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1 INTRODUZIONE
Il Centro di ricerca per il Trasporto e la Logistica (CTL) dell’Università di Roma “La Sapienza”
è un Centro di Eccellenza riconosciuto e cofinanziato dal Ministero dell’Università e della
Ricerca nel 2003. Le attività del CTL riguardano sia la ricerca di base sui sistemi di trasporto e
la logistica, sia applicazioni pratiche per istituzioni e aziende. I temi oggetto della ricerca sono,
tra gli altri, lo studio di veicoli innovativi ecocompatibili, la progettazione di sistemi di bordo
per veicoli merci, lo sviluppo di piattaforme informative, la pianificazione dei trasporti, la
sostenibilità della distribuzione urbana delle merci. Il CTL ha sviluppato ed assemblato negli
ultimi anni apparati hardware e software per il monitoraggio delle condizioni attuali del
trasporto su gomma. Tramite essi si può cogliere l’opportunità, data dal massiccio uso
dell’elettronica sui veicoli odierni, di accedere alla rete dei sensori di bordo. Pur senza
rinunciare a misure accurate si può intraprendere così una via relativamente semplice ed
economica per uno studio ad ampio spettro dei sistemi di trasporto.
Utilizzando gli strumenti realizzati dal CTL, descritti nel paragrafo 2.2, e la collaborazione di
“Autotrasporti Pigliacelli SpA”, che ha permesso il monitoraggio dei propri veicoli, il presente
lavoro ha l’obiettivo di:
sviluppare una metodologia in grado di individuare l’influenza del conducente
sull’usura del sistema di trasporto, capace di definire indicatori che correlano lo stress
subito dai componenti all’utilizzo effettivo del mezzo e quindi fornire un metodo
innovativo di manutenzione predittiva.
La ditta di trasporti Pigliacelli SpA si avvale di una profonda esperienza nell'ambito del
trasporto stradale ed è in grado di offrire un servizio puntuale, capillare e flessibile verso mete
nazionali, europee, americane, asiatiche e africane. L'Azienda vanta infatti di un'approfondita
conoscenza delle strategie di movimentazione delle merci su gomma e dell'impiego di
automezzi che si diversificano in base alle varie caratteristiche tecniche. Il parco veicolare del
gruppo Pigliacelli è costituito da piø di 600 automezzi per ogni tipo di trasporto.
Il monitoraggio in questione ha riguardato il veicolo Iveco Stralis AS-L440S45T/P il quale è
adibito al trasporto di liquidi ed è quindi un veicolo cisternato.
La struttura del presente studio si compone di sette capitoli. Dopo la presente introduzione viene
presentata nel secondo capitolo la metodologia seguita per la redazione della tesi in cui sono
descritte le metodologie FMEA/FMECA, gli strumenti per l’acquisizione dati da linea CAN e
come questi vengono integrati per il raggiungimento degli obiettivi. Il terzo capitolo espone la
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campagna di acquisizione dei dati, fornendo descrizioni del veicolo monitorato e della relativa
ditta di trasporti, di come avviene la registrazione dei dati acquisiti ed inoltre riporta l’intervista,
condotta al personale d’officina che si occupa della manutenzione del veicolo, utile per una
raccolta iniziale di informazioni relative alle caratteristiche del veicolo e al servizio svolto da
quest’ultimo.
Il quarto capitolo presenta inizialmente delle considerazioni generali del sottosistema su cui
viene applicata la metodologia, ovvero il freno a disco, e successivamente descrive il particolare
freno a disco montato sul veicolo monitorato.
Nel quinto capitolo è contenuta l’analisi FMEA/FMECA sul sistema “freno a disco”
descrivendo tutte le varie fasi dello studio. L’analisi è stata condotta con la collaborazione del
Gruppo SeTeL. L’azienda, fondata nel 1973, da circa 35 anni rappresenta un punto di
riferimento nello scenario della LOGISTICA con specifico riferimento al settore
dell’INGEGNERIA DEL SUPPORTO LOGISTICO applicata a settori particolarmente
complessi ed innovativi come, ad esempio, quelli della Difesa, Aerospaziale, Information &
Communication Technology, Trasporti, ecc.
