Sfruttando tecniche che consentano il rilevamento tempestivo dei problemi del macchinario ed effettuando interventi di riparazione programmati si possono evitare costose perdite di produzione dovute a fermate impreviste.

È questa la politica seguita dalla Sappi in tutte le sue cartiere. Per garantirsi incrementi costanti di produttività essa utilizza strumenti di eccezionale affidabilità quali i sistemi SKF di controllo delle vibrazioni e di analisi delle cause di cedimento e le tecniche SKF di misurazione dell’inviluppo dell’accelerazione.

La cartiera di Gratkorn è attiva da più di 400 anni. Oggi possiede la più grande linea del mondo di fabbricazione di carte patinate di alta qualità senza legno, con una produzione di 470.000 tonnellate all’anno. Le due continue e le due macchine patinatrici fuori linea di Gratkorn sono state dotate fin dal 1995 di sistemi di monitoraggio SKF. In particolare, sulla nuova continua PM11 è stato installato un sistema di controllo online, che sta tenendo sotto costante sorveglianza le vibrazioni della macchina fin dal suo avviamento. Attualmente cinque cartiere europee della Sappi utilizzano sistemi online e apparecchiature portatili della SKF Condition Monitoring.

Un successo straordinario

Per avere un’idea dell’efficienza del sistema di controllo delle vibrazioni, si consideri che da quando la PM11 ha cominciato a lavorare al momento in cui è stato scritto questo articolo, sono stati rilevate 25 anomalie. Di queste, 23 sono state scoperte in tempo per essere analizzate, seguite nel loro andamento e riparate nel corso di fermate programmate. Siamo su un livello di efficienza del 92 %.

La Sappi ha calcolato che sulla PM11 una fermata imprevista costerebbe più di 20.000 dollari all’ora. In linea teorica, in meno di due anni di lavoro, il rilevamento tempestivo dei problemi può far risparmiare circa 4 milioni di dollari. Questa cifra non tiene conto dei costi per fermate impreviste, quali quelle dovute ai danneggiamenti secondari, che spesso accompagnano le rotture di tipo catastrofico dei cuscinetti.

Uno dei principali motivi del successo della politica adottata a Gratkorn è la sua sistematicità. Per avere un livello ottimale delle prestazioni, ogni aspetto tecnico dei sistemi di monitoraggio, dall’installazione dell’hardware all’acquisizione dei dati e alla documentazione, va infatti trattato in modo sistematico. La verifica delle condizioni delle continue PM9 e PM11 e delle patinatrici fuori linea SM9 e SM11 è stata affidata ad un team di quattro tecnici, con a capo l’analista Kurt Neiser.

In questo contesto è importante un’oculata installazione dei sistemi di controllo delle vibrazioni. A Gratkorn, si è preventivamente definito quanto segue:

• il modo più semplice e affidabile per installare l’hardware;
• le misurazioni più opportune da effettuare per rilevare le anomalie;
• l’impostazione migliore degli allarmi per il rilievo automatico dei problemi;
• i metodi e le tecniche più efficaci di analisi, nonché i provvedimenti appropriati da prendere;
• la documentazione degli eventi vibratori per la migliore programmazione degli interventi di riparazione;
• la documentazione come base per migliorare il rendimento.

Per avere una sufficiente uniformità di informazioni su tutto l’equipaggiamento controllato e confrontare i dati, la Sappi ha definito un metodo comune di applicazione dei sistemi, macchina per macchina,.

Installazione dell’hardware

In una grande continua da carta l’installazione dei sistemi di monitoraggio è di per sé un grosso lavoro.

I sensori delle vibrazioni convertono gli spostamenti in segnali elettrici, che possono essere misurati e «condizionati» dall’hardware in modo da fornire informazioni valide circa le vibrazioni caratteristiche di un dato componente. Sulla PM11 tutti cilindri sono muniti di sensori SKF, montati in modo permanente in corrispondenza dei cuscinetti di appoggio. I collegamenti dei sensori sono impermeabilizzati, salvo che nella sezione presse, in cui ci sono cavi integrali. In futuro, per agevolare la manutenzione, avranno anch’essi collegamenti impermeabili. Per montare rapidamente i sensori su superfici curve, la Sappi ha studiato speciali adattatori, che permettono di montarli senza dover spianare la superficie di appoggio.

