Determinazione della durata della fatica basata sul processo di immagini incorporate nell'intelligenza artificiale su cavi metallici sottoposti a carichi di flessione

La ricerca si avvale di tecnologie all'avanguardia per migliorare le metodologie di prova della fatica.

di Mohsen Seyyedi, Adem Candaş e C. Erdem İmrak

Questo documento è stato presentato per la prima volta al 15° Simposio sulle tecnologie degli ascensori e delle scale mobili nel settembre 2024 e pubblicato su La biblioteca degli ascensori e delle scale mobili

parole chiave: Funi metalliche, Durata della fatica, Prova di fatica delle funi metalliche, Rottura della fune, AI, Visione artificiale, Rilevamento dei danni

Astratto 

Nei sistemi di sollevamento, il movimento ripetuto avanti e indietro delle funi di acciaio sulle pulegge provoca cedimenti per fatica, che sono un problema critico per la sicurezza. Valutare accuratamente la durata a fatica delle funi di sollevamento è un problema importante per l'affidabilità dei sistemi di sollevamento. Alcuni fattori principali che influenzano la durata a fatica includono la struttura della fune, il rapporto tra diametro puleggia e fune (D/d), la velocità operativa e la forza di trazione applicata. Si prevede che la fatica si verifichi principalmente attraverso fratture del filo nei trefoli esterni. La quantità di queste fratture determina quando la fune deve essere sostituita. Tuttavia, quantificare queste fratture senza interrompere le operazioni pone sfide significative in termini di tempi di fermo e budget. Questo studio introduce un approccio innovativo che impiega l'elaborazione delle immagini potenziata dall'intelligenza artificiale all'interno di una configurazione di test di fatica. Utilizzando telecamere ad alta velocità, il sistema mira a rilevare la valutazione del cedimento per fatica. Nel complesso, questa ricerca combina tecnologia all'avanguardia per migliorare le metodologie di test di fatica.

1. introduzione

Le funi metalliche in acciaio sono essenziali in vari settori industriali per la loro elevata resistenza assiale e flessibilità alla flessione, che le rende adatte per ascensori, gru, sistemi minerari, ponti, piattaforme offshore e funivie. Queste funi subiscono flessioni sulle pulegge (BoS), che portano a fatica da variazioni di carico e degradano le loro proprietà fisiche nel tempo. Studi precedenti hanno ampiamente studiato il loro comportamento alla fatica.^[1-10] La comprensione di questo comportamento è fondamentale per la sicurezza e l'affidabilità, poiché aiuta a determinare la durata della fatica e a identificare i punti critici di guasto. L'ispezione visiva tradizionale, sebbene comune, ha delle limitazioni come vincoli di tempo e capacità di rilevamento insufficienti.^[11] Nella letteratura attuale manca un'indagine approfondita del rapporto D/d e sono stati testati solo diametri di funi limitati, velocità operative e quantità di carico, il che richiede indagini dettagliate e raccolta di dati.

Nel 2011, la rottura di una fune di un impianto di sollevamento a Tokyo ha evidenziato la necessità di metodi di ispezione migliorati. L'incidente è stato attribuito al naturale indebolimento delle proprietà meccaniche della fune di sollevamento dovuto all'invecchiamento e a ispezioni regolari inadeguate.^[12] Pertanto, l'osservazione automatica e non distruttiva dei cavi d'acciaio è diventata un importante argomento di ricerca.^[11]

Sono state condotte ricerche significative per comprendere la fatica delle funi metalliche. Feyrer^[13] hanno esaminato le funi sottoposte a fatica BoS, studiando gli effetti del carico di trazione, del diametro della puleggia, del rivestimento di zinco, della geometria e del materiale della puleggia, della flessione laterale e dell'angolo di avvolgimento sulla durata. Onur e İmrak^[4] hanno studiato l'impatto del carico di trazione (S) e del diametro della puleggia (D) sulla durata della fatica in termini di numeri di cicli. Ridge et al.^[6] hanno presentato i risultati di esperimenti su varie forme di danno (rotture di fili, usura abrasiva, fili allentati, usura della plastica, corrosione e squilibrio di torsione) sulla durata della fatica BoS. Hanno utilizzato l'equazione di Feyrer per stimare teoricamente la durata della fatica, confrontandola con i risultati sperimentali.