Dalle conclusioni della precedente analisi si individuano i componenti del sistema
maggiormente influenzati dal comportamento del conducente, quindi da come il veicolo viene
utilizzato, e che presentano una criticità dei modi di guasto piø alta. Prendendo in
considerazione i risultati dell’analisi FMEA/FMECA nel capitolo successivo vengono
individuati gli indicatori per i componenti piø critici, trovando una stima dell’effettiva usura di
quest’ultimi. La stima dell’usura dei componenti è un utile indicatore per prevedere un guasto e
quindi permette di stabilire quando effettuare gli interventi manutentivi.
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2 METODOLOGIA
2.1 Descrizione delle metodologie FMEA e FMECA
Analisi FMEA
FMEA ( Failure Mode Effect Analysis ) è una metodologia di analisi dei modi di guasto e degli
effetti. Si tratta probabilmente della tecnica piø conosciuta e diffusa nell’ambito della
certificazione e validazione dei progetti (per es.: certificazione di aeronavigabilità per
equipaggiamenti dei velivoli) e dell’individuazione dei difetti nei processi di produzione
industriale. La FMEA costituisce un’analisi qualitativa e anche se, nel corso degli anni, sono
stati sviluppati approcci analitici piø quantitativi, la sua applicabilità generale ne fa ancora uno
strumento di notevole interesse. La metodologia FMEA procede infatti alla individuazione dei
possibili guasti di un sistema, delle cause che li provocano e degli effetti misurabili sulle
prestazioni del sistema stesso. Va comunque precisato che FMEA contribuisce a valutare anche
altre caratteristiche di un sistema quali la manutenibilità, sicurezza, logistica e diagnosi.
Si possono menzionare tre principali obiettivi di una FMEA:
1. Individuare e analizzare tutti i guasti potenziali associati a un certo sistema, valutandone
anche gli effetti, con un processo di integrazione dai componenti verso il sistema;
2. Identificare le azioni volte a eliminare o ridurre in modo sensibile i guasti del sistema e
le conseguenze indesiderate associate;
3. Documentare il sistema da un punto di vista funzionale, in fase sia progettuale sia di
esercizio.
L’analisi FMEA è stata sviluppata dal US Department of Defense e ha trovato ampio impiego
anche presso la NASA, dove prese grande impulso all’interno del programma lunare apollo nel
quale il riconoscimento e la classificazione dei guasti e degli effetti associati, risultava essere
estremamente importante ai fini della missione spaziale.
La metodologia si diffuse successivamente nell’ambito manifatturiero e in particolare nel
contesto automobilistico dove fu finalizzata all’aumento dell’affidabilità dei prodotti.
Nel corso degli anni è stata sottoposta ad una forte attività di standardizzazione e per questo si
possono reperire varie normative tecniche di riferimento, ciascuna delle quali presenta affinità
particolari con il settore all’interno del quale è stata sviluppata.
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Le due normative maggiormente conosciute restano comunque la MIL-STD-1629A del
Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti d’America [15] e la SAE J1739 della Società of
Automotive Enginereers [13][14].
L’impostazione della FMEA prevede di tracciare un quadro completo relativo al
comportamento di un sistema, in tutte le possibili situazioni di impiego, e di definire tutte le
modalità di guasto, da quelle di secondaria importanza a quelle che portano alla crisi di un
componente o dell’intero sistema.
A partire da una conoscenza della struttura gerarchica di un sistema, ovvero della sua
scomposizione in livelli successivi e ordinati di dettaglio, si indicano le modalità di guasto e le
conseguenze associate.
Generalmente questa analisi è condotta con una logica induttiva di propagazione delle
informazioni di tipo bottom-up, cioè partendo dal livello di dettaglio piø particolare e andando
verso livelli piø alti; in alcuni casi però la logica può essere ribaltata adottando un approccio
top-down [2]. Quest’ultima costituisce un processo di FTA (Fault Tree Analysis)[1] che è
particolarmente indicata per sviluppare analisi di sicurezza (Safety Analysis).
Esempio di struttura gerarchica di un sistema da analizzare:
- Livello 1: rappresenta l’apparecchiatura/sistema da analizzare.
