fenomeni di contatto superficiale. Il cigolio dei freni, il vibrare dei cuscinetti e l'interazione ruota-rotaia creano vibrazioni casuali a banda larga che richiedono tecniche di analisi statistica.

Il comportamento stick-slip nei sistemi ad attrito crea vibrazioni autoeccitate con un contenuto di frequenza complesso. Le variazioni della forza di attrito durante i cicli stick-slip generano componenti di vibrazione subarmoniche che possono coincidere con risonanze strutturali, portando a livelli di vibrazione amplificati.

L'analisi delle vibrazioni casuali utilizza funzioni di densità spettrale di potenza e parametri statistici come i livelli RMS e le distribuzioni di probabilità. Queste tecniche forniscono una valutazione quantitativa dell'intensità delle vibrazioni casuali e del loro potenziale impatto sulla durata a fatica dei componenti.

2.3.1.4. Caratteristiche di progettazione di WMB, WGB, AM e loro impatto sulle caratteristiche di vibrazione

Configurazioni primarie WMB, WGB e AM

I produttori di locomotive utilizzano diverse soluzioni meccaniche per trasmettere la potenza dai motori di trazione alle sale montate. Ogni configurazione presenta caratteristiche di vibrazione uniche che influenzano direttamente gli approcci diagnostici e i requisiti di manutenzione.

I motori di trazione sospesi frontalmente si montano direttamente sugli assali delle ruote, creando un accoppiamento meccanico rigido tra motore e ruote. Questa configurazione riduce al minimo le perdite di trasmissione di potenza, ma sottopone i motori a tutte le vibrazioni e gli impatti indotti dal binario. Il montaggio diretto accoppia le vibrazioni elettromagnetiche del motore con le vibrazioni meccaniche delle ruote, creando complessi modelli spettrali che richiedono un'analisi accurata.

I motori di trazione montati sul telaio utilizzano sistemi di giunti flessibili per trasmettere potenza alle sale montate, isolando al contempo i motori dai disturbi del binario. Giunti cardanici, giunti flessibili o giunti a ingranaggi assecondano il movimento relativo tra motore e sala montata, mantenendo al contempo la capacità di trasmissione della potenza. Questa soluzione riduce l'esposizione del motore alle vibrazioni, ma introduce ulteriori fonti di vibrazioni attraverso la dinamica del giunto.

I sistemi di trasmissione a ingranaggi utilizzano una riduzione intermedia tra il motore e la sala montata per ottimizzare le caratteristiche operative del motore. La riduzione a ingranaggi elicoidali monostadio offre un design compatto con livelli di rumorosità moderati, mentre i sistemi di riduzione a due stadi offrono maggiore flessibilità nella selezione del rapporto, ma aumentano la complessità e le potenziali fonti di vibrazioni.

Sistemi di accoppiamento meccanico e trasmissione delle vibrazioni

L'interfaccia meccanica tra il rotore del motore di trazione e il pignone del riduttore influisce significativamente sulle caratteristiche di trasmissione delle vibrazioni. I collegamenti a calettamento garantiscono un accoppiamento rigido con un'eccellente concentricità, ma possono introdurre sollecitazioni di assemblaggio che influiscono sulla qualità del bilanciamento del rotore.

Le connessioni con chiavetta assecondano l'espansione termica e semplificano le procedure di assemblaggio, ma introducono gioco e potenziali carichi d'impatto durante le inversioni di coppia. L'usura della chiavetta crea un gioco aggiuntivo che genera forze d'impatto a una frequenza di rotazione doppia durante i cicli di accelerazione e decelerazione.

Le connessioni scanalate offrono una capacità di trasmissione della coppia superiore e consentono lo spostamento assiale, ma richiedono tolleranze di fabbricazione precise per ridurre al minimo la generazione di vibrazioni. L'usura delle scanalature crea un gioco circonferenziale che genera modelli di vibrazione complessi a seconda delle condizioni di carico.

I sistemi di giunti flessibili isolano le vibrazioni torsionali compensando al contempo il disallineamento tra gli alberi collegati. I giunti elastomerici offrono un eccellente isolamento dalle vibrazioni, ma presentano caratteristiche di rigidezza dipendenti dalla temperatura che influenzano le posizioni delle frequenze naturali. I giunti a ingranaggi mantengono rigidezza costante, ma generano vibrazioni alla frequenza di maglia che contribuiscono al contenuto spettrale complessivo del sistema.

Configurazioni dei cuscinetti dell'asse del set di ruote

I cuscinetti degli assali delle ruote supportano carichi verticali, laterali e assiali, compensando al contempo l'espansione termica e le variazioni della geometria del binario. I cuscinetti a rulli cilindrici gestiscono efficacemente i carichi radiali, ma richiedono configurazioni separate di cuscinetti assiali per supportare i carichi assiali.

I cuscinetti a rulli conici offrono una capacità combinata di carico radiale e assiale con caratteristiche di rigidità superiori rispetto ai cuscinetti a sfere. La geometria conica crea un precarico intrinseco che elimina il gioco interno, ma richiede una regolazione precisa per evitare carichi eccessivi o un supporto inadeguato.

I cuscinetti orientabili a rulli a doppia corona sopportano carichi radiali elevati e carichi assiali moderati, garantendo al contempo la capacità di autoallineamento per compensare la flessione dell'albero e il disallineamento dell'alloggiamento. La geometria sferica dell'anello esterno crea uno smorzamento del film d'olio che contribuisce a controllare la trasmissione delle vibrazioni.

Il gioco interno del cuscinetto influisce significativamente sulle caratteristiche di vibrazione e sulla distribuzione del carico. Un gioco eccessivo consente carichi d'impatto durante i cicli di inversione del carico, generando vibrazioni d'impatto ad alta frequenza. Un gioco insufficiente crea condizioni di precarico che aumentano la resistenza al rotolamento e la generazione di calore, riducendo potenzialmente l'ampiezza della vibrazione.

Influenza della progettazione del sistema di ingranaggi sulle vibrazioni

La geometria dei denti degli ingranaggi influenza direttamente l'ampiezza della vibrazione in frequenza di accoppiamento e il contenuto armonico. I profili dei denti evolventi con angoli di pressione adeguati e modifiche degli addendum riducono al minimo le variazioni della forza di accoppiamento e la conseguente generazione di vibrazioni.

Gli ingranaggi elicoidali offrono una trasmissione di potenza più fluida rispetto agli ingranaggi cilindrici grazie all'innesto graduale dei denti. L'angolo dell'elica crea componenti di forza assiale che richiedono il supporto di un cuscinetto reggispinta, ma riduce significativamente l'ampiezza delle vibrazioni dovute alla frequenza di accoppiamento.

Il rapporto di contatto determina il numero di denti simultaneamente in presa durante la trasmissione di potenza. Rapporti di contatto più elevati distribuiscono il carico su più denti, riducendo lo stress sui singoli denti e le variazioni della forza di ingranamento. Rapporti di contatto superiori a 1,5 offrono una significativa riduzione delle vibrazioni rispetto a rapporti più bassi.

La precisione nella fabbricazione degli ingranaggi influisce sulla generazione di vibrazioni attraverso errori di spaziatura dei denti, deviazioni del profilo e variazioni della finitura superficiale. I gradi di qualità AGMA quantificano la precisione di fabbricazione, con gradi più elevati che producono livelli di vibrazione inferiori, ma richiedono processi di produzione più costosi.

La distribuzione del carico lungo la larghezza della faccia dell'ingranaggio influenza le concentrazioni di stress locali e la generazione di vibrazioni. Le superfici dei denti bombate e il corretto allineamento dell'albero garantiscono una distribuzione uniforme del carico, riducendo al minimo il carico sui bordi che crea componenti vibrazionali ad alta frequenza.