Questo studio mira a determinare la durata a fatica delle funi metalliche in BoS utilizzando contemporaneamente l'elaborazione delle immagini e l'intelligenza artificiale. Il "Rope Fatigue Testing and Analysis Test Setup" situato presso l'Elevator Technologies Laboratory, Facoltà di Ingegneria Meccanica, Istanbul Technical University, è impiegato per la prima volta in Turchia ed è progettato specificamente per scopi sperimentali e assemblato con il supporto della società Sanel Asansör (Figura 1). Questa ricerca utilizza telecamere ad alta velocità e intelligenza artificiale per l'osservazione in tempo reale, rilevando danni che potrebbero non essere rilevati a occhio nudo e consentendo interventi tempestivi.

2. Fattori che influenzano la durata del filo 

Le funi metalliche in acciaio utilizzate in diversi settori industriali sono soggette a vari tipi di danni a seconda del loro utilizzo. Alcuni fattori influenzano questi danni, che incidono sulla durata della fune metallica in acciaio.

2.1 Sollecitazione assiale

Le sollecitazioni assiali o normali derivano da forze allineate lungo l'asse della fune. La sollecitazione assiale viene calcolata dividendo la tensione all'interno della fune metallica per la sua effettiva area trasversale metallica, come illustrato nell'equazione (1). La resistenza alla rottura della fune metallica è determinata dalla sua resistenza alla trazione. La formula per la sollecitazione assiale (fa) è:

dove:

fa = sollecitazione assiale (MPa)
T = la tensione nella corda (N)
A = area effettiva della sezione trasversale metallica della fune (mm²)

2.2 Carico di trazione

Feyrer^[13] ha condotto diversi esperimenti su funi metalliche per correlare il carico di trazione alla durata a fatica. I risultati ottenuti mostrano che, aumentando il carico di trazione (S), la durata a flessione diminuisce. Ciò può essere dedotto anche dalla Figura 2.

2.3 Dimensioni della puleggia

Il diametro della puleggia influisce notevolmente sulla resistenza della fune, causando una perdita di resistenza effettiva dovuta alla flessione. I test dimostrano che l'efficienza della resistenza della fune diminuisce significativamente man mano che il diametro della puleggia diminuisce rispetto al diametro della fune. I produttori stabiliscono standard per le dimensioni delle pulegge in base alla composizione della fune.^[13] La Figura 3(a) mostra la relazione tra il diametro della puleggia (D) e il numero di cicli per scartare o completare la rottura, indicando che l'aumento del diametro della puleggia prolunga significativamente la durata della fune. La Figura 3(b) dimostra che, per una fune di riempimento da 16 mm, la riduzione del rapporto di diametro (D/d) riduce la durata di piegatura al variare del carico di trazione specifico (S/d2).

2.4 Principio di flessione

In condizioni di lavoro dinamiche, le funi metalliche sono principalmente soggette a flessione sulle pulegge, con conseguente fatica da flessione. La comprensione del meccanismo di flessione è fondamentale per realizzare cicli di flessione. La Figura 4(a) mostra diversi cicli di flessione, mentre la Figura 4(b) illustra la corsa della fune (h), la lunghezza di piegatura (l) e la lunghezza del contatto (u) tra il cavo e la puleggia.

Durante il funzionamento, i cavi si piegano in una forma semplice o inversa sulle pulegge. Nel test di fatica mostrato nella Figura 4(b), il cavo subisce ripetute flessioni semplici, con il numero di cicli di flessione indicato come (N_sim). Il numero di cicli in flessione semplice dipende dalla lunghezza di progressione della fune (h). Se h è più corto di u, il cavo subisce una semplice flessione a ogni ciclo.