- Livello 2: definisce i sottosistemi che compongono il sistema da analizzare.
- Livello 3: identifica i “moduli” che compongono ogni singolo sottosistema.
- Livello 4: mostra le parti componenti i diversi moduli.
Seguendo una logica di tipo bottom-up si ha che: gli effetti dei guasti a livello piø basso (es.
livello quattro) formano i modi di guasto a livello piø alto (livello tre), mentre i modi di guasto a
livello piø basso formano le cause di guasto a livello piø alto (Figura 2.1).
Figura 2.1: Interazioni causa-modo-effetto tra i diversi livelli di dettaglio.
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In un sistema complesso e “multilivello” è difficile legare gli effetti sull’intero sistema di un
guasto di un singolo componente, quindi l’analisi si fa in piø fasi in modo che ognuna coinvolga
2 livelli:
- Si determina il modo di guasto di un componente e gli effetti al livello “modulo”.
- Si determina il modo di guasto del modulo e si individuano gli effetti al livello
“sottosistema”.
- Si determina il modo di guasto del sottosistema e si individuano gli effetti al livello
“sistema”.
Nell’esecuzione di una FMEA è necessario tenere presente che i modo di guasto di un singolo
componente dipendono dalla sua natura, dalla funzione a cui esso è stato destinato e, infine,
dalle condizioni ambientali in cui si trova ad operare.
Quindi, i requisiti necessari per procedere in modo efficace sono la conoscenza:
dell’architettura del sistema;
delle caratteristiche costruttive e funzionali dei componenti;
dei relativi modi di guasto.
In questo modo si potrà procedere a:
a) Definire il sistema da analizzare
La definizione completa include l’identificazione delle funzioni interne e di interfaccia, le
prestazioni attese a tutti i livelli di dettaglio e le definizioni dei guasti per ogni componente
per poter estendere l’analisi a qualsiasi livelli.
b) Costruire Diagrammi a Blocchi
Essi sono dei diagrammi a blocchi funzionali e di affidabilità (RBD) che illustrano le
operazioni, le interrelazioni e le interdipendenze delle entità funzionali.
c) Identificare tutti i modi di guasto
Potenziali dei componenti e delle Interfacce, i loro effetti nell’immediata funzione del
componente sul sistema e sulla missione che deve essere effettuata.
d) Valutare ogni modi guasto
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In base alla peggiore conseguenza potenziale e assegnargli una categoria di severità.
e) Identificare i metodi di rilevamento del guasto
f) Identificare le soluzioni correttive o altre azioni richieste per eliminare o controllare il
rischio
g) Identificare gli effetti delle azioni correttive in maniera iterativa
h) Documentare l’analisi
Riassumere i problemi che non possono essere corretti dal progetto inoltre identificare i
controlli speciali che sono necessari per ridurre i rischi di guasto.
Per poter produrre un analisi sui modi di guasto concepita in questa maniera è necessario
effettuare prima una buona raccolta dati contenente:
- Documentazione tecnica inerente il progetto, disegni di sistemi, sottosistemi, moduli e
componenti.
- Schemi a blocchi rappresentanti le interrelazioni tra sistemi e sottosistemi.
- Dettagli sui materiali di costruzione.
- Informazioni sulle prove eseguite sui prototipi o su prodotti simili.
- Informazioni sulle caratteristiche dell’ambiente operativo in funzione dell’utilizzo
previsto.
- Dati provenienti dall’esistenza di prodotti simili, da fornitori o da “banche dati”
riconosciute.
Il dettaglio della raccolta di queste informazioni influirà sulla bontà della definizione del
sistema e quindi di tutta l’analisi.
Allo scopo di strutturare le varie fasi di analisi e di certificare le correlazioni logiche sono
disponibili strumenti software qualificati che normalmente correlano anche i dati quantitativi
per esaudire i requisiti di analisi critica. Per l’analisi sono state sviluppate tabelle di tipo
standard (Worksheet fmea) contenenti varie voci, da compilare in modo piø esaustivo possibile;
sarà di buona norma di volta in volta procedere alla contestualizzazione delle tabelle e quindi
del modello di indagine, a partire però da un modello di riferimento generale.