Sistemi di alberi cardanici nelle applicazioni WGB

I blocchi ruota-ingranaggi con trasmissione di potenza tramite albero cardanico consentono maggiori distanze di separazione tra motore e ruota, garantendo al contempo la flessibilità di accoppiamento. I giunti cardanici a ciascuna estremità dell'albero cardanico creano vincoli cinematici che generano modelli di vibrazione caratteristici.

Il funzionamento di un singolo giunto cardanico produce variazioni di velocità che generano vibrazioni a una frequenza di rotazione doppia rispetto a quella dell'albero. L'ampiezza di queste vibrazioni dipende dall'angolo di funzionamento del giunto: angoli più ampi producono livelli di vibrazione più elevati, secondo relazioni cinematiche consolidate.

Le configurazioni a doppio giunto universale con fasatura corretta eliminano le variazioni di velocità di primo ordine, ma introducono effetti di ordine superiore che diventano significativi ad angoli operativi elevati. I giunti omocinetici offrono caratteristiche di vibrazione superiori, ma richiedono procedure di produzione e manutenzione più complesse.

Le velocità critiche dell'albero cardanico devono rimanere ben separate dagli intervalli di velocità operativi per evitare l'amplificazione della risonanza. Il diametro, la lunghezza e le proprietà del materiale dell'albero determinano i punti critici di velocità, richiedendo un'attenta analisi progettuale per ogni applicazione.

Caratteristiche delle vibrazioni in diverse condizioni operative

L'esercizio delle locomotive presenta diverse condizioni operative che influenzano significativamente le firme vibrazionali e l'interpretazione diagnostica. I test statici con locomotive supportate su banchi di manutenzione eliminano le vibrazioni indotte dai binari e le forze di interazione ruota-rotaia, fornendo condizioni controllate per le misurazioni di base.

I sistemi di sospensione del carrello isolano la cassa della locomotiva dalle vibrazioni delle ruote durante il normale funzionamento, ma possono introdurre effetti di risonanza a frequenze specifiche. Le frequenze naturali delle sospensioni primarie variano tipicamente da 1 a 3 Hz per i modi verticali e da 0,5 a 1,5 Hz per i modi laterali, influenzando potenzialmente la trasmissione delle vibrazioni a bassa frequenza.

Le irregolarità del binario generano vibrazioni delle sale montate su un'ampia gamma di frequenze, a seconda della velocità del treno e delle condizioni del binario. I giunti delle rotaie creano impatti periodici a frequenze determinate dalla lunghezza della rotaia e dalla velocità del treno, mentre le variazioni dello scartamento generano vibrazioni laterali che si associano alle oscillazioni delle sale montate.

Le forze di trazione e frenata introducono carichi aggiuntivi che influiscono sulla distribuzione del carico sui cuscinetti e sulle caratteristiche di accoppiamento degli ingranaggi. Carichi di trazione elevati aumentano le sollecitazioni di contatto dei denti degli ingranaggi e possono spostare le zone di carico nei cuscinetti delle ruote, alterando il modello di vibrazione rispetto alle condizioni di scarico.

Caratteristiche delle vibrazioni della macchina ausiliaria

I sistemi di ventole di raffreddamento utilizzano diverse tipologie di giranti che creano distintivi profili di vibrazione. Le ventole centrifughe generano vibrazioni alla frequenza di passaggio delle pale con ampiezza dipendente dal numero di pale, dalla velocità di rotazione e dal carico aerodinamico. Le ventole assiali producono frequenze di passaggio delle pale simili, ma con un contenuto armonico diverso a causa delle differenze nel modello di flusso.

Lo sbilanciamento della ventola crea vibrazioni alla frequenza di rotazione con ampiezza proporzionale al quadrato della velocità, analogamente ad altri macchinari rotanti. Tuttavia, le forze aerodinamiche derivanti dall'incrostazione, dall'erosione o dai danni alle pale possono creare ulteriori componenti di vibrazione che complicano l'interpretazione diagnostica.

I sistemi di compressione dell'aria utilizzano tipicamente sistemi alternativi che generano vibrazioni alla frequenza di rotazione dell'albero motore e alle sue armoniche. Il numero di cilindri e la sequenza di accensione determinano il contenuto armonico, con un numero maggiore di cilindri che generalmente produce un funzionamento più fluido e livelli di vibrazione inferiori.

Le vibrazioni delle pompe idrauliche dipendono dal tipo di pompa e dalle condizioni operative. Le pompe a ingranaggi producono vibrazioni alla frequenza di maglia simili ai sistemi a ingranaggi, mentre le pompe a palette generano vibrazioni alla frequenza di passaggio delle pale. Le pompe a cilindrata variabile possono presentare modelli di vibrazione complessi che variano a seconda delle impostazioni di cilindrata e delle condizioni di carico.

Effetti del sistema di supporto e montaggio dell'albero

La rigidità dell'alloggiamento del cuscinetto influisce significativamente sulla trasmissione delle vibrazioni dai componenti rotanti alle strutture fisse. Gli alloggiamenti flessibili possono ridurre la trasmissione delle vibrazioni, ma consentono un movimento maggiore dell'albero, che può influire sui giochi interni e sulla distribuzione del carico.

La rigidità delle fondazioni e le modalità di montaggio influenzano le frequenze di risonanza strutturale e le caratteristiche di amplificazione delle vibrazioni. I sistemi di montaggio morbidi forniscono isolamento dalle vibrazioni, ma possono creare risonanze a bassa frequenza che amplificano le vibrazioni indotte dallo squilibrio.

L'accoppiamento tra più alberi tramite elementi flessibili o ingranaggi crea sistemi dinamici complessi con molteplici frequenze naturali e forme modali. Questi sistemi accoppiati possono presentare frequenze di battimento quando le frequenze dei singoli componenti differiscono leggermente, creando modelli di modulazione di ampiezza nelle misurazioni delle vibrazioni.

2.3.1.5. Attrezzature tecniche e software per il monitoraggio e la diagnostica delle vibrazioni

Requisiti per i sistemi di misurazione e analisi delle vibrazioni

Un'efficace diagnostica delle vibrazioni dei componenti delle locomotive ferroviarie richiede sofisticate capacità di misurazione e analisi che affrontino le sfide specifiche degli ambienti ferroviari. I moderni sistemi di analisi delle vibrazioni devono offrire un'ampia gamma dinamica, un'elevata risoluzione in frequenza e un funzionamento affidabile in condizioni ambientali difficili, tra cui temperature estreme, interferenze elettromagnetiche e urti meccanici.

I requisiti di intervallo dinamico per le applicazioni locomotive superano in genere gli 80 dB per rilevare sia guasti incipienti a bassa ampiezza che vibrazioni operative ad alta ampiezza. Questo intervallo consente misurazioni da micrometri al secondo per difetti precoci dei cuscinetti a centinaia di millimetri al secondo per condizioni di grave squilibrio.

La risoluzione in frequenza determina la capacità di separare componenti spettrali ravvicinate e di identificare modelli di modulazione caratteristici di specifici tipi di guasto. La larghezza di banda di risoluzione non deve superare 1% della frequenza più bassa di interesse, il che richiede un'attenta selezione dei parametri di analisi per ciascuna applicazione di misura.

La stabilità della temperatura garantisce la precisione della misurazione nell'ampio intervallo di temperatura tipico delle applicazioni locomotive. I sistemi di misurazione devono mantenere la precisione di calibrazione entro ±5% su intervalli di temperatura da -40 °C a +70 °C per compensare le variazioni stagionali e gli effetti del riscaldamento delle apparecchiature.