La macchina progettata per questo studio funziona secondo questo principio. Durante ogni ciclo, il cavo si piega sia nella regione destra che in quella sinistra della puleggia di prova, con una lunghezza di piegatura di (h). Il numero di cicli (Z) e lunghezza totale di piegatura (l) durante il test vengono calcolati utilizzando l'equazione (2).^[13] Quando la fune si piega su entrambi i lati della puleggia, la lunghezza totale della flessione (l) è due volte h.

2.5 Forma della scanalatura della puleggia

La forma della scanalatura e il materiale della puleggia influiscono in modo significativo sulla durata delle funi metalliche. Idealmente, le scanalature dovrebbero essere dal +6% al +8% del diametro nominale della fune, poiché scanalature strette o larghe riducono la durata della fune. Una geometria della scanalatura non corretta può causare riduzioni della durata maggiori di quelle previste dai test di laboratorio.^[14] Il diametro corretto della scanalatura per la composizione della fune prolunga la durata sia delle pulegge che della fune. Le scanalature in acciaio temprato impediscono cambiamenti nella geometria della scanalatura dovuti all'usura, aumentando così la durata della fatica da flessione.^[13]

2.6 Composizione della corda

Inoltre, la composizione delle funi in acciaio influenza la loro durata a fatica in flessione sulla puleggia. Le funi sono realizzate in varie composizioni per soddisfare esigenze diverse. Le composizioni più grossolane con fili più grandi sono adatte all'abrasione, mentre le composizioni flessibili con fili più piccoli sono più adatte a flessioni frequenti. Spesso, una singola fune non può resistere a tutte le forze distruttive, rendendo necessari dei compromessi nella scelta. Le funi comunemente preferite nei sistemi di sollevamento sono i tipi Seale, Warrington o Filler con anima in fibra e fili paralleli dello stesso passo. Le costruzioni di funi in acciaio comunemente utilizzate sono 8x19, 6x19 e 6x25.

2.7 Diametro del cavo metallico

In particolare, il diametro del cavo metallico (d) è fondamentale per la durata della fatica. In genere, la durata della fatica aumenta con il diametro fino a raggiungere il "diametro nominale ottimale della fune", dopodiché diminuisce. La Figura 5 illustra questa scoperta sperimentale. I parametri ottimali del diametro nominale, del carico di trazione e del diametro della puleggia devono essere considerati quando si seleziona il diametro della fune metallica.

2.8 Nucleo del cavo metallico 

Infine, il tipo di anima influisce sulla durata a fatica delle funi metalliche. I test di flessione su funi con anime in fibra hanno mostrato che le anime in sisal e polipropilene (PP) hanno avuto risultati simili, mentre le anime in poliammide (PA) sono durate più a lungo grazie alla loro resistenza superiore. L'aumento della massa dell'anima migliora la durata a fatica. I test sulle anime in acciaio hanno indicato che le anime in acciaio rivestite con polimero solido (ESWRC) e quelle allineate parallelamente ai trefoli esterni (PWRC) avevano una durata a flessione maggiore rispetto alle anime indipendenti per funi metalliche (IWRC).^[13]

3. Procedura sperimentale

In questa sezione vengono forniti una descrizione della progettazione dell'impianto di prova, i dettagli dell'esperimento e il sistema di ispezione dei cavi metallici.

3.1 Specifiche di configurazione del test

La configurazione di prova appositamente progettata, mostrata nella Figura 1, include una puleggia 1 con un diametro di 400 mm come puleggia motrice, posizionata a un'altezza di 2,200 mm dal suolo, e una puleggia 250 da 2 mm come puleggia di deviazione. La puleggia 2 fornisce la necessaria pre-tensione e mantiene l'angolo di avvolgimento richiesto sulla puleggia motrice. La distanza tra la puleggia motrice e la puleggia di deviazione è di 1,160 mm. Si verifica fatica nell'area che si sposta sulla puleggia motrice con telecamere ad alta velocità posizionate attorno all'area rossa della Figura 6 per esaminare i danni alla fune. La configurazione utilizza pulegge scanalate semicircolari che possono essere regolate verticalmente per adattarsi a diversi diametri, controllando l'angolo di avvolgimento e la lunghezza di contatto tra la fune e la puleggia. Il meccanismo di carico nella Figura 6 può sostenere fino a 450 kg per fornire la necessaria tensione del cavo. Il sistema di azionamento tramite cavi utilizza un meccanismo a tre bracci azionato da un motore sincronizzato da 4.32 kW, con un pannello di controllo elettronico per il controllo della velocità, garantendo che il sistema funzioni alla velocità richiesta.

