Soluzioni per la diagnostica dei componenti e sistemi idraulici: applicazione ad una pompa oleodinamica e ad una gru idraulica

Abstract

ABSTRACT IN ITALIANO. In quanto prerequisito della manutenzione predittiva, il campo della diagnostica e della prognostica, Prognostics and Health Management (PHM), è diventato uno dei più studiati nella ricerca in ambito ingegneristico. Questa Tesi di Dottorato propone delle soluzioni di PHM per sistemi oleodinamici. Due applicazioni sono considerate: una pompa oleodinamica a cilindrata variabile e una gru oleodinamica. Un approccio basato sul primo principio della termodinamica è proposto per la misura del rendimento totale della pompa. Tale metodo non richiede l’installazione di sensori costosi ed ingombranti, ma solo la misura della pressione e della temperatura alle bocche della pompa; quindi, tale metodo è adatto per il monitoraggio online. Per pompe con drenaggio esterno, è richiesta anche la misura delle portate al drenaggio e alla mandata; una soluzione per evitare l’installazione di flussimetri in questo caso è proposta. Un problema di questo approccio termodinamico è legato all’incertezza di misura che è stata accuratamente misurata. Una campagna sperimentale è stata condotta per validare il metodo termodinamico con riferimento al metodo standard per la misura del rendimento totale. Tale metodo è poi stato utilizzato per calcolare il rendimento di alcune pompe guaste e i risultati dimostrano che tale metodo è in grado di identificare la riduzione di rendimento causata dai guasti più comuni. Il metodo termodinamico proposto non è in grado di discriminare quale sia il guasto responsabile della riduzione di rendimento. In questa Tesi, una metodologia di analisi per segnali di accelerazione, basata sulla teoria della ciclostazionarietà, è proposta ed è utilizzata per estrarre indicatori per l’identificazione di guasti. Questa metodologia richiede un campionamento angolare e permette di scomporre il segnale nelle componenti causate da diverse sorgenti di vibrazione. Prove sperimentali sono state eseguite su una pompa sana e con due tipologie di guasti: pattini usurati e piatto distributore eroso da cavitazione. L’applicazione della metodologia proposta ha permesso di estrarre specifici indicatori per la diagnosi dei guasti considerati. Gli indicatori estratti possono essere sfruttati come inputs di un algoritmo di diagnosi automatico per l’identificazione dei guasti. L’obiettivo dell’attività di ricerca condotta sulla gru idraulica è quello di abbinare una strategia di controllo avanzata ad un sistema di diagnostica/prognostica per sistemi elettro-idraulici. La gru è equipaggiata con una valvola independent metering e il sistema idraulico è di tipo load sensing. In questa Tesi si propone un controllo per la valvola di meter-out che unisce un’azione basata su un modello ad una azione in retroazione. Il controllo in retroazione è basato su un controllore proporzionale-integrale e i parametri del controllo sono stati ottimizzati per mezzo dell’algoritmo di ottimizzazione Extremum-Seeking. Le prestazioni del controllo sono dimostrate per mezzo di simulazioni ed il modello numerico della macchina è sfruttato per simularne il comportamento in presenza di guasti. I risultati delle simulazioni dimostrano che le funzioni obiettivo usate per l’ottimizzazione posso essere utilizzate per identificare la presenza di un guasto nel sistema. Un algoritmo di diagnostica basato su una NN è proposto per l’identificazione di alcuni guasti frequenti. I risultati dimostrano che la NN è in grado di identificare il guasto presente nel sistema; inoltre, la NN è in grado anche di fornire un’informazione affidabile sull’intensità del guasto e questa caratteristica può essere sfruttata per la prognostica. In conclusione, questa Tesi di Dottorato fornisce un contributo allo sviluppo di sistemi per la diagnostica e la prognostica nel campo dei sistemi e dei componenti oleodinamici. I risultati ottenuti sono incoraggianti e pongono le basi per sviluppi futuri.

ABSTRACT. As a prerequisite of condition-based maintenance, the Prognostics and Health Management (PHM) has become one of the most studied topic in many engineering areas. This Ph.D. Thesis proposes solutions for the PHM in the field of Fluid Power (FP). Two case studies are considered: the case of a variable displacement pump and the case of a truck loading hydraulic crane. A method based on the first principle of thermodynamics is proposed for the estimation of the pump overall efficiency. This thermodynamic method does not require the installation of bulky and expensive sensors, but only the measurement of pressure and temperature at the hydraulic ports of the machine; therefore, it is suitable for online condition monitoring. For pumps with external drainage, this approach requires also the measurement of the drainage and the delivery flow rates; a solution is proposed to avoid the use of flowmeters in this case. A problem related to this approach is the measurement uncertainty which is calculated following the relevant standards. An experimental campaign was carried out to validate the proposed method in comparison with the standard approach for the measurement of the overall efficiency. The proposed method was then used to calculate the overall efficiency of faulty pumps and the results demonstrate that it can identify the reduction of overall efficiency due to the most common faults. The proposed thermodynamic method can detect a fault in the machine, but it cannot be used to identify which fault occurred. In this Thesis, a methodology for the analysis of acceleration signals, based on the theory of cyclostationarity, is proposed and exploited to extract features for the fault identification. The proposed methodology requires an angular sampling and allows the decomposition of the signal in the components related to the different sources of vibration. Experiments with the pump in healthy and faulty conditions were performed; the two considered faults are worn slippers and port plate eroded by cavitation. The proposed methodology permitted to extract specific features that distinguish each fault from the flawless condition. The extracted features can be used as input of an automatic diagnostic algorithm for the fault identification. The research goal of the project on the hydraulic crane is to combine advanced control strategies with diagnostic and prognostic features for Electro-Hydraulic (EH) systems. The reference machine is equipped with an independent metering valve and the system is of Load Sensing (LS) type. The control challenge is related to the opening of the meter-out valve. The proposed control algorithm is composed of a model-based part and a feedback part, based on a Proportional-Integral (PI) controller. The parameters of the feedback control are optimized through an Extremum-Seeking (ES) algorithm. The performances of the proposed control are demonstrated by simulation results and the numerical model was also exploited to simulate the presence of faults in the system. The results of the simulations demonstrate that the value of the cost functions considered for the control optimization can be exploited for the identification of a faulty condition. A diagnostic algorithm based on a NN is proposed for the identification of common faults. The results demonstrate the capability of the proposed approach in recognizing which fault occurred in the system; furthermore, the NN is also able to quantify the fault intensity and this information is very useful not only for diagnostics, but also for prognostics. In conclusion, this Ph.D. Thesis gives a contribution to the development of PHM systems in the field of FP, both for systems and components. The results obtained are encouraging and create the basis for future developments.