Indicatori delle condizioni dei cuscinetti mediante vibrazione ultrasonica

L'analisi delle vibrazioni ultrasoniche consente di rilevare il deterioramento dei cuscinetti con la massima tempestività possibile, monitorando le emissioni ad alta frequenza derivanti dal contatto con le asperità superficiali e dalla rottura del film lubrificante. Questi fenomeni precedono di settimane o mesi le vibrazioni convenzionali, consentendo una programmazione proattiva della manutenzione.

Le misurazioni dell'energia di picco quantificano le emissioni ultrasoniche impulsive utilizzando filtri specializzati che enfatizzano gli eventi transitori sopprimendo al contempo il rumore di fondo stazionario. La tecnica impiega un filtraggio passa-alto sopra i 5 kHz, seguito dalla rilevazione dell'inviluppo e dal calcolo del valore efficace (RMS) su finestre temporali brevi.

L'analisi dell'inviluppo ad alta frequenza (HFE) estrae informazioni sulla modulazione di ampiezza dai segnali portanti ultrasonici, rivelando modelli di modulazione a bassa frequenza corrispondenti alle frequenze dei difetti dei cuscinetti. Questo approccio combina la sensibilità ultrasonica con le capacità di analisi di frequenza convenzionali.

Il metodo Shock Pulse (SPM) misura le ampiezze di picco dei transienti ultrasonici utilizzando trasduttori risonanti specializzati sintonizzati a circa 32 kHz. Questa tecnica fornisce indicatori adimensionali delle condizioni dei cuscinetti che si correlano bene con la gravità del danno.

Gli indicatori di stato a ultrasuoni richiedono un'attenta calibrazione e analisi delle tendenze per stabilire i valori di base e la velocità di progressione del danno. Fattori ambientali, tra cui temperatura, carico e condizioni di lubrificazione, influenzano significativamente i valori degli indicatori, rendendo necessari database di base completi.

Analisi della modulazione delle vibrazioni ad alta frequenza

I cuscinetti volventi generano modelli di modulazione caratteristici nelle vibrazioni ad alta frequenza dovuti alle variazioni periodiche del carico quando i corpi volventi incontrano difetti nelle piste. Questi modelli di modulazione si presentano come bande laterali attorno alle frequenze di risonanza strutturale e alle frequenze naturali del cuscinetto.

Le tecniche di analisi dell'inviluppo estraggono informazioni sulla modulazione filtrando i segnali di vibrazione per isolare le bande di frequenza contenenti risonanze dei cuscinetti, applicando il rilevamento dell'inviluppo per recuperare le variazioni di ampiezza e analizzando lo spettro dell'inviluppo per identificare le frequenze difettose.

L'identificazione della risonanza diventa fondamentale per un'efficace analisi dell'inviluppo, poiché l'eccitazione da impatto del cuscinetto eccita preferibilmente risonanze strutturali specifiche. Il test swept-sine o l'analisi modale da impatto aiutano a identificare le bande di frequenza ottimali per l'analisi dell'inviluppo di ciascuna posizione del cuscinetto.

Le tecniche di filtraggio digitale per l'analisi dell'inviluppo includono filtri a risposta impulsiva finita (FIR) che forniscono caratteristiche di fase lineare ed evitano la distorsione del segnale, e filtri a risposta impulsiva infinita (IIR) che offrono caratteristiche di roll-off ripido con requisiti computazionali ridotti.

I parametri dell'analisi spettrale dell'inviluppo influenzano significativamente la sensibilità e l'accuratezza diagnostica. La larghezza di banda del filtro deve comprendere la risonanza strutturale escludendo le risonanze adiacenti, e la lunghezza della finestra di analisi deve fornire un'adeguata risoluzione in frequenza per separare le frequenze dei difetti dei cuscinetti e le loro armoniche.

Sistemi completi di monitoraggio delle apparecchiature rotanti

I moderni impianti di manutenzione delle locomotive utilizzano sistemi di monitoraggio integrati che combinano diverse tecniche diagnostiche per fornire una valutazione completa delle condizioni delle apparecchiature rotanti. Questi sistemi integrano l'analisi delle vibrazioni con l'analisi dell'olio, il monitoraggio termico e i parametri prestazionali per migliorare l'accuratezza diagnostica.

Gli analizzatori di vibrazioni portatili sono strumenti diagnostici primari per la valutazione periodica delle condizioni durante gli intervalli di manutenzione programmata. Questi strumenti forniscono analisi spettrale, acquisizione di forme d'onda temporali e algoritmi di rilevamento automatico dei guasti, ottimizzati per applicazioni locomotive.

I sistemi di monitoraggio installati in modo permanente consentono la sorveglianza continua dei componenti critici durante il funzionamento. Questi sistemi utilizzano reti di sensori distribuite, trasmissione dati wireless e algoritmi di analisi automatizzati per fornire una valutazione delle condizioni in tempo reale e la generazione di allarmi.

Le funzionalità di integrazione dei dati combinano informazioni provenienti da diverse tecniche diagnostiche per migliorare l'affidabilità del rilevamento dei guasti e ridurre il tasso di falsi allarmi. Gli algoritmi di fusione ponderano i contributi di diversi metodi diagnostici in base alla loro efficacia per specifici tipi di guasto e condizioni operative.

Tecnologie dei sensori e metodi di installazione

La scelta del sensore di vibrazione influisce significativamente sulla qualità della misurazione e sull'efficacia diagnostica. Gli accelerometri piezoelettrici offrono un'eccellente risposta in frequenza e sensibilità per la maggior parte delle applicazioni locomotive, mentre i trasduttori di velocità elettromagnetici offrono una risposta a bassa frequenza superiore per i grandi macchinari rotanti.

I metodi di montaggio dei sensori influenzano in modo critico l'accuratezza e l'affidabilità delle misurazioni. I perni filettati forniscono un accoppiamento meccanico ottimale per installazioni permanenti, mentre il montaggio magnetico è pratico per misurazioni periodiche su superfici ferromagnetiche. Il montaggio adesivo si adatta a superfici non ferromagnetiche, ma richiede la preparazione della superficie e un tempo di polimerizzazione.

L'orientamento del sensore influisce sulla sensibilità di misurazione alle diverse modalità di vibrazione. Le misurazioni radiali rilevano squilibri e disallineamenti in modo più efficace, mentre le misurazioni assiali rivelano problemi ai cuscinetti reggispinta e disallineamenti dei giunti. Le misurazioni tangenziali forniscono informazioni uniche sulle vibrazioni torsionali e sulla dinamica degli ingranaggi.

La protezione ambientale richiede un'attenta valutazione delle temperature estreme, dell'esposizione all'umidità e delle interferenze elettromagnetiche. Gli accelerometri sigillati con cavi integrati offrono un'affidabilità superiore rispetto ai connettori rimovibili negli ambienti ferroviari più difficili.

Condizionamento del segnale e acquisizione dati

L'elettronica di condizionamento del segnale fornisce l'eccitazione, l'amplificazione e il filtraggio del sensore necessari per misurazioni accurate delle vibrazioni. I circuiti di eccitazione a corrente costante alimentano gli accelerometri piezoelettrici mantenendo un'elevata impedenza di ingresso per preservare la sensibilità del sensore.

I filtri anti-aliasing prevengono gli artefatti da ripiegamento in frequenza durante la conversione analogico-digitale attenuando le componenti del segnale al di sopra della frequenza di Nyquist. Questi filtri devono fornire un'adeguata reiezione della banda passante, mantenendo al contempo una risposta passa-banda piatta per preservare la fedeltà del segnale.