3.2 Campioni di esperimenti

A causa della fatica BoS, le funi metalliche iniziano a rompersi nel tempo, come mostrato nella Figura 7. Questo comportamento di rottura è simile in tutte le funi metalliche, ma il momento in cui si verifica e inizia il danno da fatica varia. La letteratura sulla fatica delle funi include studi che utilizzano diversi tipi di funi e diametri con pulegge. Ad esempio, le funi Warrington-Seale (IWRC) sono state utilizzate negli studi [4, 7]. Entrambi i tipi sono stati utilizzati in [3, 5]. Un altro esempio è una fune "a bassa coppia, multi-trefolo" di 109 mm di diametro in [8, 9]. Questo progetto esamina la durata della fatica di due tipi di funi, Warrington e Seale, comunemente utilizzati nel settore degli ascensori. Sono stati scelti tre campioni di funi di ciascun tipo, con diametri di 8 mm, 10 mm e 12 mm, per essere testati.

Vari criteri di scarto per i cavi metallici garantiscono un utilizzo sicuro, variando a seconda del sistema e del settore. Un criterio chiave è il numero di fili rotti visibili, in base alla classificazione del cavo e al numero di fili portanti nei trefoli esterni. La norma TS ISO 4309^[16] standard presenta numeri soglia di fili rotti per funi di acciaio a trefoli tondi su pulegge di acciaio. Questi conteggi si basano sulle condizioni di carico della fune e sul tempo operativo come specificato nella TS ISO 4301^[17] standard.

3.3 Variabili sperimentali

In precedenti studi di ricerca simili agli esperimenti pianificati, sono stati utilizzati diversi rapporti tra il diametro della puleggia e il diametro della fune. Questi rapporti includono rapporti D/d 10 e 25 negli studi di [3, 4], i rapporti 25 studiati da [2] e [5] e 20 nella ricerca di [8, 9]. Inoltre, altri rapporti come 8, 12, 16, 17, 18 e 23.3 sono stati utilizzati in ricerche simili come [1, 6, 7, 10]. In questo progetto, un diametro della puleggia di 400 mm sarà utilizzato come puleggia motrice e saranno considerati tre diversi diametri della fune, che danno rapporti di 33, 40 e 50 D/d. 

L'altro parametro da studiare è la velocità di funzionamento della fune, poiché influisce notevolmente sulla sua durata.^[3] Per questo motivo, la configurazione di prova migliorata verrà utilizzata a velocità di 2,400 giri/s (Hz) e 4,800 giri/s (Hz). 

Il terzo e ultimo parametro è il carico utile da sottoporre. Durante il test di fatica, verranno applicati carichi utili da 200 kg e 400 kg. Dopo aver applicato questi carichi, l'accumulo di tensione nella fune verrà misurato e registrato utilizzando celle di carico. Durante gli esperimenti, verranno anche osservati e registrati la temperatura ambiente e l'umidità. Sulla base dell'indagine bibliografica, i parametri selezionati per l'esperimento possono essere visualizzati nella Tabella 1.

3.4 Sistema di elaborazione delle immagini AI incorporato 

I tradizionali metodi di ispezione visiva per funi metalliche sono inadeguati per molte ragioni. Questo documento propone un approccio alternativo che utilizza telecamere ad alta velocità e IA. Quattro telecamere ad alta velocità, ciascuna delle quali copre un segmento di 90° della fune in movimento, devono avere almeno una risoluzione di 2 MP, un obiettivo da 2 mm e una frequenza di fotogrammi di 249 fps per un'acquisizione dati accurata. Queste telecamere registrano continuamente le condizioni della fune, inviando filmati a un computer con un modulo di elaborazione delle immagini AI. A causa del movimento ad alta velocità, è necessaria una potente scheda grafica per l'analisi in tempo reale.

