Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται νέα συστήματα συλλογής δεδομένων, για τη διάγνωση και πρόγνωση βλαβών σε μηχανολογικά συστήματα. Το Εργαστήριο Δυναμικής Μηχανών (Ε.ΔΥ.Μ.) του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ), σε συνεργασία με την νεοσύστατη επιχείρηση Componous, έχει αναπτύξει διάφορες μεθόδους διάγνωσης βλαβών σε συστήματα μετάδοσης κίνησης, συμπεριλαμβανομένων και μεθόδων που αξιοποιούν σήματα μετρούμενα μέσω αισθητήρων οπτικής ίνας (Fiber Bragg Grating).
Γράφουν οι κ. Νικόλαος Τιριακίδης και Δημήτρης Γιαγκόπουλος*
Η ανίχνευση βλαβών σε συστήματα μετάδοσης κίνησης απαιτεί την τοποθέτηση αισθητήρων κοντά στις εδράσεις των εξαρτημάτων ενός μηχανήματος (όπως στα έδρανα κύλισης όπου εδράζονται οι άξονες), και τη συλλογή δεδομένων από τους αισθητήρες αυτούς, με στόχο την παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας του συστήματος μέσω της δυναμικής του απόκρισης.
Οι συμβατικές μέθοδοι διάγνωσης – πρόγνωσης βλαβών περιλαμβάνουν την τοποθέτηση κατάλληλων αισθητήρων (όπως είναι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες μέτρησης επιταχύνσεων) και τη συλλογή των δεδομένων ταλάντωσης με κατάλληλα συστήματα. Με κατάλληλη επεξεργασία των μετρούμενων σημάτων εξάγονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη του συστήματος, παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με τη δομική του υγεία και κατάσταση.
Προκειμένου να παρακολουθείται διαρκώς και σε πραγματικό χρόνο η δομική κατάσταση ενός συστήματος, απαιτείται να έχει εγκατεστημένο ένα μόνιμο δίκτυο αισθητήρων, το οποίο όμως συνεπάγεται αυξημένο κόστος λόγω του απαραίτητου εξοπλισμού –ειδικά αν υπολογίσει κανείς τον αριθμό των αισθητηρίων που απαιτούνται για μια πολύπλοκη εφαρμογή με πολλά περιστρεφόμενα μέρη ή έναν πληθυσμό διατάξεων, όπως είναι αυτές μιας βιομηχανικής μονάδας.
Επιπλέον, αισθητήρες όπως οι πιεζοηλεκτρικοί, μπορεί να μην δύνανται να τοποθετηθούν σε όλα τα απαραίτητα σημεία ενός μηχανήματος, λόγω της δυσκολίας πρόσβασης και του διαθέσιμου χώρου.
Όλα τα παραπάνω έχουν οδηγήσει στην ανάγκη για ανάπτυξη νέων συστημάτων συλλογής δεδομένων, όπως είναι αυτό των αισθητήρων οπτικής ίνας (Fiber Bragg Grating [FBG]). Η τεχνολογία των FBG, αν και πρωτοεμφανίστηκε το 1978, έχει αρχίσει να εξελίσσεται και να χρησιμοποιείται κυρίως την τελευταία δεκαπενταετία για εφαρμογές συλλογής δεδομένων θερμοκρασίας, παραμόρφωσης και ταλάντωσης σε μηχανολογικές διατάξεις.
Η χρήση αισθητήρων FBG συνεπάγεται ορισμένα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με άλλες υφιστάμενες μεθόδους, όπως ανοσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, ικανότητες multiplexing και ελαχιστοποίηση του απαιτούμενου χώρου και βάρους. Για το λόγο αυτό, οι αισθητήρες FBG καθίστανται ιδανικοί για εφαρμογές όπως είναι ο έλεγχος δομικής ακεραιότητας ακόμη και σε αντίξοα περιβάλλοντα.
Επιπλέον, το κόστος ενός συστήματος διάγνωσης βάσει FBG έγκειται στον εξοπλισμό ερμηνείας του σήματος (Interrogator) και όχι στον ίδιο τον αισθητήρα, πράγμα που σημαίνει πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί εκτενώς και σε μια μηχανολογική διάταξη.
Ο τρόπος λειτουργίας των FBG, αν και απλός, μπορεί να προσφέρει μια πληθώρα δεδομένων, βάσει της παραμόρφωσης που λαμβάνει η οπτική ίνα λόγω των καταπονήσεων του στοιχείου στο οποίο αυτή εγκαθίσταται. Συγκεκριμένα, για τη συλλογή δεδομένων ταλάντωσης, το σύστημα αξιοποιεί τη σύζευξη μεταξύ παραμόρφωσης και ταλάντωσης προκειμένου να μετρήσει τις ταλαντώσεις ενός συστήματος.
Οι ταλαντώσεις που εμφανίζονται στη διάταξη έχουν ως αποτέλεσμα την εμφάνιση δυναμικής καταπόνησης και παραμορφώσεων στον αισθητήρα, αλλάζοντας έτσι το μήκος κύματος του φωτός που μεταφέρεται από αυτόν.
