Per rilevare lo stato di usura di un riduttore è stato monitorato il ciclo endurance che simula l’utilizzo della trasmissione nel suo intero ciclo di vita utilizzando il sistema di diagnostica VMGears DM di PEI VM. L’analisi ha permesso di rilevare con precisione lo stato di salute della trasmissione e di interrompere il test prima di incorrere in danneggiamenti di maggiore severità.
di Andrea Zaccarini, NVH Test Engineer presso PEI VM
Quasi tutti i tipi di macchinari industriali contengono al loro interno parti rotanti soggette a urti, strisciamenti, contatti e sbilanciamenti, che si traducono in forze di eccitazione. A loro volta, queste forze si propagano a tutta la struttura della macchina, generando vibrazioni superficiali e di conseguenza onde sonore, sempre presenti e quasi sempre rilevabili, connaturate al funzionamento stesso della macchina. Questi segnali, se opportunamente processati, sono in grado di rivelare importanti informazioni sullo stato di salute o di usura dei componenti interni della macchina.
PEI VM, azienda specializzata in consulenza e strumentazione nel campo NVH (Noise Vibrations Harshness) conduce da anni un’intensa attività sperimentale con il supporto di diverse aziende del territorio, dando vita a moduli di analisi specifici per ciascuna tipologia di macchine (riduttori, assali, cambi, motori elettrici, motori a combustione, pompe, ecc..). Questi moduli sono a oggi disponibili tramite licenze software dedicate all’interno di un sistema di diagnostica denominato VMGears.
Sulla base di algoritmi sviluppati ad-hoc, VMGears identifica i difetti dei componenti interni, che si manifestano come rumorosità o vibrazioni “anomale”. Le difettosità di ciascun componente vengono mostrate all’operatore tramite un’interfaccia semplice e comprensibile, sotto forma di indicatori numerici facilmente comparabili, rendendo immediata la lettura dello stato di salute della macchina.
VMGears è utilizzato con successo da aziende leader nei settori power transmission, automotive, motorcycle, off-highway e industrial e dispone ad oggi di tre versioni distinte per altrettante applicazioni, una delle quali è quella della versione VMGears DM (Durability Monitoring), dedicata al monitoraggio continuo di test endurance.
L’analisi presentata in questo articolo riguarda il monitoraggio dello stato di usura di un riduttore, tramite il sistema VMGears DM, durante un ciclo endurance che simula l’utilizzo della trasmissione nel suo intero ciclo di vita.
Ogni vibrazione anomala è associata a una causa meccanica in maniera diretta
Il sistema di diagnostica VMGears DM è impostato per eseguire in maniera automatizzata diverse operazioni, tra cui:
• acquisire in maniera sincrona i segnali dinamici provenienti dagli accelerometri, insieme alle velocità di rotazione del motore elettrico e alla coppia motrice;
• estrarre indici dedicati dai segnali grezzi tramite gli algoritmi di analisi disponibili nel software.
Grazie agli indici specifici per ciascun componente ogni vibrazione anomala viene associata a una specifica causa meccanica in maniera diretta, come nel caso di vibrazioni generate dall’ingranamento dei singoli stadi di riduzione, dallo sbilanciamento degli alberi o da difetti sulle piste del singolo cuscinetto.
VMGears DM consente inoltre di acquisire altri tipi di segnali: durante questo test sono state analizzate due termocoppie, posizionate sulla struttura del riduttore in prossimità dei cuscinetti per monitorare eventuali variazioni anomale di temperatura.
VMGears DM effettua un autoapprendimento delle soglie di accettabilità in funzione delle condizioni iniziali: tali soglie sono poi aggiustabili dall’operatore in modo manuale o automatico nel proseguimento della prova. Grazie a moduli di output e/o a schede relais il software può dare in uscita verso il banco di durata un segnale per fermare il test in caso di superamento di una delle soglie di accettabilità.
Condizioni di prova
Il riduttore oggetto di analisi è composto da un solo stadio di riduzione con ingranaggi a denti elicoidali e da quattro cuscinetti commerciali posti sui rispettivi assi.
Tramite l’apposito tool di costruzione dei modelli cinematici, la trasmissione è stata modellata all’interno di VMGears tramite uno schema ad albero di costruzione estremamente semplice, che comprende una successione a cascata di alberi, cuscinetti e stadi di riduzione.
