Nastri trasportatori: metodi di monitoraggio in ottica affidabilistica

Al fine di supportare l’innovazione dei nastri trasportatori, lo Smart Structures and Systems Lab del Politecnico di Torino si è dotato di una macchina di prova capace di riprodurre le diverse condizioni di lavoro di nastri e di simulare materiali, carichi trasportati, forze di tiro e giunzioni.

I nastri trasportatori sono sistemi di trasporto tradizionali, ampiamente diffusi e consolidati, ma allo stesso tempo anche oggetto di innovazione, ricerca e sviluppo. Questo è dovuto all’elevato valore intrinseco di un sistema a nastro, sia in termini economici sia in termini di informazioni che può fornire alle linee produttive in cui è integrato. Per supportare la innovazione di questi sistemi, lo Smart Structures and Systems Lab (Politecnico di Torino) si è dotato di una macchina di prova progettata e costruita internamente per riprodurre le diverse condizioni di lavoro dei nastri e simulare materiali, carichi trasportati, forze di tiro e giunzioni.

Da circa 250 anni, i nastri trasportatori (Belt Conveyor Systems, BCS) vengono utilizzati in tutto il mondo per il trasporto di persone, merci e materiali [1]. Oggi i BCS sono impiegati in larga misura sia in ambito indoor sia come alternativa ai trasporti via terra in esterno. Nello specifico, i settori coinvolti riguardano catene di montaggio, stabilimenti di logistica e di trasporti, servizi postali, vendita al dettaglio, grande distribuzione organizzata, servizi aeroportuali, impianti del settore agroalimentare, del settore minerario, cementifici, centrali elettriche e per la produzione chimica e movimentazione industriale in genere.

Rispetto ad altre tipologie di trasporto, i BCS sono estremamente vantaggiosi in presenza di grandi volumi, quando è essenziale la rapidità ed efficienza di movimento su lunghe distanze e nelle aree in cui altre infrastrutture sono meno efficaci.

Negli ultimi decenni, lo sviluppo delle tecnologie di progettazione dei BCS ne ha accresciuto velocità, portata e capacità [2]. Tuttavia, una delle principali problematiche legate all’impiego dei BCS in applicazioni industriali è la loro affidabilità, intesa non solo dal punto di vista della propagazione di difettosità e usura, ma anche e soprattutto in termini di mantenimento delle condizioni operative ottimali. Di conseguenza, come ogni altro sistema, anche i BCS devono essere monitorati e manutenuti nel tempo per minimizzare i tempi di fermo macchina e ridurre i costi ad esso collegati.

Attualmente, quasi tutti i componenti dei BCS possono essere monitorati in tempo reale grazie a sensori e tecnologie dedicate. I progressi dei calcolatori, inoltre, consentono di adottare tecniche di elaborazione dei segnali e migliorare la qualità delle informazioni [3]. I dati monitorati possono essere infine analizzati per comprendere i cambiamenti del sistema nel tempo. Oltre al monitoraggio dei singoli componenti è necessario valutare anche l’affidabilità dell’intero sistema di trasporto nel suo complesso, con necessità di misurare diversi parametri di funzionamento.

Nastro ad anima tessile: layout, criticità, manutenzione

Un tipico layout di BCS è quello con sezione concava rappresentato in Figura 1 in alto. Questi nastri hanno solitamente lunghezza variabile fra 10 e 20.000 m e larghezza variabile fra 0.3 e 3.2 m. La velocità può raggiungere i 9 m/s e la portata può raggiungere le 40.000 t/h come nell’impianto di lignite RWE in Germania.