La risoluzione della conversione analogico-digitale determina la gamma dinamica e la precisione della misurazione. La conversione a 24 bit fornisce una gamma dinamica teorica di 144 dB, consentendo la misurazione sia di firme di guasto a bassa ampiezza sia di vibrazioni operative ad alta ampiezza nella stessa acquisizione.

La selezione della frequenza di campionamento segue il criterio di Nyquist, che richiede frequenze di campionamento almeno doppie rispetto alla massima frequenza di interesse. Le implementazioni pratiche utilizzano rapporti di sovracampionamento da 2,5:1 a 4:1 per gestire le bande di transizione del filtro anti-aliasing e garantire flessibilità di analisi.

Selezione e orientamento del punto di misura

Un monitoraggio efficace delle vibrazioni richiede la selezione sistematica di punti di misurazione che offrano la massima sensibilità alle condizioni di guasto, riducendo al minimo l'interferenza da fonti di vibrazioni estranee. I punti di misurazione dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile ai supporti dei cuscinetti e ad altri percorsi di carico critici.

Le misurazioni degli alloggiamenti dei cuscinetti forniscono informazioni dirette sulle condizioni dei cuscinetti e sulla dinamica interna. Le misurazioni radiali sugli alloggiamenti dei cuscinetti rilevano squilibri, disallineamenti e difetti dei cuscinetti in modo più efficace, mentre le misurazioni assiali rivelano carichi assiali e problemi di accoppiamento.

Le misurazioni del telaio del motore rilevano le vibrazioni elettromagnetiche e le condizioni generali del motore, ma possono presentare una minore sensibilità ai difetti dei cuscinetti a causa dell'attenuazione delle vibrazioni attraverso la struttura del motore. Queste misurazioni integrano le misurazioni dell'alloggiamento dei cuscinetti per una valutazione completa del motore.

Le misurazioni delle scatole ingranaggi rilevano le vibrazioni dell'accoppiamento e la dinamica interna degli ingranaggi, ma richiedono un'interpretazione accurata a causa dei complessi percorsi di trasmissione delle vibrazioni e delle molteplici fonti di eccitazione. Le posizioni di misurazione in prossimità degli assi di accoppiamento degli ingranaggi offrono la massima sensibilità ai problemi correlati all'accoppiamento.

Selezione della modalità operativa per i test diagnostici

L'efficacia dei test diagnostici dipende fortemente dalla selezione di condizioni operative appropriate che forniscano un'eccitazione ottimale delle vibrazioni correlate al guasto, garantendo al contempo la sicurezza e la protezione delle apparecchiature. Diverse modalità operative rivelano aspetti diversi delle condizioni dei componenti e dello sviluppo del guasto.

Il test a vuoto elimina le fonti di vibrazione dipendenti dal carico e fornisce misurazioni di base per il confronto con le condizioni di carico. Questa modalità rivela con maggiore chiarezza squilibri, disallineamenti e problemi elettromagnetici, riducendo al minimo le vibrazioni dovute all'accoppiamento degli ingranaggi e gli effetti del carico sui cuscinetti.

Prove sotto carico a vari livelli di potenza rivelano fenomeni dipendenti dal carico, tra cui la dinamica dell'accoppiamento degli ingranaggi, gli effetti della distribuzione del carico sui cuscinetti e le influenze del carico elettromagnetico. Il carico progressivo aiuta a distinguere tra fonti di vibrazione indipendenti dal carico e dipendenti dal carico.

I test direzionali con rotazione avanti e indietro forniscono ulteriori informazioni diagnostiche su problemi asimmetrici come l'usura dei denti degli ingranaggi, le variazioni del precarico dei cuscinetti e le caratteristiche di usura dei giunti. Alcuni guasti presentano una sensibilità direzionale che facilita la localizzazione dei guasti.

I test di sweep di frequenza durante l'avvio e l'arresto catturano il comportamento delle vibrazioni nell'intero intervallo di velocità operativa, rivelando condizioni di risonanza e fenomeni dipendenti dalla velocità. Queste misurazioni aiutano a identificare velocità critiche e posizioni di frequenza naturale.

Effetti della lubrificazione sulle firme diagnostiche

Le condizioni di lubrificazione influiscono significativamente sulle firme vibrazionali e sull'interpretazione diagnostica, in particolare nelle applicazioni di monitoraggio dei cuscinetti. Un lubrificante fresco fornisce un efficace smorzamento che riduce la trasmissione delle vibrazioni, mentre un lubrificante contaminato o degradato può amplificare le firme di guasto.

Le variazioni di viscosità del lubrificante con la temperatura influiscono sulla dinamica dei cuscinetti e sulle caratteristiche di vibrazione. Un lubrificante freddo aumenta lo smorzamento viscoso e può mascherare difetti incipienti dei cuscinetti, mentre un lubrificante surriscaldato riduce lo smorzamento e la protezione.

Lubrificanti contaminati contenenti particelle di usura, acqua o corpi estranei creano ulteriori fonti di vibrazioni attraverso il contatto abrasivo e la turbolenza del flusso. Questi effetti possono sovrastare le firme di guasto reali e complicare l'interpretazione diagnostica.

Problemi al sistema di lubrificazione, tra cui portata inadeguata, variazioni di pressione e irregolarità nella distribuzione, creano condizioni di carico variabili nel tempo sui cuscinetti, che influiscono sul comportamento delle vibrazioni. La correlazione tra il funzionamento del sistema di lubrificazione e le caratteristiche delle vibrazioni fornisce preziose informazioni diagnostiche.

Riconoscimento degli errori di misura e controllo di qualità

Una diagnostica affidabile richiede l'identificazione e l'eliminazione sistematiche degli errori di misurazione che possono portare a conclusioni errate e ad azioni di manutenzione non necessarie. Tra le fonti di errore più comuni figurano problemi di montaggio del sensore, interferenze elettriche e parametri di misurazione inappropriati.

La verifica del montaggio del sensore impiega tecniche semplici, tra cui test di eccitazione manuali, misurazioni di confronto in punti adiacenti e verifica della risposta in frequenza utilizzando sorgenti di eccitazione note. Un montaggio non preciso riduce in genere la sensibilità alle alte frequenze e può introdurre risonanze spurie.

Il rilevamento delle interferenze elettriche prevede l'identificazione delle componenti spettrali alla frequenza di linea (50/60 Hz) e delle relative armoniche, misurazioni di confronto con alimentazione scollegata e valutazione della coerenza tra vibrazioni e segnali elettrici. Una corretta messa a terra e schermatura eliminano la maggior parte delle fonti di interferenza.

La verifica dei parametri include la conferma delle unità di misura, delle impostazioni dell'intervallo di frequenza e dei parametri di analisi. Una selezione errata dei parametri può portare ad artefatti di misurazione che imitano le firme di errore reali.

Architettura dei sistemi diagnostici integrati

I moderni impianti di manutenzione delle locomotive impiegano sistemi diagnostici integrati che combinano molteplici tecniche di monitoraggio delle condizioni con funzionalità centralizzate di gestione e analisi dei dati. Questi sistemi forniscono una valutazione completa delle apparecchiature, riducendo al contempo la necessità di raccolta e analisi manuale dei dati.

Le reti di sensori distribuite consentono il monitoraggio simultaneo di più componenti in tutta la struttura della locomotiva. I nodi sensori wireless riducono la complessità di installazione e i requisiti di manutenzione, garantendo al contempo la trasmissione dei dati in tempo reale ai sistemi di elaborazione centrale.

Gli algoritmi di analisi automatizzati elaborano i flussi di dati in ingresso per identificare problemi in via di sviluppo e generare raccomandazioni di manutenzione. Le tecniche di apprendimento automatico adattano i parametri degli algoritmi in base ai dati storici e ai risultati della manutenzione per migliorare l'accuratezza diagnostica nel tempo.

