DIAGNOSTICARE VIBROACUSTICA IN-SITU APLICABILA LA MASINI SI ECHIPAMENTE INDUSTRIALE IN VEDEREA CONSTITUIRII

UNUI SERVICIU DE MENTENANTA PREDICTIVA

Contract nr. 71-078 / 2007

COORDONATOR PROIECT:

- Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, UPB-CNCPST, Responsabil ştiinţific Prof.univ.dr.ing. Miron ZAPCIU

PARTENERI:

Partener 1 Institutul de Cercetare si Proiectare Tehnologica pentru Construcţii de Maşini – SC ICTCM SA , Responsabil ştiintific Ing. Leonard MIHAESCU

Partener 2- Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Mecatronica si Tehnica Masurarii - INCDMTM, Responsabil ştiintific Dr.ing. Aurel ABĂLARU

Partener 3- Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Masini si Instalatii destinate Agriculturii si Industriei Alimentare - INMA, Responsabil ştiinţific ing. Mihai Gabriel MATACHE, email: gabimatache@yahoo.com

Partener 4 Institutul National pentru Intreprinderi Mici si Mijlocii - INIMM, Responsabil ştiinţific Ec. Andreea PREDUT

ETAPE/ACTIVITATI/OBIECTIVE

Pe parcursul a 6 etape ale proiectului, partenerul 3, INMA a desfasurat urmatoarele activitati:

Anul	Etape/ Activităţi	Organizaţia executanta	Rezultate/ Documente de prezentare a rezultatelor
2007	Etapa I Analiza de stadiu actual si studiul teoriei de diagnosticare aplicata pentru mentenanta predictiva	P3-INMA	In cadrul etapei I a fost realizat un studiu referitor la stadiul actual privind diagnosticarea echipamentelor tehnice si studiul teoriei de diagnosticare aplicata pentru mentenanta predictiva care s-a concretizat printr-un raport de cercetare.
	Activitate I.1 Analiza stadiului actual privind diagnosticarea
2008	Etapa II Elaborare modele experimentale, metode, tehnici de analiza spectrala in domeniul vibroacusticii	P3-INMA	In cadrul etapei II au fost evidentiate trei tehnici de analiza spectrala si apoi au fost folosite experimental pentru obtinerea spectrelor de frecventa ale unui compresor Partner 100/101-2M . Rezultatele au fost evidentiate intr-un raport de cercetare.
	Activitate II.1 Modele experimentale de masurare
	Activitate II.2 Elaborarea modelului de tratare a semnalului, tehnici de analiza spectrala in domeniul vibroacusticii
2009	Etapa III Experimentarea solutiei de corelatie vibratie-zgomot in conditii industriale pentru sisteme mecanice si mecatronice complexe	P3-INMA	In cadrul etapei a fost realizat un raport de experimentare a solutiei de corelatie vibratie-zgomot in conditii industriale, prin identificarea semnaturii mecanice a compresorului industrial Partner 100/101-2M.
	Activitate III.1 Identificarea experimentala a semnaturii mecanice a sistemelor
	Activitate III.2 Stabilirea de corelatii si a factorilor de incredere pentru diagnosticare in-situ
2009	Etapa IV Demonstrarea utilitatii serviciului de diagnosticare	P3-INMA	In cadrul etapei o echipa de la INMA a participat alaturi de echipa de la Politehnica la realizarea demonstrarii utilitatii serviciului de diagnosticare, prin efectuarea de masuratori pe un Centru de prelucrare vertical MC 70 CNC aflat la SC GRUP ROMET SA Buzau.
	Activitate IV.1 Demonstrarea utilitatii serviciului de diagnosticare
2009	Etapa V Demonstrarea functionalitatii solutiei propuse; Stabilirea procedurilor privind accesarea serviciului de diagnosticare” - Credit de angajament	P3-INMA	In cadrul etapei s-a realizat demonstrarea functionalitatii solutiei propuse prin realizarea de masuratori pe o masina de gaurit prin coordonate tip Mikromat, aflata in dotarea INMA Bucuresti. Masuratorile au fost realizate de catre o echipa mixta formata din specialisti ai UPB Bucuresti si INMA Bucuresti.
	Activitate V.1 Demonstrarea functionalitatii solutiei propuse
2010	Etapa VI Experimentarea si verificarea finala a serviciului de diagnosticare. Validarea rezultatelor; finalizarea noului serviciu inovativ pentru IMM-uri. Diseminarea rezultatelor.	P3-INMA	In cadrul etapei s-a realizat prezenta pagina de site in care se vor prezenta rezultatele obtinute.