Il sistema è normalmente basato su un nastro in gomma senza fine rinforzato da un’anima tessile ottenuta mediante un tessuto in poliestere o in nylon. È possibile adottare rinforzi longitudinali mediante cavi d’acciaio per gli impieghi più critici. Il nastro rinforzato dall’anima tessile è supportato per tutta la sua lunghezza da rulli folli rotanti che, nel caso di nastri concavi, presentano la disposizione di Figura 1. Nel caso di rulli piani, è presente il solo rullo folle orizzontale. Un rullo motorizzato consente l’avanzamento del nastro e il trasporto dei materiali posti su di esso. Un dispositivo mobile, detto tensionatore, applica il precarico longitudinale sul nastro per consentire la trasmissione senza strisciamento fra nastro e rullo motore e per evitare l’allentamento e abbassamento del nastro lungo la linea (Figura 1 in basso). Il nastro può essere arrestato mediante lo stesso motore oppure mediante un freno di emergenza.

Come per ogni sistema, anche nel caso dei BCS l’affidabilità complessiva è data dalla combinazione delle affidabilità dei singoli componenti. Poiché i sistemi di trasporto a nastro movimentano merci e materiali in modo continuativo su distanze anche notevoli, i loro componenti si degradano durante il funzionamento a causa della normale usura che riduce l’affidabilità dell’intero sistema. Di conseguenza, il malfunzionamento di uno dei componenti può portare a costosi tempi di fermo in caso di arresto totale del sistema, fino all’interruzione del processo di produzione dell’impianto industriale. Per ovviare a tali criticità occorre incrementare l’affidabilità dei componenti del sistema stesso, con particolare focus sul nastro stesso. Il nastro rappresenta, infatti, il componente con maggiore valore aggiunto (esso costituisce in media i 2/3 del valore complessivo del sistema) ed è anche il componente maggiormente soggetto a usura e deterioramento a causa del contatto con il materiale trasportato, alle sollecitazioni meccaniche e al contatto con i rulli per la trasmissione della potenza di avanzamento. Ne deriva quindi che l’incremento dell’affidabilità del BCS passa dalla implementazione di efficaci sistemi di monitoraggio dello stato di salute del nastro rinforzato con anima tessile. Il monitoraggio del nastro, tuttavia, è assai complesso da compiersi a causa della sua mobilità (non sono applicabili sistemi di misura cablati) e della sua flessibilità meccanica, che ostacola l’applicazione dei tradizionali sensori.

In generale, la manutenzione dei BCS può essere suddivisa in ispezione e monitoraggio del sistema complessivo e dei suoi componenti specifici e la sostituzione e/o riparazione di componenti [4]. Con i più recenti sistemi, per la maggior parte dei BCS, i componenti critici degli azionamenti e i cuscinetti dei rulli possono essere monitorati in tempo reale. Una volta riscontrate anomalie in fase di monitoraggio dei componenti, informazioni o allarmi di guasto possono essere forniti agli operatori. Diversi sensori, ampiamente disponibili e già utilizzati in altri ambiti di monitoraggio industriale, possono essere applicati per misurare i parametri chiave dei BCS quali velocità, coppia, tensione, potenza…

Si possono identificare quattro principali strategie di manutenzione per sistemi di trasporto a nastro:

1) manutenzione random;

2) manutenzione correttiva;

3) manutenzione preventiva;

4) manutenzione predittiva.

Nel primo caso gli interventi sono eseguiti in base all’esperienza, senza alcuna pianificazione specifica, nel secondo seguono invece specifici guasti conclamati, nel terzo gli interventi anticipano i guasti, fino ad arrivare al quarto ed ultimo caso, relativo alla manutenzione predittiva, in cui i componenti del BCS sono continuamente monitorati con l’obiettivo di prevederne il progressivo processo di degrado. Si tratta dell’unico caso in cui sia possibile implementare una strategia di manutenzione legata allo stato di salute reale del sistema. La manutenzione predittiva implica, oltre al monitoraggio continuo, la remotizzazione dei dati acquisiti e il loro processamento mediante algoritmi di decadimento, insieme alla gestione integrata degli impianti secondo le linee guida della cosiddetta Industria 4.0.