L'integrazione del database combina i risultati dell'analisi delle vibrazioni con la cronologia della manutenzione, le condizioni operative e le specifiche dei componenti per fornire un supporto completo alla valutazione delle apparecchiature e alla pianificazione della manutenzione.

2.3.1.6. Implementazione pratica della tecnologia di misurazione delle vibrazioni

Familiarizzazione e configurazione del sistema diagnostico

Una diagnosi efficace delle vibrazioni inizia con una conoscenza approfondita delle capacità e dei limiti delle apparecchiature diagnostiche. I moderni analizzatori portatili integrano molteplici funzioni di misurazione e analisi, che richiedono una formazione sistematica per utilizzare efficacemente tutte le funzionalità disponibili.

La configurazione del sistema prevede la definizione di parametri di misura appropriati per le applicazioni locomotive, inclusi intervalli di frequenza, impostazioni di risoluzione e tipi di analisi. Le configurazioni predefinite raramente offrono prestazioni ottimali per applicazioni specifiche, rendendo necessaria la personalizzazione in base alle caratteristiche dei componenti e agli obiettivi diagnostici.

La verifica della calibrazione garantisce l'accuratezza delle misurazioni e la tracciabilità agli standard nazionali. Questo processo prevede il collegamento di sorgenti di calibrazione di precisione e la verifica della risposta del sistema su tutti gli intervalli di frequenza e ampiezza utilizzati per le misurazioni diagnostiche.

La configurazione del database stabilisce le gerarchie delle apparecchiature, le definizioni dei punti di misura e i parametri di analisi per ciascun componente monitorato. Una corretta organizzazione del database facilita la raccolta efficiente dei dati e consente il confronto automatico con i trend storici e i limiti di allarme.

Sviluppo del percorso e configurazione del database

Lo sviluppo del percorso prevede l'identificazione sistematica di punti di misura e sequenze che forniscano una copertura completa dei componenti critici, ottimizzando al contempo l'efficienza della raccolta dati. Percorsi efficaci bilanciano la completezza diagnostica con i vincoli di tempo concreti.

La selezione dei punti di misura dà priorità a posizioni che offrano la massima sensibilità a potenziali condizioni di guasto, garantendo al contempo il posizionamento ripetibile dei sensori e un accesso sicuro accettabile. Ogni punto di misura richiede la documentazione della posizione esatta, dell'orientamento del sensore e dei parametri di misura.

I sistemi di identificazione dei componenti consentono l'organizzazione e l'analisi automatizzata dei dati collegando i punti di misurazione a specifici elementi dell'equipaggiamento. L'organizzazione gerarchica facilita l'analisi e il confronto a livello di flotta tra componenti simili su più locomotive.

La definizione dei parametri di analisi stabilisce intervalli di frequenza, impostazioni di risoluzione e opzioni di elaborazione appropriate per ciascun punto di misura. Il posizionamento dei cuscinetti richiede capacità ad alta frequenza con opzioni di analisi dell'inviluppo, mentre le misurazioni di bilanciamento e allineamento enfatizzano le prestazioni a bassa frequenza.

Procedure di ispezione visiva e preparazione

L'ispezione visiva fornisce informazioni essenziali sulle condizioni dei componenti e sulle potenziali complicazioni di misurazione prima di procedere con le misurazioni delle vibrazioni. Questa ispezione rivela problemi evidenti che potrebbero non richiedere un'analisi dettagliata delle vibrazioni, identificando al contempo i fattori che potrebbero influire sulla qualità della misurazione.

L'ispezione del sistema di lubrificazione include la verifica dei livelli di lubrificante, la presenza di perdite e la presenza di indicatori di contaminazione. Una lubrificazione inadeguata influisce sulle caratteristiche di vibrazione e può indicare guasti imminenti che richiedono un intervento immediato, indipendentemente dai livelli di vibrazione.

L'ispezione dell'hardware di montaggio identifica bulloni allentati, componenti danneggiati e problemi strutturali che potrebbero compromettere la trasmissione delle vibrazioni o il montaggio del sensore. Questi problemi potrebbero richiedere una correzione prima di poter effettuare misurazioni affidabili.

La preparazione della superficie per il montaggio del sensore prevede la pulizia delle superfici di misura, la rimozione di vernice o corrosione e la verifica del corretto innesto filettato per i perni di montaggio permanenti. Una corretta preparazione della superficie influisce direttamente sulla qualità e sulla ripetibilità della misurazione.

La valutazione dei rischi ambientali identifica problematiche di sicurezza, tra cui superfici calde, macchinari rotanti, rischi elettrici e strutture instabili. Le considerazioni sulla sicurezza potrebbero richiedere procedure speciali o dispositivi di protezione individuale per il personale addetto alle misurazioni.

Stabilimento della modalità operativa del componente

Le misurazioni diagnostiche richiedono la creazione di condizioni operative coerenti che forniscano risultati ripetibili e una sensibilità ottimale alle condizioni di guasto. La selezione della modalità operativa dipende dalla progettazione dei componenti, dalla strumentazione disponibile e dai vincoli di sicurezza.

Il funzionamento a vuoto fornisce misurazioni di base con minime influenze esterne dovute a variazioni di carico meccanico o elettrico. Questa modalità rivela con maggiore chiarezza problemi fondamentali, tra cui squilibri, disallineamenti e guasti elettromagnetici.

Il funzionamento sotto carico a livelli di potenza specificati rivela fenomeni dipendenti dal carico che potrebbero non presentarsi durante i test a vuoto. Il carico progressivo aiuta a identificare problemi sensibili al carico e a stabilire relazioni di gravità per l'analisi dell'andamento.

I sistemi di controllo della velocità mantengono velocità di rotazione costanti durante l'acquisizione delle misure per garantire la stabilità della frequenza e consentire un'analisi spettrale accurata. Le variazioni di velocità durante la misurazione creano sbavature spettrali che riducono la risoluzione dell'analisi e l'accuratezza diagnostica.

L'instaurazione dell'equilibrio termico garantisce che le misurazioni rappresentino le normali condizioni operative piuttosto che effetti transitori di avviamento. La maggior parte dei macchinari rotanti richiede 15-30 minuti di funzionamento per raggiungere la stabilità termica e livelli di vibrazione rappresentativi.

Misurazione e verifica della velocità di rotazione

Una misurazione accurata della velocità di rotazione fornisce informazioni di riferimento essenziali per l'analisi spettrale e il calcolo della frequenza dei guasti. Errori nella misurazione della velocità influiscono direttamente sull'accuratezza diagnostica e possono portare a un'identificazione errata dei guasti.

I tachimetri ottici forniscono misurazioni della velocità senza contatto utilizzando un nastro riflettente o elementi superficiali naturali. Questi strumenti offrono elevata precisione e vantaggi in termini di sicurezza, ma richiedono un accesso in linea di vista e un contrasto superficiale adeguato per un funzionamento affidabile.

I sensori magnetici a pickup rilevano il passaggio di elementi ferromagnetici come denti di ingranaggi o sedi per chiavette di alberi. Questi sensori offrono un'eccellente precisione e immunità alla contaminazione, ma richiedono l'installazione di pickup e target sui componenti rotanti.

La misurazione stroboscopica della velocità utilizza luci lampeggianti sincronizzate per creare immagini apparentemente fisse di componenti rotanti. Questa tecnica fornisce una verifica visiva della velocità di rotazione e consente l'osservazione del comportamento dinamico durante il funzionamento.

La verifica della velocità tramite analisi spettrale prevede l'identificazione di picchi spettrali significativi corrispondenti a frequenze di rotazione note e il confronto con le misurazioni dirette della velocità. Questo approccio fornisce conferma dell'accuratezza della misurazione e aiuta a identificare le componenti spettrali correlate alla velocità.