La ricerca mira a rilevare le crepe e determinare il tempo di scarto dei cavi metallici. Ciò comporta l'addestramento dell'IA per classificare diversi tipi di cavi rotti, il che richiede un set di dati completo di immagini annotate. I cavi rotti identificati durante gli esperimenti migliorano il set di dati di addestramento. Il processo richiede molto tempo, a seconda delle dimensioni del set di dati, ma per la dimostrazione è stato utilizzato un metodo di addestramento robusto, che ha richiesto 4 ore per 73 immagini, che sono state aumentate automaticamente a 2,926 immagini.

Quindi, verrà preparata l'interfaccia utente del sistema di elaborazione delle immagini AI per gestire quattro input video dalle telecamere. Il modello AI generato analizza quindi il filmato, identificando e classificando autonomamente anomalie come crepe o fili rotti. Il campione di rilevamento delle crepe incorporato nell'AI, che viene catturato dal software in cui l'AI ha rilevato 24 crepe su 30 con una somiglianza minima dell'80%, è mostrato nella Figura 8. 

In questo sistema AI, la precisione del rilevamento può variare da 0 a 100% di similarità con il set di dati raccolto. I risultati del processo di rilevamento delle crepe di cinque diversi campioni di funi metalliche con due precisioni di rilevamento (80% e 40%) sono tabulati per il confronto nella Tabella 2. Si può vedere che con una precisione di rilevamento inferiore, il sistema rileva più crepe. Inoltre, le percentuali di errore sono mostrate su ogni barra nella tabella. Questo metodo migliora l'efficienza dell'ispezione e riduce la dipendenza dal lavoro manuale e dal giudizio soggettivo. Consente il monitoraggio in tempo reale, riducendo al minimo i guasti catastrofici e ottimizzando i programmi di manutenzione. La combinazione di imaging avanzato con analisi AI ha un potenziale significativo per migliorare le pratiche di manutenzione industriale e garantire la sicurezza operativa.

4. CONCLUSIONE

Dopo aver condotto un'analisi approfondita dei dati sperimentali, tra cui osservazioni sulla prima rottura del filo, sulla durata di vita dello scarto e sui cicli di guasto completi, è giustificato un esame dell'impatto di varie variabili sperimentali su questi risultati. Esaminando attentamente fattori quali diametro del filo, tipo di fune, velocità di prova, velocità della macchina e precarico, puntiamo a chiarire le rispettive influenze sulle metriche di prestazione critiche delle funi metalliche.

Questa analisi comparativa farà luce sulle interazioni sfumate tra i parametri sperimentali e i comportamenti meccanici risultanti dei cavi metallici. Le intuizioni ricavate da questi confronti non solo miglioreranno la nostra comprensione dei meccanismi di guasto dei cavi metallici, ma informeranno anche le future considerazioni di progettazione e le pratiche operative.

Per facilitare chiarezza e comprensione, le rappresentazioni grafiche accompagneranno la discussione, fornendo approfondimenti visivi sugli effetti comparativi delle variabili sperimentali sui risultati osservati. Attraverso questo approccio multiforme, ci sforziamo di presentare un'esplorazione completa e approfondita dei risultati sperimentali, aprendo la strada a progressi nell'ingegneria dei cavi metallici e nelle pratiche di manutenzione.

Referenze

[1] D. Battini, L. Solazzi, AM Lezzi, F. Clerici e G. Donzella, “Previsione della durata a fatica delle funi di acciaio basata su misurazioni termiche”, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 182, p. 105761, settembre 2020, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.105761.

[2] Z. Hu, E. Wang e F. Jia, "Studio sui comportamenti di rottura per fatica da flessione di funi metalliche con fissaggio alle estremità", Engineering Failure Analysis, vol. 135, p. 106172, maggio 2022, doi: 10.1016/j.engfailanal.2022.106172.

[3] YA Onur e CE İmrak, “L'influenza della velocità di rotazione sulla durata di vita a fatica da flessione delle funi di acciaio”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Parte C, Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 225, n. 3, pp. 520–525, agosto 2010, doi: 10.1243/09544062jmes2275.