.

REZULTATE

Principalii potenţiali beneficiari ai rezultatelor proiectului vor fi intreprinderile mici si mijlocii care vor beneficia de un serviciu inovativ de diagnosticare vibro-acustica a echipamentelor industriale din dotare in scopul realizarii unei mentenante preventive a acestora.

Soluţiile originale legate de tema propusă şi realizate pe parcursul derulării proiectului rămân în proprietatea unităţilor de CD care au realizat lucrarea cu respectarea legislaţiei în materie.

Softurile folosite pentru achizitia datelor si prelucrarea acestora, au fost diferite si dedicate echipamentului de masura folosit. Aceasta dovedeste flexibilitatea serviciului de diagnosticare, prin posibilitatea folosirii aproape a oricarui soft evoluat de analiza spectrala corelat cu echipamente de masura si achizitie de date corespunzatoare. Printre softurile folosite de INMA Bucuresti amintim: CatmanEasy, PulseShop dedicate echipamentelor folosite, respectiv Glyphworks care este un instrument de calcul universal.

Etapele proiectului s-au desfasurat dupa cum urmeaza:

Etapa I, prezintă o „analiză de stadiu actual si studiul teoriei de diagnosticare aplicata pentru mentenanta predictivă”. Analiza semnalelor de zgomote si vibratii cu modele neliniare, pe care se bazeaza multe metode moderne de diagnosticare si predictie a starii de functionare a masinilor industriale, conduce la urmatoarele concluzii:

- Imbunatatirea metodelor vibroacustice pentru diagnosticarea conditiei masinilor depinde, in principal, de complexitatea modelelor de semnal utilizate si a metodelor corespondente de analiza, si numai in cazuri foarte rare de volumul masurarilor de diagnosticare.

- Aplicarea modelelor neliniare si optimizarea metodelor de analiza a semnalelor, creste semnificativ volumul de informatii despre fortele de oscilatie care produc zgomot si vibratii in masinile si componentele defecte. Acestea sunt proprietatile fortelor de oscilatie care reflecta in modul cel mai complet particularitatile defectelor si se schimba semnificativ in timpul dezvoltarii defectului.

- Dintre toate modelele neliniare de semnale de zgomot si vibratii utilizate in diagnosticarea conditionata, informatiile cele mai importante sunt furnizate de modelele celor mai simple semnale modulate in amplitudine, frecventa sau forma cu procese de frecventa joasa cu citeva componente de natura diferita.

Volumul informatiilor de diagnosticare extrase din semnalele de zgomot si vibratii, luind in considerare gradul neliniaritatii lor, este de obicei suficient pentru a face o diagnosticare a starii de functionare si o prognoza (predictie) pentru multe tipuri de masini, fara a fi necesare alte tipuri de masurari (ex. temperatura, etc.).

Etapa II, Elaborare modele experimentale, metode, tehnici de analiza spectrala in domeniul vibroacusticii”

Analiza spectrală a semnalelor este foarte utilizată pentru informaţiile codificate în formă de sinusoide care formează un semnal. Acest lucru se întâmplă la semnalele de origine naturală, precum şi la cele care au fost create de om. Multe lucruri oscilează în universul nostru. De exemplu, discursul este un rezultat al vibraţiilor corzilor vocale ale omului; stele si planete îşi schimbă luminozitatea lor, datorită mişcării de rotaţie în jurul axei şi revoluţiei una faţă de alta, propulsoarele navelor maritime generează periodic dislocarea apei, pick hammer-ul provoacă spargere materialelor dure prin intermediul vibraţiilor şi aşa mai departe. Forma domeniului de timp al undei nu este atât de importantă în aceste semnale; cheia de informaţii este în frecvenţa, amplitudinea şi faza sinusoidelor componente