Sui cilindri essiccatori della PM11, tutti muniti di cuscinetti SKF CARB^®, i sensori sono montati in senso assiale. Tutti gli altri cilindri hanno sensori montati radialmente. Per quanto possibile, i sensori sono disposti in corrispondenza della zona sotto carico, per rendere minime le attenuazioni di segnale.

Il controllo delle vibrazioni dei cuscinetti è importante per due motivi. In primo luogo, perché il cedimento catastrofico di un cuscinetto provocherebbe l’immediata fermata della macchina; controllando le variazioni di vibrazione di quest’ultima è possibile rilevarne in tempo le anomalie e programmare gli interventi correttivi per le normali fermate per manutenzione.
In secondo luogo perché squilibri, disallineamenti e allentamenti della macchina trasmettono vibrazioni ai cuscinetti, dato che questi sono strettamente vincolati alla macchina stessa. Quindi controllando le vibrazioni dei cuscinetti è possibile rilevare anche tali anomalie.

I cavi dei sensori, protetti da tubi, arrivano a scatole di giunzione di acciaio inossidabile, situate esternamente alla macchina. Mentre nella sezione presse i tubi sono di acciaio inossidabile, nelle altre sezioni sono di alluminio; anche se sono costosi, servono a proteggere i cavi e nello stesso tempo fanno sì che il personale di manutenzione e gli addetti macchina si renda conto visivamente dell’importanza del sistema di monitoraggio.

La posizione delle scatole di giunzione, a 20-30 metri dai sensori, è stata scelta in modo da permettere l’inserimento di un conveniente numero di cavi e per tenersi ad un’opportuna distanza dall’ambiente umido della macchina.

Le scatole di giunzione utilizzano una serie di morsettiere per indirizzare i cavi dei singoli sensori ad un cavo multipolare, che ha il compito di convogliare i segnali alle unità SKF di monitoraggio locali (LMU Local Monitoring Unit). Sulla PM11 le LMU sono montate su cabine Rittal, situate in una camera di controllo motori, vicina alle scatole di giunzione. In tale area le LMU possono operare in un ambiente pulito, asciutto e fresco e di facile accesso. In ciascuna camera di controllo motori sono montate diverse cabine su cui sono normalmente installate tre o quattro LMU.

I sistemi di monitoraggio

Ognuna delle continue e delle patinatrici fuori linea ha il proprio sistema SKF di monitoraggio online, costituito da un certo numero di LMU che misurano continuamente le vibrazioni. Per esempio, la PM11 possiede 19 unità autonome programmabili LMU, capaci di effettuare 128 misurazioni utilizzando gli input di 32 sensori. Attraverso una rete locale, le misurazioni effettuate vengono automaticamente trasferite su un computer su cui è installato il software SKF PRISM4/On-Line per la memorizzazione e l’analisi.

A Gratkorn, solo sulla PM11 ci sono circa 600 sensori. Ogni LMU riceve gli input di 31 o 32 sensori ed è collegata a un proprio PC, situato in un locale vicino alla macchina.
I PC sono a loro volta collegati ad un server centrale situato nell’ufficio del team che si occupa di vibrazioni. Nello stesso ufficio ci sono quattro PC destinati alle analisi, a loro volta collegati al server. Di là, quattro specialisti controllano e analizzano le condizioni delle macchine.

Il successo di tutto il sistema di controllo dipende dal come si effettuano le misurazioni. A Gratkorn sui cuscinetti si eseguono in primo luogo due misurazioni di tipo «investigativo».
Successivamente, nel caso il sistema di monitoraggio evidenzi un problema, si effettua una seconda serie di misurazioni, questa volta di tipo «analitico» al fine di stabilire l’entità e l’andamento nel tempo dell’anomalia.

Le misurazioni di tipo investigativo devono essere veloci e affidabili, abbinate ad una precisa impostazione degli allarmi. La scelta della misurazione migliore e l’impostazione dei livelli di allarme esige esperienza sia delle tecniche di controllo delle vibrazioni delle macchine da carta sia del modo «normale» di vibrare dei vari componenti.