[4] YA Onur e CE İmrak, “Indagine sperimentale e teorica sulla flessione sulla durata della fatica della puleggia di funi metalliche intrecciate”, giugno 2012, [Online]. Disponibile: nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/14448/3/IJEMS%2019%283%29%20189-195.pdf

[5] YA Onur e CE İmrak, “Determinazione sperimentale dell'influenza della degradazione sulla flessione sulla durata della fatica della puleggia di funi metalliche in acciaio”, febbraio 2013, [Online]. Disponibile: nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/16150/1/IJEMS%2020%281%29%2014-20.pdf

[6] IML Ridge, CR Chaplin e J. Zheng, “Effetto del degrado e della qualità compromessa sulla flessione della fune metallica sulla resistenza alla fatica della puleggia”, Engineering Failure Analysis, vol. 8, n. 2, pp. 173–187, aprile 2001, doi: 10.1016/s1350-6307(99)00051-5.

[7] O. Salman e CE Imrak, “Indagine sperimentale sull’effetto della corrosione sulla fatica da flessione dei cavi metallici”, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, vol. 27, pp. 770–775, 2020.

[8] O. Vennemann, R. Törnqvist e I. Frazer, “Prove di fatica di flessione di cavi di acciaio di grande diametro per applicazioni di distribuzione sottomarina”, The Eighteenth International Offshore and Polar Engineering Conference, gennaio 2008, [Online]. Disponibile: onepetro.org/ISOPEIOPEC/proceedings/ISOPE08/All-ISOPE08/ISOPE-I-08-065/10597

[9] O. Vennemann, R. To¨Rnqvist, B. Ernst, S. Winter e I. Frazer, "Test di fatica a flessione utilizzando un metodo NDT adatto per determinare la durata di vita di cavi metallici di grande diametro per applicazioni di sollevamento offshore", gennaio 2008, doi: 10.1115/omae2008-57128.

[10] D. Zhang et al., “Comportamento di fatica a flessione di funi di supporto che lavorano attorno a pulegge di materiali diversi”, Engineering Failure Analysis, vol. 33, pp. 37–47, ottobre 2013, doi: 10.1016/j.engfailanal.2013.04.018.

[11] X. Huang, Z. Liu, X. Zhang, J. Kang, M. Zhang e Y. Guo, "Rilevamento dei danni superficiali per funi di acciaio mediante tecniche di apprendimento profondo e visione artificiale", Measurement, vol. 161, p. 107843, settembre 2020, doi: 10.1016/j.measurement.2020.107843.

[12] K. Minagawa e S. Fujita, “Applicazione dell’elaborazione delle immagini al monitoraggio sanitario dei cavi metallici dei sistemi di sollevamento”, Sistemi di trasporto negli edifici, vol. 2, n. 1, novembre 2018, doi: 10.14234/tsib.v2i1.143.

[13] K. Feyrer, Funi metalliche: tensione, resistenza, affidabilità. Springer Berlin Heidelberg, 2015. doi: 10.1007/978-3-642-54996-0.

[14] D. -Ing., R. Verreet, “Calcolo della durata di vita utile dei cavi di acciaio in esecuzione”, 1998. Disponibile: ropetechnology.com/downloads/brochures/bro_calculating-the-service-life-of-running-steel-wire-ropes.pdf

[15] E. Gorbatov et al., “Fune d’acciaio con maggiore durata e qualità migliorata”, Metallurgist, vol. 51, 2007, doi: 10.1007/s11015-007-0052-y.

[16] TS ISO 4309, “TS ISO 4309 Gru-Funi metalliche-Cura e manutenzione, ispezione e smaltimento”, 2017. [Online]. Disponibile: iso.org

[17] TS ISO 4301, “TS ISO 4301 - Gru e apparecchi di sollevamento - classificazione - Parte 1: Generale”, 2016. [Online]. Disponibile: standards.iteh.ai/catalog/standards/sist/9512d298-4f37-45bf-b96a-