Il ciclo di test adottato dal cliente prevede valori stazionari per i vari parametri di controllo del banco come la velocità di rotazione e coppia frenante.
All’interno di VMGears DM è possibile mappare queste condizioni (stazionarie) o altre (variabili), per le quali il software svolge in automatico acquisizione e analisi dei dati a intervalli temporali programmati, oltre alla visualizzazione delle trendline degli indici vibrazionali.
Una scheda 4 canali ad alta frequenza e due accelerometri con alta sensibilità
VMGears DM è una soluzione completa di hardware e software. Essa comprende i moduli di acquisizione e la sensoristica IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric Excitation), tra cui accelerometri mono o tri assiali ed eventualmente microfoni, da usare solo laddove le condizioni ambientali ne permettano l’utilizzo.
Per questo test è stata utilizzata una scheda 4 canali ad alta frequenza (51,2 kHz) e due accelerometri con alta sensibilità (100 mV/g) posizionati su housing trasmissione tramite basi magnetiche, in corrispondenza di punti sensibili alla direzione di scambio di forze tra gli ingranaggi.
Ma entriamo nel merito del test eseguito e dei risultati conseguiti.
Il ciclo endurance a punto fisso è stato presidiato in modo automatico dal sistema VMGears DM fino a che le trendline dei parametri hanno evidenziato degli incrementi netti e irreversibili rispetto ai valori rilevati nella fase iniziale di autoapprendimento.
Sono stati rilevati i seguenti trend di crescita:
• Aumento del +100% di RMS overall [m/s2]. Si tratta di un indice globale (valore quadratico medio overall di vibrazione nel punto di misura): a fronte di un importante aumento percentuale permette di constatare una modifica sostanziale dello stato di salute del gearbox, ma non di identificare quale sia il componente critico, come invece fanno altri indici. (Figura 3).
• Aumento del +500% di TQV [m/s2]. Si tratta della vibrazione legata all’azione di ingranamento. Associando questo trend di forte incremento al trend sostanzialmente costante dell’indice RTD (vibrazione localizzata) è possibile asserire che si tratta di un danneggiamento diffuso su tutta la dentatura, non un difetto a qualcosa di localizzato come ammaccatura o fessurazioni. (Figura 4).
• Stazionarietà degli indici RTD Pignone e RTD Corona [%]. Si tratta di indicatori percentuali legati alla disuniformità di vibrazione tra denti dello stesso ingranaggio. Il fatto che tali valori rimangano costanti e ampiamente entro soglia è indice di un problema generalizzato e non localizzato, come confermato dal pitting diffuso trovato sugli ingranaggi (Figura 5).
Conclusioni
Il test eseguito con VMGears DM di PEI VM ha permesso dunque di monitorare con precisione lo stato di salute della trasmissione e di interrompere il test prima di incorrere in danneggiamenti di maggiore severità. Questa informazione è di importanza strategica, per poter prevedere uno stop ispettivo ed evitare una rottura molto grave, dalla quale sarebbe impossibile risalire alla relativa causa scatenante.
VMGears DM può essere configurato in modo flessibile per monitorare:
• sensori di altro tipo in aggiunta agli accelerometri (ad esempio termocoppie, coppie, sensori di imbrattamento olio);
• test di durata complessi, che coinvolgono più punti operativi di giri e carico;
• catene cinematiche complesse (cambi di velocità, assali, motori elettrici, trasmissioni complete).
VMGears DM va a completare la gamma VMGears composta da VMGears RD (Research & Development) e VMGears QC (Quality Control).
VMGears RD (Research & Development) caratterizza le vibrazioni durante la fase di sviluppo prodotto (confronto tra prototipi, check soluzioni della concorrenza, check possibili problemi di integrazione in impianti/veicoli).
VMGears QC (Quality Control) è indicato per il controllo qualità del 100% dei prodotti in fase di collaudo End-Of-Line.
Indipendentemente dall’ambito applicativo, gli algoritmi di analisi implementati in VMGears consentono di discriminare i componenti difettosi/danneggiati da quelli sani, un fattore chiave quando si analizzano cinematiche complesse.
Lo stato di salute viene visualizzato in modo semplice e intuitivo, rendendo il sistema utilizzabile anche, e soprattutto, da non specialisti NVH.