Raccolta dati sulle vibrazioni multi-punto

La raccolta sistematica dei dati sulle vibrazioni segue percorsi e sequenze di misurazione prestabiliti per garantire una copertura completa, mantenendo al contempo la qualità e l'efficienza delle misurazioni. Le procedure di raccolta dati devono adattarsi alle diverse condizioni di accesso e alle configurazioni delle apparecchiature.

La ripetibilità del posizionamento del sensore garantisce la coerenza delle misurazioni tra le successive sessioni di raccolta dati. I perni di montaggio permanenti offrono una ripetibilità ottimale, ma potrebbero non essere adatti a tutte le posizioni di misurazione. I metodi di montaggio temporanei richiedono un'attenta documentazione e ausili per il posizionamento.

Le considerazioni sui tempi di misurazione includono un adeguato tempo di assestamento dopo l'installazione del sensore, una durata di misurazione sufficiente per l'accuratezza statistica e il coordinamento con i programmi operativi delle apparecchiature. Misurazioni affrettate spesso producono risultati inaffidabili che complicano l'interpretazione diagnostica.

La documentazione delle condizioni ambientali include temperatura ambiente, umidità e livelli di rumore di fondo che possono influire sulla qualità o sull'interpretazione delle misurazioni. Condizioni estreme potrebbero richiedere il rinvio delle misurazioni o modifiche dei parametri.

La valutazione della qualità in tempo reale prevede il monitoraggio delle caratteristiche del segnale durante l'acquisizione per identificare problemi di misurazione prima del completamento della raccolta dati. Gli analizzatori moderni forniscono visualizzazioni spettrali e statistiche del segnale che consentono una valutazione immediata della qualità.

Monitoraggio acustico e misurazione della temperatura

Il monitoraggio delle emissioni acustiche integra l'analisi delle vibrazioni rilevando onde di stress ad alta frequenza generate dalla propagazione di cricche, dall'attrito e da fenomeni di impatto. Queste misurazioni forniscono un segnale precoce di problemi in via di sviluppo che potrebbero non produrre ancora variazioni di vibrazione misurabili.

I dispositivi di ascolto a ultrasuoni consentono il monitoraggio acustico delle condizioni dei cuscinetti attraverso tecniche di spostamento di frequenza che convertono le emissioni ultrasoniche in frequenze udibili. Tecnici esperti sono in grado di identificare i suoni caratteristici associati a specifici tipi di guasto.

Le misurazioni della temperatura forniscono informazioni essenziali sulle condizioni termiche dei componenti e contribuiscono a convalidare i risultati delle analisi delle vibrazioni. Il monitoraggio della temperatura dei cuscinetti rivela problemi di lubrificazione e condizioni di carico che influiscono sulle caratteristiche di vibrazione.

La termografia a infrarossi consente la misurazione della temperatura senza contatto e l'identificazione di modelli termici che indicano problemi meccanici. I punti caldi possono indicare attriti, disallineamenti o problemi di lubrificazione che richiedono un intervento immediato.

L'analisi dell'andamento della temperatura, combinata con l'analisi dell'andamento delle vibrazioni, fornisce una valutazione completa delle condizioni dei componenti e dei tassi di degradazione. Aumenti simultanei di temperatura e vibrazioni spesso indicano processi di usura accelerati che richiedono interventi di manutenzione tempestivi.

Verifica della qualità dei dati e rilevamento degli errori

La verifica della qualità delle misurazioni comporta una valutazione sistematica dei dati acquisiti per identificare potenziali errori o anomalie che potrebbero portare a conclusioni diagnostiche errate. Le procedure di controllo qualità devono essere applicate immediatamente dopo la raccolta dei dati, mantenendo le condizioni di misurazione in memoria.

Gli indicatori di qualità dell'analisi spettrale includono livelli di rumore appropriati, assenza di evidenti artefatti di aliasing e un contenuto di frequenza ragionevole rispetto alle sorgenti di eccitazione note. I picchi spettrali dovrebbero allinearsi alle frequenze previste in base alla velocità di rotazione e alla geometria dei componenti.

L'ispezione della forma d'onda temporale rivela caratteristiche del segnale che potrebbero non essere evidenti nell'analisi nel dominio della frequenza. Clipping, offset in corrente continua e anomalie periodiche indicano problemi nel sistema di misurazione che richiedono una correzione prima dell'analisi dei dati.

La verifica della ripetibilità prevede l'acquisizione di più misurazioni in condizioni identiche per valutarne la coerenza. Un'eccessiva variabilità indica condizioni operative instabili o problemi al sistema di misurazione.

Il confronto storico fornisce il contesto per valutare le misurazioni attuali rispetto ai dati precedenti provenienti dagli stessi punti di misura. Cambiamenti improvvisi possono indicare problemi reali alle apparecchiature o errori di misurazione che richiedono un'indagine.

2.3.1.7. Valutazione pratica delle condizioni dei cuscinetti utilizzando dati di misurazione primari

Analisi degli errori di misura e convalida dei dati

Una diagnostica affidabile dei cuscinetti richiede l'identificazione e l'eliminazione sistematiche degli errori di misurazione che possono mascherare le firme di guasto reali o creare false indicazioni. L'analisi degli errori inizia subito dopo la raccolta dei dati, mentre le condizioni e le procedure di misurazione rimangono memorizzate.

La convalida dell'analisi spettrale prevede l'esame delle caratteristiche del dominio della frequenza per verificarne la coerenza con le sorgenti di eccitazione note e le capacità del sistema di misura. Le firme dei difetti dei cuscinetti autentici presentano relazioni di frequenza e modelli armonici specifici che li differenziano dagli artefatti di misura.

L'analisi nel dominio del tempo rivela caratteristiche del segnale che potrebbero indicare problemi di misurazione, tra cui clipping, interferenze elettriche e disturbi meccanici. I segnali di difetti dei cuscinetti presentano tipicamente caratteristiche impulsive con elevati fattori di cresta e andamenti periodici di ampiezza.

L'analisi dei trend storici fornisce un contesto essenziale per valutare le misurazioni attuali rispetto ai dati precedenti provenienti da punti di misurazione identici. Cambiamenti graduali indicano un reale degrado dell'apparecchiatura, mentre cambiamenti improvvisi possono suggerire errori di misurazione o influenze esterne.

La verifica cross-channel prevede il confronto delle misurazioni effettuate da più sensori sullo stesso componente per identificare la sensibilità direzionale e confermare la presenza di guasti. I difetti dei cuscinetti in genere interessano più direzioni di misurazione, mantenendo al contempo le relazioni di frequenza caratteristiche.

La valutazione dei fattori ambientali considera influenze esterne, tra cui variazioni di temperatura, variazioni di carico e rumore di fondo, che possono influire sulla qualità o sull'interpretazione delle misurazioni. La correlazione tra condizioni ambientali e caratteristiche di vibrazione fornisce preziose informazioni diagnostiche.

Verifica della velocità di rotazione tramite analisi spettrale

La determinazione accurata della velocità di rotazione costituisce la base per tutti i calcoli sulla frequenza dei guasti dei cuscinetti e per l'interpretazione diagnostica. L'analisi spettrale offre molteplici approcci per la verifica della velocità, integrando le misurazioni dirette del tachimetro.

L'identificazione della frequenza fondamentale prevede l'individuazione dei picchi spettrali corrispondenti alla frequenza di rotazione dell'albero, che dovrebbero apparire in modo evidente nella maggior parte degli spettri delle macchine rotanti a causa di squilibri residui o lievi disallineamenti. La frequenza fondamentale fornisce il riferimento di base per tutti i calcoli delle armoniche e della frequenza dei cuscinetti.