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Al termine di un analisi FMEA la documentazione finale è realizzata con un rapporto costituito
da tabelle che evidenziano i risultati e le aggregazioni compilabili dall’analista a seconda
dell’obiettivo finale del problema. Per una comprensione dei dati di ingresso e dei risultati è
buona norma che queste siano precedute da una descrizione generale del sistema analizzato
[1][2].
Analisi FMECA
L’analisi FMECA può essere vista come una estensione quantitativa della FMEA, infatti per
valutare l’affidabilità di un sistema occorre esprimere una misura della probabilità di
accadimento di un evento critico e questo obbliga a porre in cascata alla FMEA una procedura
di tipo pseudo-quantitativo di Criticality Analysis (CA) arrivando così alla definizione della
FMECA. L’acronimo FMECA sta ad indicare analisi dei modi di guasto, degli effetti e della
criticità. La FMECA consente dunque di individuare in modo puntuale le parti del sistema che
sono piø deboli dal punto di vista affidabilistico e di comprendere la natura e l’entità degli
effetti associati al malfunzionamento di tali parti, anche a livello di processo all’interno del
quale il sistema è inserito.
Una FMECA consente inoltre di stabilire una priorità o meglio una gerarchia negli interventi di
manutenzione, essendo finalizzata a un incremento della disponibilità del bene.
La FMECA associabile a un processo manutentivo può essere articolata nei seguenti punti:
- Scomporre l’impianto o la macchina nei suoi sottoassiemi o nei principali componenti
definendo il loro tasso di guasto (da FMEA);
- Compilare una lista dei modi di guasto (da FMEA) ed il fattore probabilistico con cui
essi si manifestano (null );
- Analizzare per ogni modo di guasto, la possibile causa di guasto e del sintomo del
guasto (da FMEA), definendo anche la probabilità/incertezza con cui il modo di guasto
si manifesta (null );
- Stimare gli effetti di ciascun modo di guasto sul funzionamento (da FMEA);
- Stimare la criticità associabile a ciascun effetto;
- Definire le aree funzionali coperte da metodi di diagnosi automatica e quindi l’aliquota
del tasso di guasto sorvegliata e l’aliquota non coperta (ausilio per Testability Analysis);
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- Definire la piø appropriata manutenzione da applicare e le aree per cui è necessario
sviluppare attività/procedure manutentive da eseguire (ausilio per RCM analysis).
La FMECA permette quindi di definire operazioni e istruzioni di manutenzione, primariamente
basate su prevenzione e riduzione dei guasti sugli impianti/macchine/componenti e di
raggruppare operazioni e attività, in piani di manutenzione suddivisi per politica.
Al termine dell’analisi si assegna un indice di severità agli effetti finali delle modalità di guasto
riferendosi alle quattro classi di gravità definite dalla norma MIL-STD-1629A[15]:
Classe IV: minore, leggera insoddisfazione , non si rileva degrado significativo.
Classe III: marginale, degradazione delle prestazioni del prodotto.
Classe II: critica, rende inattivo il prodotto o ne limita fortemente le prestazioni.
Classe I: catastrofica, rende inutilizzabile il prodotto, rischio.
L’Indice di Criticità, calcolato durante l’esecuzione, è definito come:
null
null
= null × null × null × null (2.1)
dove:
• α: probabilità di guasto percentuale imputabile al dato modo di guasto;
• β: probabilità percentuale che dato il modo di guasto, l’effetto associato si verifichi con la gravità
ipotizzata;
• λ : tasso di guasto;
• t : tempo operativo.
Il metodo richiede poi una valutazione dell’Indice di Criticità complessivo (Ici) dei modi di
guasto appartenenti ad ogni classe di gravità sommando gli indici di criticità di tutti i modi di
guasto della classe. Tale valore si esprima con la seguente formula [1][2]:
null
nullnull
= null null
null
× null
null
× null × null
null
null
null null null
(2.2)
dove:
• null
nullnull
: Indice di Criticità della classe i-esima;
• null
null
: numero di modi di guasto della classe i-esima.