Dopo una fase di «assestamento» delle macchine, nel periodo di avviamento, si sono ricavate informazioni circa l’andamento delle vibrazioni di ogni singolo cuscinetto. Una volta accertatone l’andamento regolare, si sono impostate le soglie di allarme, fissandole al disopra dei valori ritenuti normali. L’impostazione degli allarmi può essere modificata per tenere conto di eventuali riparazioni avvenute nel frattempo o di variazioni di velocità della macchina.

Per isolare i segnali emessi dai singoli cuscinetti si effettuano rilievi dell’inviluppo dell’accelerazione. Questi, in sintesi, filtrano tutti i segnali emessi dalla macchina non provocati da anomalie dei cuscinetti, fornendo un quadro più chiaro dei segnali delle vibrazioni di questi ultimi e dando la possibilità di impostare gli allarmi in modo più preciso e affidabile e di scoprire in tempo le anomalie. Sono proprio le particolarità e i vantaggi di questa tecnica che hanno indotto la cartiera a servirsi del sistema SKF.

Le altre misurazioni di tipo investigativo sono rilievi standard ISO della velocità di vibrazione, che danno indicazioni sulle vibrazioni provocate da anomalie generiche delle macchine, quali squilibri, disallineamenti e allentamenti. Con i rilevi di tipo investigativo, il team Sappi dispone tempestivamente e automaticamente di dati relativi a quasi tutti i problemi delle macchine.
Esso si affida totalmente a questo sistema e interviene solo quando quest’ultimo segnala il superamento di una soglia di allarme.

Analisi delle anomalie

Un allarme non indica necessariamente una situazione di emergenza. Con i sistemi di controllo online delle vibrazioni che effettuano giornalmente misurazioni multiple e la tecnica dell’inviluppo dell’accelerazione i problemi che si riscontrano sui cuscinetti sono generalmente di piccola entità. Normalmente si ha parecchio tempo a disposizione per analizzare l’anomalia, seguirla nel tempo e predisporre un intervento di riparazione nel corso di una fermata programmata.

In un primo tempo, a seguito di segnali di anomalia, i tecnici tendevano a sostituire i cuscinetti sospetti troppo presto, in quanto non si rendevano ancora conto della tempestività di tali segnali. Naturalmente ci possono sempre essere dei casi eccezionali e occorre evitare rotture catastrofiche, qualora, per esempio, si scopra una fessurazione sull’anello interno di un cuscinetto.

Quando il sistema di controllo emette un segnale di allarme, i tecnici effettuano un’analisi sistematica della vibrazione del cuscinetto seguendone l’andamento nel tempo con verifiche ad intervalli giornalieri. Se nei grafici si notano dei picchi associati alle frequenze tipiche di vibrazione dei cuscinetti, si trasmettono quattro misurazioni standardizzate di tipo analitico alla LMU che controlla il cuscinetto sospetto, portando a sei il numero di misurazioni.

Le quattro misurazioni di tipo analitico forniscono dati di vibrazione di maggiore risoluzione e possono isolare specifici problemi, di cui i tecnici riescono facilmente a identificare il tipo, l’entità e l’origine. Come già detto, le anomalie dei cuscinetti spesso hanno origine da altri organi della macchina o da problemi di manutenzione, quali una lubrificazione, un’installazione inadeguata o un sovraccarico dovuto a squilibrio o a disallineamento del cilindro.
Intervenendo sulla causa si evita il ripetersi degli inconvenienti.

I cuscinetti sospetti vengono classificati secondo cinque gradi di possibile deterioramento, dal grado 1, usura minima, al grado 5, forti erosioni nella zona sotto carico dovuta a fatica, distruzione imminente del cuscinetto. Nell’osservare il progredire del deterioramento ci si basa sui seguenti criteri di valutazione:

• aspetto dei picchi di frequenza relativi all’anomalia, rilevabili con le misurazioni di inviluppo dell’accelerazione;
• ritmo a cui le ampiezze tendono ad aumentare nel tempo
• l’eventualità che compaiano nei dati degli spettri di velocità picchi di frequenza dovuti a difetti dei cuscinetti, indicativi di un elevato livello di danneggiamento.

Sulla base di questi criteri si programma la sostituzione del cuscinetto per la prossima fermata della macchina e si cerca di ovviare alla eventuale causa che ne ha originato il danneggiamento.

Misurazioni sugli altri organi

Oltre ai sistemi di controllo online delle vibrazioni, il team della cartiera è anche dotato di sei apparecchi portatili SKF Microlog per la raccolta e l’analisi delle vibrazioni, che vengono utilizzati sugli organi di servizio delle continue o delle patinatrici.