Το σήμα αυτό που συλλέγεται, αναλύεται στη συνέχεια από τον Interrogator, παράγοντας έτσι τα απαιτούμενα δεδομένα ταλάντωσης, τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν για περαιτέρω δραστηριότητες, όπως είναι η διάγνωση βλαβών. Ο τρόπος αυτός λειτουργίας των FBG παρουσιάζεται στο σχήμα 1.
Ανίχνευση ταλάντωσης συναρτήσει του χρόνου μέσω αισθητήρων οπτικής ίνας (Fiber Bragg Grating).
Η Componous, μια νεοσύστατη επιχείρηση που ειδικεύεται στην ανάπτυξη και ενσωμάτωση αισθητήρων οπτικών ινών σε σύνθετες κατασκευές, συνεργάζεται με το Εργαστήριο Δυναμικής Μηχανών (Ε.ΔΥ.Μ.) του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ) αναπτύσσοντας διάφορες μεθόδους διάγνωσης βλαβών σε συστήματα μετάδοσης κίνησης, συμπεριλαμβανομένων και μεθόδων που αξιοποιούν σήματα μετρούμενα μέσω FBG.
Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται ενδεικτικά μία σχετική εφαρμογή, όπου πραγματοποιούνται πειραματικές μετρήσεις σε διάφορα εύρη στροφών λειτουργίας για ένα σύστημα μετάδοσης κίνησης με φθορές στα έδρανα κύλισης του άξονα. Όπως φαίνεται στο σχήμα, τα μετρούμενα δεδομένα μπορούν να επιτρέψουν το διαχωρισμό των διαφόρων καταστάσεων δομικής ακεραιότητας, ακόμη και μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων βλάβης στο ίδιο εξάρτημα (φθορά σε εσωτερικό / εξωτερικό δακτύλιο ενός εδράνου κύλισης) και να προσφέρουν συμπεράσματα σχετικά με τον εναπομένοντα ωφέλιμο χρόνο λειτουργίας ενός συστήματος.
Σχήμα 2. Πλαίσιο διάγνωσης βλαβών σε περιστρεφόμενο σύστημα μέσω ταλαντωτικού σήματος από αισθητήρες οπτικής ίνας (FBG).
Ειδικά σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπου η συντήρηση ενός μηχανήματος συνεπάγεται σημαντικά κόστη λόγω της διακοπής της λειτουργίας του, η ορθή αυτή διάγνωση είναι εξαιρετικής σημασίας, καθώς μπορεί να προσφέρει κατευθυντήριες οδηγίες σχετικά με τη συντήρηση και επιδιόρθωση ενός συστήματος.
Η πρόκληση στη χρήση των FBG και στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος συλλογής δεδομένων και διάγνωσης, έγκειται στην εξασφάλιση του σταθερού ρυθμού συλλογής και καταγραφής δεδομένων, καθώς και στην ευαισθησία του συστήματος, ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει ακόμη και ανεπαίσθητες αλλαγές στην ταλαντωτική συμπεριφορά ενός μηχανήματος.
Η Componous με το Ε.ΔΥ.Μ. έχουν αναπτύξει και βελτιστοποιήσει ένα σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί δεδομένα από αισθητήρες FBG και του οποίου οι δυνατότητες και η αξιοπιστία έχουν αξιολογηθεί και θα ποσοτικοποιηθούν σε υφιστάμενες διατάξεις μετάδοσης κίνησης. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων με εκείνα από τους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες ταλάντωσης υψηλής ακρίβειας θα οδηγήσει σε ένα ευέλικτο, αξιόπιστο και οικονομικά αποδοτικό σύστημα με ένα ευρύ πεδίο εφαρμογής.
Τα δεδομένα που συλλέγονται από τα FBG, μπορούν να αξιοποιηθούν σε συνδυασμό με άλλες καινοτόμες μεθόδους διάγνωσης – πρόγνωσης βλαβών που βασίζονται σε αριθμητικά – υπολογιστικά μοντέλα, όπως είναι αυτά των πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Models [FEM]) και της δυναμικής πολλαπλών σωμάτων (Multibody Dynamics Models [MBD]), συνδυαστικά με τεχνητή νοημοσύνη (Artificial Intelligence [AI]) και με αλγόριθμους μηχανικής ή βαθιάς μάθησης (Machine/Deep Learning [ML/DL]) όπως είναι τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (Artificial Neural Networks [ANN]). Στο σχήμα 3 αποτυπώνεται η μεθοδολογία ελέγχου δομικής ακεραιότητας μέσω νευρωνικών δικτύων και αριθμητικών προσομοιώσεων.
Σχήμα 3. Μεθοδολογία ελέγχου δομικής ακεραιότητας μέσω νευρωνικών δικτύων και αριθμητικών προσομοιώσεων.
*Ο κ. Νικόλαος Τιριακίδης είναι ιδρυτής της Componous και ο κ. Δημήτρης Γιαγκόπουλος είναι μέλος του Εργαστηρίου Δυναμικής Μηχανών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.