ü CPB este una dintre cele mai de încredere, stabilă şi economică metodă pentru detectarea celei mai largi gamă posibilă de defecte la maşini într-un stadiu incipient de dezvoltare. Are o reproductibilitate bună cu rezoluţie optimă şi este deci un "standard" în detectarea timpurie a defectelor în aplicaţiile de monitorizare a stării.

CPB are o rezoluţie a frecvenţei care permite detectarea automată a tuturor acestor defecte, în ambele domenii de frecvenţe: înalte şi joase. Simplitatea spectrului CPB o face ideală pentru diagnosticarea rapidă.

Fig.1. Exemplu de spectru de putere obtinut folosind analiza CPB

ü Analiza FFT se bazează pe conceptul ca semnalele din lumea reala pot fi descompuse in sume de sinusoide, fiecare cu amplitudine, frecventa si faza proprie.

Procedeul cel mai utilizat pentru trecerea din domeniul timp in domeniul frecventa îl constituie Transformata Fourier Rapida –FFT şi este o tehnică de analiză spectrală de mare precizie.

Fig. 2. Exemplu de spectru de putere obtinut folosind analiza FFT

ü Cepstrul se poate spune că este extrem de avantajos pentru următoarele două cerinţe din vibraţie: monitorizare şi analiză.

Pentru detectarea defectării:

a) Este un indicator sensibil pentru creştere a familiei de armonice sau benzi desenate laterale;

b) Datele sunt reduse la o singură linie pe familie;

c) Este insensibilă la:

- localizarea punctului de măsurare;

- combinarea fazelor, amplitudine şi frecvenţă;

- încărcarea.

Pentru diagnosticarea defectelor

a) este un mod precis pentru spaţiere;

b) poate fi calculată pentru orice secţiune dintr-un spectru;

c) poate fi folosit pentru separarea diferitelor familii;

d) este sensibilă la diferenţele dinţilor sau cuţitelor dar nu a uzurii uniforme.

Cu aplicarea adecvată a Cepstrului poate face munca de diagnosticare mai uşoară şi mai ales atunci când se ajunge la un diagnostic corect al defectării care să necesite oprirea maşinii.

Fig 3. Exemplu de spectru de putere obtinut folosind analiza cepstru

ü Alegerea tehnicii de analiză spectrală se face în funcţie de situaţie, de datele obţinute şi de echipamentul testat. Atunci când avem de-a face cu spectre complexe se pot utiliza toate aceste 3 tehnici de analiză spectrală: CPB, FFT, Cepstru, astfel încât spectrele să fie elocvente pentru diagnosticarea echipamentului respectiv.

ü Această etapă a vizat identificarea unor metode, tehnici de analiza spectrală în domeniul vibroacusticii şi totodată s-au obţinut spectrele corespunzătoare compresorului PARTNER 100/101-2M şi generatorului SONIC 9. Aceste spectre constituie o bază pentru viitoare experimentări, ele exprimă spectrele caracteristice unor echipamente cu funcţionare corectă (fără defecţiuni), reprezentând semnătura mecanică acestora.

In urma etapei a III-a numită „Experimentarea soluţiei de corelaţie vibraţie-zgomot in condiţii industriale pentru sisteme mecanice şi mecatronice complexe” s-a ajuns la conculuzia că identificarea semnăturii mecanice reprezintă cea mai importantă parte a diagnosticării vibro-acustice întrucât modificarea spectrelor obţinute poate indica o schimbare în starea maşinii sau echipamentului. Identificarea semnăturii mecanice se poate realiza prin tehnicile de procesare a semnalului precum: analiza temporală, analiză Fourier şi analiză CPB.

