Per monitorare le condizioni dei macchinari alternativi, noti anche come compressori a pistoni, sono stati applicati per lungo tempo i metodi tradizionali di misurazione delle vibrazioni. Tuttavia, è emerso chiaramente che queste misure non sono affidabili per monitorare le condizioni di questi macchinari. Pertanto, sono state sviluppate tecniche specificamente adatte al monitoraggio dei macchinari alternativi. Una di queste tecniche è il monitoraggio della caduta dello stelo, in cui viene monitorata la caduta dello stelo del pistone a causa dell'usura delle fasce elastiche. La fascia elastica è il componente che fa scorrere il pistone nella camera del cilindro senza danneggiare la parete del cilindro. Con il tempo queste fasce si usurano. Monitorando la caduta dello stelo del pistone, è possibile determinare quando è necessario sostituire la fascia elastica prima che si verifichino danni. Il monitoraggio della caduta dello stelo contribuisce a una strategia di manutenzione basata sulle condizioni (CBM), o manutenzione predittiva.
Misure di caduta dell'asta
Il monitoraggio della caduta delle bielle viene applicato alle macchine alternative che utilizzano fasce di supporto per sostenere il pistone all’interno del cilindro. Lo scopo del monitoraggio della caduta delle bielle è determinare l’usura di tali fasce. L’usura di queste fasce può causare un contatto (attrito) tra il pistone e la parete del cilindro, con conseguenti danni. Il monitoraggio dell’usura delle fasce di scorrimento consente agli operatori di programmare in modo efficiente la sostituzione di tali fasce durante un periodo di fermo o di manutenzione già pianificato. Inoltre, l’individuazione tempestiva dell’usura delle fasce di scorrimento offre all’operatore il tempo necessario per arrestare la macchina prima che si verifichino danni eccessivi e guasti (pericolosi) alla macchina stessa.
Per rilevare l'usura delle fasce dei ciclisti è necessario monitorare la posizione (rispetto al punto di riferimento) del pistone. Tuttavia, la misurazione della caduta effettiva del pistone è molto difficile a causa dell'elevata pressione nella camera di pressione. Invece di misurare la caduta effettiva del pistone, si misura la caduta dello stelo, che è molto più accessibile. Il monitoraggio della caduta dello stelo fornisce informazioni sulle condizioni delle fasce elastiche monitorando le variazioni di posizione dello stelo.
Metodi
In generale, si distinguono due metodi principali per il monitoraggio della caduta delle aste:
Misure con sonda di prossimità
Nelle misure con sonda di prossimità la sonda è montata verticalmente sopra o sotto lo stelo del pistone. Una sonda di prossimità funziona utilizzando la tecnologia eddy current, che misura la distanza tra il sensore e un oggetto metallico. Nel caso di una misura di caduta dello stelo, misura la distanza tra il sensore e lo stelo del pistone. Quando lo stelo si muove rispetto al sensore, viene rilevata la variazione della distanza (posizione dello stelo). Queste misure consentono di determinare la posizione dello stelo, dopodiché le misure vengono utilizzate per l'andamento. Questa tendenza viene poi utilizzata per prevedere quando le fasce del ciclista sono prossime all'usura e devono essere sostituite.
Misure meccaniche
In generale, si distinguono due metodi meccanici per il monitoraggio della caduta delle aste. Il primo metodo utilizza un blocco di materiale abrasivo con uno spazio interno contenente azoto. Questo blocco viene posizionato direttamente sotto lo stelo del pistone. Quando lo stelo del pistone si abbassa a causa dell'usura della fascia del pilota, il blocco si consuma fino al punto in cui l'azoto fuoriesce. Questa perdita di azoto provoca una diminuzione della pressione di alimentazione, con conseguente allarme o arresto della macchina.
Il secondo metodo meccanico per il monitoraggio della caduta dello stelo prevede un tipo di rullo montato sotto lo stelo del pistone. Quando la fascia elastica si consuma, lo stelo scende gradualmente fino a toccare il rullo. Al contatto tra lo stelo e il rullo, quest'ultimo inizia a ruotare, il che significa che, come per l'altro metodo meccanico, l'azoto fuoriesce. Allo stesso modo, questa perdita di azoto causerà una diminuzione della pressione di alimentazione, con conseguente allarme o arresto della macchina.
Il principale svantaggio dei sistemi meccanici di abbassamento delle aste è l'impossibilità di effettuare misurazioni e di utilizzarle per la determinazione delle tendenze. L'unica cosa che questi sistemi meccanici forniscono è un allarme che scatta quando le fasce del pilota sono usurate. Non c'è alcuna indicazione del grado di usura delle fasce. Un sensore di prossimità misura l'effettiva caduta dello stelo del pistone e quindi il grado di usura della fascia elastica. Utilizzando le misure del sensore di prossimità è possibile costruire una tendenza, consentendo una migliore pianificazione della manutenzione (CBM).