L'analisi del pattern armonico esamina la relazione tra la frequenza fondamentale e le sue armoniche per confermare la precisione della velocità e identificare ulteriori problemi meccanici. Il puro squilibrio rotazionale produce vibrazioni prevalentemente a frequenza fondamentale, mentre i problemi meccanici generano armoniche superiori.

L'identificazione elettromagnetica della frequenza (EMF) nelle applicazioni motoristiche rivela le componenti della frequenza di linea e le frequenze di passaggio delle fessure che forniscono una verifica indipendente della velocità. Queste frequenze mantengono relazioni fisse con la frequenza di alimentazione elettrica e i parametri di progettazione del motore.

L'identificazione della frequenza di accoppiamento degli ingranaggi nei sistemi a ingranaggi consente una determinazione della velocità estremamente accurata attraverso la relazione tra la frequenza di accoppiamento e la velocità di rotazione. Le frequenze di accoppiamento degli ingranaggi producono tipicamente picchi spettrali significativi con eccellenti rapporti segnale/rumore.

La valutazione della variazione di velocità esamina la nitidezza del picco spettrale e la struttura delle bande laterali per valutare la stabilità della velocità durante l'acquisizione delle misure. L'instabilità della velocità crea sbavature spettrali e generazione di bande laterali che riducono l'accuratezza dell'analisi e possono mascherare le firme dei difetti dei cuscinetti.

Calcolo e identificazione della frequenza dei difetti dei cuscinetti

I calcoli della frequenza dei difetti dei cuscinetti richiedono dati accurati sulla geometria del cuscinetto e informazioni precise sulla velocità di rotazione. Questi calcoli forniscono frequenze teoriche che servono da modello per identificare le firme effettive dei difetti dei cuscinetti negli spettri misurati.

La frequenza di passaggio delle sfere sulla pista esterna (BPFO) rappresenta la frequenza con cui gli elementi volventi incontrano difetti nella pista esterna. Questa frequenza varia tipicamente da 0,4 a 0,6 volte la frequenza di rotazione, a seconda della geometria del cuscinetto e delle caratteristiche dell'angolo di contatto.

La frequenza di passaggio delle sfere sulla pista interna (BPFI) indica la frequenza di contatto degli elementi volventi con difetti della pista interna. La BPFI in genere supera la BPFO di 20-40 µm e può presentare una modulazione di ampiezza alla frequenza di rotazione a causa degli effetti della zona di carico.

La frequenza fondamentale del treno (FTF) rappresenta la frequenza di rotazione della gabbia e in genere è pari a 0,35-0,45 volte la frequenza di rotazione dell'albero. Difetti della gabbia o problemi di lubrificazione possono generare vibrazioni a livello della FTF e delle sue armoniche.

La frequenza di rotazione della sfera (BSF) indica la frequenza di rotazione del singolo elemento volvente e raramente compare negli spettri di vibrazione, a meno che gli elementi volventi non presentino difetti specifici o variazioni dimensionali. L'identificazione della BSF richiede un'analisi accurata a causa della sua ampiezza tipicamente bassa.

Le considerazioni sulla tolleranza in frequenza tengono conto delle variazioni di produzione, degli effetti del carico e delle incertezze di misura che possono causare differenze tra le frequenze effettive dei difetti e i calcoli teorici. Le larghezze di banda di ricerca di ±51 TP³T attorno alle frequenze calcolate tengono conto di queste variazioni.

Riconoscimento di modelli spettrali e identificazione di guasti

L'identificazione dei guasti dei cuscinetti richiede tecniche sistematiche di riconoscimento di pattern che distinguano le firme dei veri difetti dei cuscinetti da altre fonti di vibrazione. Ogni tipo di guasto produce pattern spettrali caratteristici che, se correttamente interpretati, consentono una diagnosi specifica.

Le firme dei difetti della pista esterna appaiono tipicamente come picchi spettrali discreti a livello di BPFO e delle sue armoniche, senza una modulazione di ampiezza significativa. L'assenza di bande laterali di frequenza rotazionale distingue i difetti della pista esterna dai problemi della pista interna.

Le firme dei difetti della pista interna presentano una frequenza fondamentale BPFI con bande laterali distanziate a intervalli di frequenza rotazionale. Questa modulazione di ampiezza deriva dagli effetti della zona di carico quando l'area difettosa ruota al variare delle condizioni di carico.

Le firme dei difetti degli elementi volventi possono comparire in corrispondenza del BSF o creare una modulazione delle frequenze di altri cuscinetti. Questi difetti spesso producono modelli spettrali complessi che richiedono un'analisi accurata per essere distinti dai difetti delle piste.

Le firme dei difetti della gabbia si manifestano tipicamente a livello di FTF e delle sue armoniche, spesso accompagnate da livelli di rumore di fondo elevati e caratteristiche di ampiezza instabili. I problemi alla gabbia possono anche modulare altre frequenze dei cuscinetti.

Implementazione e interpretazione dell'analisi dell'involucro

L'analisi dell'inviluppo estrae informazioni sulla modulazione di ampiezza dalle vibrazioni ad alta frequenza per rivelare modelli di difetti dei cuscinetti a bassa frequenza. Questa tecnica si dimostra particolarmente efficace per rilevare difetti dei cuscinetti in fase iniziale che potrebbero non produrre vibrazioni a bassa frequenza misurabili.

La selezione della banda di frequenza per l'analisi dell'inviluppo richiede l'identificazione delle risonanze strutturali o delle frequenze naturali del cuscinetto, che vengono sollecitate dalle forze d'impatto. Le bande di frequenza ottimali variano tipicamente da 1000 a 8000 Hz, a seconda delle dimensioni del cuscinetto e delle caratteristiche di montaggio.

I parametri di progettazione del filtro influenzano significativamente i risultati dell'analisi dell'inviluppo. I filtri passa-banda devono fornire una larghezza di banda adeguata per catturare le caratteristiche di risonanza, escludendo al contempo le risonanze adiacenti che potrebbero contaminare i risultati. Le caratteristiche di roll-off del filtro influenzano la risposta ai transienti e la sensibilità di rilevamento degli impatti.

L'interpretazione dello spettro di inviluppo segue principi simili all'analisi spettrale convenzionale, ma si concentra sulle frequenze di modulazione piuttosto che sulle frequenze portanti. Le frequenze dei difetti dei cuscinetti appaiono come picchi discreti negli spettri di inviluppo, con ampiezze che indicano la gravità del difetto.

La valutazione della qualità dell'analisi dell'inviluppo prevede la valutazione della selezione del filtro, delle caratteristiche della banda di frequenza e del rapporto segnale/rumore per garantire risultati affidabili. Risultati scadenti nell'analisi dell'inviluppo possono indicare una selezione inappropriata del filtro o un'insufficiente eccitazione della risonanza strutturale.

Valutazione dell'ampiezza e classificazione della gravità

La valutazione della gravità dei difetti dei cuscinetti richiede una valutazione sistematica delle ampiezze delle vibrazioni rispetto a criteri stabiliti e trend storici. La classificazione della gravità consente la pianificazione della manutenzione e la valutazione dei rischi per il funzionamento continuo.

I criteri di ampiezza assoluta forniscono linee guida generali per la valutazione delle condizioni dei cuscinetti, basate sull'esperienza e sugli standard del settore. Questi criteri stabiliscono in genere livelli di allerta e allarme per le vibrazioni complessive e per specifiche bande di frequenza.