I tecnici della manutenzione effettuano regolari ispezioni con i loro Microlog portatili su motori, pompe e riduttori, una volta ogni due settimane o una volta ogni due mesi, a seconda della velocità dell’organo e della sua importanza ai fini del regolare funzionamento dell’intero impianto. L’acquisizione e l’analisi di dati fuori linea non è un lavoro da poco. Per la PM11, compresa la sua patinatrice e la calandra fuori linea, i tecnici della manutenzione eseguono regolarmente 2.680 misurazioni con i Microlog portatili.

Nel lavoro di acquisizione dati, il sensore viene collegato alla macchina tramite un attacco magnetico. Tutti i punti di misurazione sono individuabili in modo univoco da apposite aree predisposte. Una volta raccolti tutti i dati di una data ronda, i tecnici della manutenzione collegano il Microlog al server di sistema e li immettono sul software PRISM4 per la memorizzazione e le successive analisi.

Se una misurazione innesca un allarme, i tecnici riesaminano il cuscinetto sospetto e rifanno in modo più approfondito le misurazioni con il Microlog, utilizzando la tecnica dell’inviluppo dell’accelerazione ed effettuando misurazioni di velocità della vibrazione, per determinare tipo, entità e cause del problema. Dato che con i Microlog, il sensore non è fissato in modo permanente alla macchina, si possono fare rilievi anche in altri punti. Analogamente a quanto si fa con le misurazioni online, nel caso di cuscinetti sospetti, si abbreviano gli intervalli di misurazione, classificando l’anomalia secondo uno dei cinque gradi di deterioramento.

Documentazione

Per documentare il lavoro di controllo il team di Gratkorn predispone dei report standard, sui quali è riportata la descrizione dei vari interventi effettuati, dal rilevamento dell’anomalia alle analisi condotte sul cuscinetto dopo che è stato tolto dalla macchina. Nulla si lascia di intentato pur di scoprire se e perché il cuscinetto si è danneggiato prematuramente.

Sui report vengono annotati i livelli di vibrazione prima e dopo il cedimento. L’andamento delle vibrazioni nel tempo e gli spettri grafici vengono importati dal software PRISM4 ed è sempre acclusa una riproduzione fotografica del danneggiamento.

I report includono anche un calcolo dei risparmi teorici in termini di produzione che si possono ottenere non permettendo al componente di giungere ad una rottura catastrofica. Si tratta di un semplice calcolo basato sul tempo che occorrerebbe per effettuare l’ipotetica riparazione, moltiplicato per la perdita di produzione causata dalla fermata imprevista. Come già detto, su una continua una fermata non prevista può costare più di 20.000 dollari.

I risparmi teorici ottenibili sono inferiori a quelli che si avrebbero nella realtà, dato che sono calcolati sulla base del tempo che si impiega nelle riparazioni effettuate nelle fermate programmate. Spesso però gli interventi imprevisti durano di più, in quanto personale, pezzi di ricambio e attrezzi vengono preparati solo dopo che la macchina si è fermata. Né si tiene conto dei danneggiamenti secondari che di solito insorgono quando la rottura del componente è stata di tipo catastrofico. I report vengono raccolti in speciali dossier e possono essere consultati per fare confronti con nuovi eventi analoghi. Essi servono da ausilio nelle analisi e costituiscono un valido bagaglio di esperienze.

A Gratkorn non vengono risparmiati sforzi per mantenere le macchine al massimo della loro efficienza, potremmo dire «ben oliate». Grazie all’eccellente organizzazione Sappi nei riguardi della produzione, della manutenzione e dei controlli e ai sistemi di condition monitoring offerti dalla SKF, i livelli medi delle vibrazioni e i costi di manutenzione sono in continua diminuzione, mentre la velocità delle macchine e ritmi di produzione continuano a crescere.

Doug Swansen, responsabile della documentazione tecnica,
SKF Condition Monitoring, San Diego, California, USA.

Si ringraziano:Kurt Neiser, direzione tecnica Sappi, Gratkorn; Andre Smulders, responsabile sviluppo applicazioni, SKF; Hermann Lager, responsabile dei prodotti, SKF Condition Monitoring