Ipotesi
Per ottenere una misura affidabile della caduta dello stelo è necessario soddisfare alcuni presupposti. L'ipotesi di base per il monitoraggio della caduta dello stelo è che il pistone si appoggi sul fondo del cilindro a causa della forza gravitazionale. Si può quindi ipotizzare che una variazione della posizione dello stelo sia proporzionale alla variazione della posizione del pistone, a causa dell'usura della fascia elastica. Si deve anche supporre che l'unico elemento che modifica la posizione dello stelo sia l'effetto della fascia elastica usurata.
L'ipotesi che la variazione della posizione dello stelo sia proporzionale alla variazione della posizione del pistone deriva dal principio dei triangoli simili. Questo principio è schematizzato nella figura seguente.
Quando si utilizza una sonda di prossimità per il monitoraggio della caduta dello stelo, la misura può essere corretta utilizzando un determinato fattore di correzione. Questo fattore di correzione si basa sul rapporto che risulta dalla differenza tra la caduta misurata dello stelo (B1) e la caduta effettiva del pistone (B2). Applicando questo fattore di correzione alla misura della caduta dello stelo, si ottiene l'usura effettiva della fascia del pilota. Tuttavia, l'applicazione di tale fattore di correzione può causare problemi. Quando si verifica un errore di misurazione, questo valore errato sarà corretto con il fattore di correzione, con il risultato di una visione errata dell'usura effettiva della fascia di rotolamento. È quindi molto importante che le misurazioni siano affidabili. Vengono discussi in successione alcuni fattori che influenzano l'affidabilità delle misurazioni della caduta degli steli.
Installazione e applicazione; punti di attenzione
L'installazione del sensore è fondamentale per una misura affidabile. Abbiamo elencato i 5 punti più importanti:
È fondamentale che il sensore sia montato il più vicino possibile al cilindro. Questo vale sia per i sensori di prossimità che per i sensori meccanici. In questo modo si riduce al minimo l'effetto che si verifica quando si applica il suddetto fattore di correzione a un errore di misura. Più il sensore è montato vicino al pistone, minore sarà l'impatto degli errori di misura.
Per i pistoni più grandi l'espansione termica, nel periodo che intercorre tra un arresto a freddo e un processo attivo, può variare in modo significativo. Si consiglia pertanto di allineare il cilindro in basso sulla testa a croce, in modo da lasciare spazio all'espansione termica. Non appena il pistone si espande radialmente a causa del calore, lo stelo si solleva rispetto al sensore di caduta dello stelo. Questo aspetto deve essere preso in considerazione quando si installa e si determina la posizione del sistema di caduta dello stelo.
L'ipotesi che il pistone si appoggi sul fondo del cilindro a causa della gravità non è un'ipotesi realistica per i pistoni di piccolo diametro. Per i pistoni di diametro ridotto (meno di 150 mm) gran parte dello stelo si trova nella cassa del cilindro. Un allineamento errato o effetti sulla cassa del cilindro possono portare a un pistone flottante. Le forze radiali non abbassano il pistone, ma una combinazione di forze spinge il pistone verso l'alto o di lato. In questo caso, è possibile scegliere di posizionare due sonde di prossimità, di cui una misura in orizzontale e l'altra in verticale (sonde X-Y).
Anche la lunghezza dello stelo del pistone può influire sulla misurazione. Più lungo è lo stelo del pistone, più è probabile che sia in qualche modo flessibile. Questo vale soprattutto per i pistoni di grande diametro. La flessibilità dello stelo può influenzare la misura della caduta dello stelo. Per ridurre l'effetto della flessione dello stelo sulla misura della caduta dello stelo, il segnale della sonda di prossimità può essere misurato in un punto fisso durante la rivoluzione dell'albero motore. Questo metodo è noto come "phase-triggered"; viene impostato un riferimento di fase sul quale viene attivata la misura.
È importante che la sonda sia montata in modo da non essere soggetta a espansione termica o vibrazioni. Se la sonda si muove rispetto allo stelo del pistone, la misura diventa inaffidabile. Inoltre, per i pistoni di grande diametro è importante posizionare una sonda con una portata maggiore. In caso di espansione termica, lo stelo del pistone non si sposterà dal campo della sonda di prossimità.
Modulo di caduta dell'asta innescata - RecipSys 200
Il modulo a due canali Triggered Rod Drop (RecipSys 200) è sviluppato da Istec International ed è adatto al monitoraggio delle condizioni delle fasce elastiche del pistone di una macchina alternativa. “Triggered” significa che la misurazione della caduta della biella avviene in un punto fisso durante la rotazione dell’albero motore. Di conseguenza, è possibile tracciare un andamento affidabile nel tempo. Molti sistemi di caduta della biella esistenti fanno parte di un sistema più ampio adatto ad applicazioni su larga scala e richiedono quindi un investimento oneroso. Il RecipSys 200, invece, è molto conveniente e quindi applicabile ad applicazioni di piccole, medie e grandi dimensioni.