L'analisi delle tendenze valuta le variazioni di ampiezza nel tempo per valutare i tassi di degradazione e prevedere la vita utile residua. Una crescita esponenziale dell'ampiezza indica spesso un'accelerazione dei danni che richiede un intervento di manutenzione tempestivo.

L'analisi comparativa valuta le condizioni dei cuscinetti rispetto a cuscinetti simili in applicazioni identiche, tenendo conto delle specifiche condizioni operative e delle caratteristiche di installazione. Questo approccio fornisce una valutazione della severità più accurata rispetto ai soli criteri assoluti.

L'integrazione di più parametri combina informazioni provenienti dai livelli di vibrazione complessivi, dalle frequenze specifiche dei difetti, dai risultati dell'analisi dell'inviluppo e dalle misurazioni della temperatura per fornire una valutazione completa dei cuscinetti. L'analisi a parametro singolo può fornire informazioni incomplete o fuorvianti.

Analisi degli effetti della zona di carico e del modello di modulazione

La distribuzione del carico sui cuscinetti influisce significativamente sulle firme vibrazionali e sull'interpretazione diagnostica. Gli effetti della zona di carico creano modelli di modulazione di ampiezza che forniscono informazioni aggiuntive sulle condizioni dei cuscinetti e sulle caratteristiche del carico.

La modulazione dei difetti della pista interna si verifica quando le aree difettose ruotano attraverso diverse zone di carico durante ogni giro. La modulazione massima si verifica quando i difetti si allineano con le posizioni di carico massimo, mentre la modulazione minima corrisponde alle posizioni senza carico.

L'identificazione delle zone di carico attraverso l'analisi della modulazione rivela i modelli di carico dei cuscinetti e può indicare disallineamenti, problemi alle fondazioni o una distribuzione anomala del carico. Modelli di modulazione asimmetrici suggeriscono condizioni di carico non uniformi.

L'analisi delle bande laterali esamina le componenti di frequenza circostanti le frequenze dei difetti dei cuscinetti per quantificare la profondità di modulazione e identificare le sorgenti di modulazione. Le bande laterali della frequenza di rotazione indicano gli effetti della zona di carico, mentre altre frequenze delle bande laterali possono rivelare ulteriori problemi.

L'analisi di fase dei modelli di modulazione fornisce informazioni sulla posizione dei difetti rispetto alle zone di carico e può aiutare a prevedere la progressione del danno. Tecniche di analisi avanzate possono stimare la durata residua dei cuscinetti in base alle caratteristiche di modulazione.

Integrazione con tecniche diagnostiche complementari

La valutazione completa dei cuscinetti integra l'analisi delle vibrazioni con tecniche diagnostiche complementari per migliorare la precisione e ridurre il tasso di falsi allarmi. Diversi approcci diagnostici forniscono la conferma dell'identificazione del problema e una valutazione più accurata della gravità.

L'analisi dell'olio rivela la presenza di particelle di usura nei cuscinetti, livelli di contaminazione e degradazione del lubrificante, correlati ai risultati dell'analisi delle vibrazioni. L'aumento della concentrazione di particelle di usura spesso precede di diverse settimane le variazioni rilevabili delle vibrazioni.

Il monitoraggio della temperatura fornisce indicazioni in tempo reale sulle condizioni termiche e sui livelli di attrito dei cuscinetti. Gli aumenti di temperatura spesso accompagnano l'aumento delle vibrazioni durante i processi di degradazione dei cuscinetti.

Il monitoraggio delle emissioni acustiche rileva onde di stress ad alta frequenza derivanti dalla propagazione di cricche e da fenomeni di contatto superficiale che possono precedere le firme vibrazionali convenzionali. Questa tecnica consente di individuare i guasti in tempi rapidissimi.

Il monitoraggio delle prestazioni valuta gli effetti dei cuscinetti sul funzionamento del sistema, inclusi cambiamenti di efficienza, variazioni nella distribuzione del carico e stabilità operativa. Il degrado delle prestazioni può indicare problemi ai cuscinetti che richiedono un'indagine anche quando i livelli di vibrazione rimangono accettabili.

Requisiti di documentazione e rendicontazione

Per una diagnostica efficace dei cuscinetti è necessaria una documentazione completa delle procedure di misurazione, dei risultati delle analisi e delle raccomandazioni di manutenzione, per supportare il processo decisionale e fornire registrazioni storiche per l'analisi delle tendenze.

La documentazione di misurazione include la configurazione delle apparecchiature, le condizioni ambientali, i parametri operativi e i risultati della valutazione della qualità. Queste informazioni consentono la ripetibilità delle misurazioni future e forniscono il contesto per l'interpretazione dei risultati.

La documentazione di analisi registra le procedure di calcolo, i metodi di identificazione della frequenza e il ragionamento diagnostico a supporto delle conclusioni e per consentire la revisione paritaria. Una documentazione dettagliata facilita il trasferimento delle conoscenze e le attività di formazione.

La documentazione relativa alle raccomandazioni fornisce chiare linee guida per la manutenzione, inclusa la classificazione dell'urgenza, le procedure di riparazione suggerite e i requisiti di monitoraggio. Le raccomandazioni devono includere una giustificazione tecnica sufficiente a supportare le decisioni di pianificazione della manutenzione.

La manutenzione del database storico garantisce che i risultati delle misurazioni e delle analisi rimangano accessibili per analisi di trend e studi comparativi. Una corretta organizzazione del database facilita l'analisi dell'intera flotta e l'identificazione di problemi comuni tra apparecchiature simili.

Conclusione

La diagnostica delle vibrazioni dei componenti delle locomotive ferroviarie rappresenta una sofisticata disciplina ingegneristica che combina principi meccanici fondamentali con tecnologie avanzate di misurazione e analisi. Questa guida completa ha esplorato gli elementi essenziali necessari per un'efficace implementazione del monitoraggio delle condizioni basato sulle vibrazioni nelle operazioni di manutenzione delle locomotive.

Il fondamento di una diagnostica vibrazionale efficace si basa sulla comprensione approfondita dei fenomeni oscillatori nelle macchine rotanti e delle caratteristiche specifiche dei blocchi motore-sala montata (WMB), dei blocchi ingranaggi-sala montata (WGB) e delle macchine ausiliarie (AM). Ogni tipo di componente presenta firme vibrazionali uniche che richiedono approcci di analisi e tecniche di interpretazione specializzati.

I moderni sistemi diagnostici offrono potenti funzionalità per il rilevamento precoce dei guasti e la valutazione della loro gravità, ma la loro efficacia dipende in modo cruciale dalla corretta implementazione, dal controllo di qualità delle misurazioni e dall'interpretazione competente dei risultati. L'integrazione di più tecniche diagnostiche aumenta l'affidabilità e riduce il tasso di falsi allarmi, fornendo al contempo una valutazione completa delle condizioni dei componenti.

Il continuo progresso nella tecnologia dei sensori, negli algoritmi di analisi e nelle capacità di integrazione dei dati promette ulteriori miglioramenti nell'accuratezza diagnostica e nell'efficienza operativa. Le aziende di manutenzione ferroviaria che investono in capacità complete di diagnostica delle vibrazioni otterranno vantaggi significativi grazie alla riduzione dei guasti imprevisti, all'ottimizzazione della pianificazione della manutenzione e al miglioramento della sicurezza operativa.

L'implementazione efficace della diagnostica delle vibrazioni richiede un impegno costante nella formazione, nell'avanzamento tecnologico e nelle procedure di garanzia della qualità. Con la continua evoluzione dei sistemi ferroviari verso velocità più elevate e requisiti di affidabilità sempre più stringenti, la diagnostica delle vibrazioni svolgerà un ruolo sempre più cruciale nel mantenimento di un funzionamento sicuro ed efficiente delle locomotive.