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2.2 Sistema di acquisizione dati da linea CAN
Il Controller Area Network (CAN) è un protocollo di comunicazione seriale in grado di gestire
in maniera efficace sistemi di controllo in tempo reale con un alto livello di sicurezza. Esso
trova applicazione in reti che necessitano di alta velocità di trasferimento dati (es: 1Mbit/s).
Di recente il trasferimento dei dati è divenuto molto importante per il buon funzionamento di un
veicolo, dove, soprattutto nella gestione del motore e nei sistemi di ausilio alla guida o di
sicurezza, è richiesta grande affidabilità ed insensibilità a disturbi elettromagnetici. Fino a pochi
anni fa ogni collegamento tra attuatore e relativo sistema di controllo (in genere un interruttore)
prevedeva un doppino specifico.
Figura 2.2 : Schema di collegamento controllo-attuatore tradizionale.
Come si vede in Figura 2.2, questa modalità di collegamento sottintende necessariamente un
rilevante numero di cavi, con il rischio di non garantire nel tempo l’affidabilità (ossidazione nei
punti di connessione, maggiore probabilità di errore di montaggio, uso di cavi di bassa qualità
con conseguente rischio di perdita delle proprietà isolanti della guaina). I moderni veicoli
presentano collegamenti tramite sistemi multiplexer - demultiplexer, che consentono l’utilizzo
di un solo doppino per il trasferimento dati di piø coppie attuatore-utilizzatore.
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Figura 2.3 : Schema di collegamento multiplexer - demultiplexer (DATABUS).
Come si può vedere in Figura 2.3, in questo caso ogni interruttore è collegato ad una unità
Multiplexer. Un valore codificato, diverso per ogni interruttore, viene trasmesso da quest’ultima
al Databus (linea di comunicazione CAN). Il segnale viene decodificato da una unità
Demultiplexer che fornisce la tensione necessaria all’utilizzatore interessato. Ciascun
utilizzatore dovrà disporre di una unità De-Multiplexer. I vantaggi dei sistemi Multiplex si
possono riassumere nei seguenti punti:
Costi minori dovuti al minore cablaggio;
Minori tempi di assemblaggio e possibilità di errore;
Maggiore funzionalità;
Elevata affidabilità;
Si possono aggiungere o rimuovere centraline senza interrompere il funzionamento
delle altre;
Condivisione dei segnali dei sensori da parte dei vari sistemi e quindi migliori funzioni
di diagnostica a bordo (comunicazione multicast).
Queste caratteristiche hanno favorito la diffusione dei sistemi elettronici a bordo dei veicoli e ne
hanno garantito sufficiente affidabilità. La richiesta di prestazioni sempre migliori non solo dal
punto di vista dinamico, ma anche da quello della sicurezza attiva e passiva, dell’affidabilità,
dell’economia di gestione e del rispetto ambientale hanno portato come effetto secondario alla
necessità di una vasta gamma di parametri da conoscere per il corretto funzionamento di tutti i
sistemi. Ciò rende possibile un monitoraggio on-board esaustivo collegandosi alla linea CAN.
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Con pochi strumenti ed un software dedicato, si possono ottenere una grande quantità di
informazioni utili. Nella Figura 2.4 viene schematizzata la catena di acquisizione necessaria al
prelievo dati da una generica linea CAN.
Figura 2.4 : Schema della catena di acquisizione tramite linea CAN.
Gli elementi indispensabili all’interfacciamento con i sensori di bordo sono:
Punto di accesso al doppino della rete CAN, necessario ad effettuare fisicamente il
collegamento con il Databus del camion;
Cavo di collegamento punto di accesso-interfaccia, necessario a trasferire i segnali
provenienti dal veicolo fino all’interfaccia di collegamento;
Interfaccia CAN (porta seriale-USB), necessaria a trasformare i segnali elettrici
provenienti dalla rete CAN in dati intelligibili dal computer portatile;
Ricevitore GPS con porta USB, necessario alla localizzazione istantanea del veicolo;
Computer portatile con software CTL_Acquisition 4.0.exe, CTL_sologps.exe e
PCAN_Light Test, con alimentatore standard ed almeno due porte USB, necessari al
salvataggio dati in formati standard;
Punto di accesso alla rete elettrica del camion (a 24v), necessario all’alimentazione del
portatile durante le acquisizioni;