ü Factorii de încredere pentru diagnosticare in-situ sunt în mare măsură legaţi de:

- capabilitatea echipamentului utilizat;

- caracteristicile traductorilor utilizaţi precum:

- sensibilitatea microfonului şi tipul acestuia;

- caracteristicile accelerometrului: tip, sensibilitate, frecvenţă de rezonanţă,

- masa;

- montarea accelerometrului;

- viteza de achiziţie (frecvenţa de eşantionare);

- rezoluţia în frecvenţă.

ü Alegerea tehnicii de analiză spectrală se face în funcţie de situaţie, de datele obţinute şi de echipamentul testat. Atunci când avem de-a face cu spectre complexe se pot utiliza toate aceste 3 tehnici de analiză spectrală: CPB, FFT, Cepstru, astfel încât spectrele să fie elocvente pentru diagnosticarea echipamentului respectiv.

ü În această etapă s-a identificat semnătura mecanică a compresorului PARTNER 100/101-2M, obţinându-se spectrele: amplitudine-timp (analiză temporală), amplitudine-frecvenţă (analiză CPB, analiză Fourier), amplitudine-quefrency (analiză cepstru) şi au fost prezentaţi factorii de încredere pentru diagnosticarea vibro-acustică.

In Etapa IV, “Demonstrarea utilitatii serviciului de diagnosticare”, s-a efectuat o deplasare la SC ROMET Buzau a unei echipe mixte formata din reprezentanti ai UPB Bucuresti si INMA Bucuresti, in scopul realizarii de masuratori pentru demonstrarea utilitatii serviciului de diagnosticare.

Masuratorile au fost efectuate pe un utilaj tip „ Centru de prelucrare vertical MC 70 CNC”.

Identificarea semnăturii mecanice reprezintă cea mai importantă parte a diagnosticării vibro-acustice întrucât modificarea spectrelor obţinute poate indica o schimbare în starea maşinii sau echipamentului. Identificarea semnăturii mecanice se poate realiza prin tehnicile de procesare a semnalului precum: analiza temporală, analiză Fourier şi analiză CPB.

În această etapă s-au efectuat masuratori pe utilajul tip „Centru de prelucrare vertical MC 70 CNC”, obţinându-se spectrele amplitudine-frecvenţă (analiză Fourier), la diferite turatii si regimuri de lucru (in sarcina si mers in gol).

Fig. 5. Spectre de putere obtinute pentru MC CNC 70 la mers in gol, respectiv in sarcina

Etapa V, ”Demonstrarea functionalitatii solutiei propuse; Stabilirea procedurilor privind accesarea serviciului de diagnosticare”, a avut următoarele obiective:

- Experimentare serviciu de diagnosticare;

- Demonstrarea funcţionalităţii serviciului de diagnosticare.

Încercările pentru demonstrarea functionalităţii soluţiei propuse s-au efectuat la sediul INMA Bucureşti de către o echipă mixtă formata din specialişti de la INMA Bucureşti şi UPB Bucureşti, aceştia realizând măsurători pe o maşină de găurit prin coordonate tip Mikromat. Au fost efectuate măsurători cu maşina funcţionând în gol şi în sarcină şi au fost obţinute diagramele reprezentând spectrele de putere la diferite viteze de funcţionare ale utilajului.

În această etapă s-au efectuat măsuratori pe utilajul „maşină de găurit prin coordonate tip Mikromat BkoZ”, obţinându-se spectrele amplitudine-frecvenţă (analiză Fourier), la diferite turatii si regimuri de lucru (in sarcina si mers in gol).

Fig.6. Maşină de găurit prin coordonate tip Mikromat

Fig. 7. Montarea accelerometrilor si a traductoarelor de turatie pe axul central

Identificarea semnăturii mecanice reprezintă cea mai importantă parte a diagnosticării vibro-acustice întrucât modificarea spectrelor obţinute poate indica o schimbare în starea maşinii sau echipamentului. Identificarea semnăturii mecanice s-a realizat prin tehnica de analiză Fourier a semnalului.

Fig. 8 Exemplu de spectru de putere obtinut pentru masina tip Mikromat la N = 50 rpm, mers in gol, accelerometru 1 – treapta întâi de viteză (soft UPB)

Etapa VI, “Experimentarea si verificarea finala a serviciului de diagnosticare. Validarea rezultatelor; finalizarea noului serviciu inovativ pentru IMM-uri. Diseminarea rezultatelor” a urmarit o ultima testare a serviciului de diagnosticare, care sa permita atat validarea rezultatelor cat si finalizarea serviciului de diagnosticare pentru intreprinderile mici si mijlocii.

In cadrul etapei au fost efectuate probe pe compresorul Partner 100/101-2M in scopul compararii cu masuratorile efectuate in cadrul etapei a treia a proiectului. Din analiza rezultatelor a reiesit neschimbarea starii de functionare a compresorului si de aici uzura mica a pieselor in miscare.

Fig.9. Exemple de masuratori efectuate in etapa 6, analiza temporala, respectiv spectrul de putere

De asemenea in cadrul etapei s-a realizat prezenta pagina Web, urmarindu-se o prezentare cat mai exacta a etapelor si rezultatelor obtinute in cadrul proiectului.

DISEMINAREA REZULTATELOR

Rezultatele care nu generează drepturi de proprietate intelectuală au fost diseminate pe scară largă (pagini Web, publicarea de articole, participarea la simpozioane, conferinţe şi sesiuni ştiinţifice, etc.

INMA Bucuresti a efectuat urmatoarele demersuri pentru realizarea diseminarii rezultatelor:

- Participare la a III-a editie a simpozionului international ”Tendinte de dezvoltare in agricultura europeana”, organizat de Facultatea de Agricultura din Timisoara in colaborare cu Facultatea de Agricultura din Novi Sad in perioada 14-15 mai 2009 in cadrul caruia s-a prezentat in cadrul sectiunii ”Resurse energetice si masini pentru agricultura” articolul ”The Study of the diagnosis theory applied for predictive maintenance”, autori: Bajenaru S., Ganga M., Vladut V., Danciu A. De asemenea articolul a fost publicat in RESEARCH JOURNAL OF AGRICULTURAL SCIENCE, vol 41 (2)-521 (2009).

- Participare la a X-a editie a simpozionului ”ACOUSTICS & VIBRATION OF MECHANICAL STRUCTURES” in perioada 28 -29 mai 2009, sub patronajul Academiei Romane – Filiala Timisoara, in cadrul caruia s-a prezentat lucrarea ”The Correlation Vibration-Noise for the Mechanical and Complex Mechatronic System”, autori: Bajenaru S., Vladut V., Matache M. Lucrarea s-a publicat in PROCEEDINGS OF THE X-TH SYMPOSIUM, Acoustic and Vibration of Mechanical Structures AVMS-2009.

- Participare la conferinta internationala International Conference on Energy Efficiency and Agricultural Engineering, 01-03.10.2009, Rousse, Bulgaria, in cadrul careia s-a prezentat articolul ”Researches regarding the correlation vibration-noise for the mechanical system and the reveal of some confidence factors for the diagnosis”, autori: Vladut V., Matache M., Biris S., Danciu A., Popa L. De asemenea articolul a fost publicat in PROCEEDINGS OF THE UNION OF SCIENTISTS – ROUSSE, Fourth Conference, Energy Efficiency and Agricultural Engineering.

ADRESE UTILE referitoare la problematica mentenantei predictive:

http://www.rompetrol.com/LPM/site%208%20rom/predictive%20maintenance.htm

http://www.mentenanta-predictiva.ro/index.php?id=35

http://www.electromatic-automatizari.ro/index.php?pag=mentenanta

http://vibrotestdiagnostic.ro/serv_diag.shtml?expandable=1

http://www.preferatele.com/docs/diverse/11/lagare-cu-rostogolir24.php

http://www.cppi.ro/detalii-noutati.php?id=0082

http://www.vibrotestdiagnostic.ro/?gclid=COeo24ahkqICFQSRZgod9Es3jg