W 7. DIAGNOZOWANIE ŁOśYSK TOCZNYCH

RODZAJE ŁOśYSK TOCZNYCH
BUDOWA
KaŜde łoŜysko toczne składa się z:
• dwóch pierścieni wraz z bieŜniami ,
• kilku (kilkunastu) elementów
tocznych (o róŜnych kształtach)
• koszyka utrzymującego
odpowiednie dystans pomiędzy
elementami tocznymi
W 7. DIAGNOZOWANIE ŁOśYSK TOCZNYCH
Dlaczego diagnozowanie łoŜysk tocznych jest tak istotne ?
• ŁoŜyska toczne są powszechnie uŜywanym elementem.
Znajdują się w ok. 80 % urządzeń mechanicznych
eksploatowanych przez człowieka
KLASYFIKACJA:
• Stosowane są w celu minimalizacji tarcia pomiędzy
poruszającymi się względem siebie elementami maszyn.
Tarcie potoczyste jest od 100 do 1000 razy mniejsze od
tarcia ślizgowego (posuwistego)
mniejsze zuŜycie par kinematycznych
oszczędność energii
z uwagi na kształt elementu
tocznego
• kulkowe
• wałeczkowe (walcowe, stoŜkowe,
baryłkowe igiełkowe)
z uwagi na kierunek przenoszenia
obciąŜenia
• poprzeczne
• wzdłuŜne
• skośne
Program Leonardo da Vinci „ Signal processing for acoustic and vibration
diagnosis of rotating machines” (Module B)
PRZYCZYNY USZKODZEŃ ŁOśYSK TOCZNYCH
PRZYCZYNY USZKODZEŃ ŁOśYSK TOCZNYCH
NIEWSPÓŁOSIOWOŚĆ WAŁÓW
szczególną uwagę naleŜy zwrócić na poprawny montaŜ sprzęgieł, wypoziomowanie
wałów.
PRZEKROCZENIE GRANICZNEJ PRĘDKOŚCI
obrotowej łoŜyska.
DEFEKTY POWSTAJĄCE PRZED LUB W TRAKCIE MONTAśU:
- niewłaściwe przechowywanie (korozja),
- niewłaściwy montaŜ (przyczyna 25- 40 % przedwczesnych uszkodzeń)
- złe osadzenie, niedostateczne oczyszczenie oprawy,
- nieodpowiednie przyrządy do montaŜu, nierównomierne przykręcenie kołnierza itd.
PRZEKROCZENIE NOŚNOŚCI
statycznej lub dynamicznej powodowane przez:
- przeciąŜenie
- zbyt ciasne pasowanie
- zjawiska termiczne
DRGANIA MASZYNY
- niewywaŜenie, nieosiowość wałów itp..
AGRESYWNE ŚRODOWISKO PRACY
- drgania zewnętrzne np.: momenty Ŝyroskopowe,
- fałszywe odciski Brinella - lokalne zuŜycie na skutek drgań
ELEKTROEROZJA
- przepływ prądu elektrycznego –(wystarczy róŜnica potencjałów 0.5 V i prąd 0.01 A )
(exproof I< 2 mA).
zewnętrznych gdy łoŜysko pozostaje w spoczynku,
- zabrudzenia smaru.
WADY MATERIAŁOWE I WYKONAWCZE ŁOśYSKA
ZANIECZYSZCZENIA
- mało skuteczne uszczelnienia np. działanie wody, osady, kamień kotłowy itp..
BŁĘDY KONSTRUKCYJNE I WYKONAWCZE WĘZŁA ŁOśYSKOWEGO
- zła geometria obudowy
- nieprostokątny przekrój,
- nadmierny luz (poślizgi),
- niewspółosiowość.
ZŁE SMAROWANIE
- nieodpowiedni smar,
- niesprawność systemu smarowania
fazy degradacji technicznej łoŜyska
Nowe
łoŜysko
faza szumowa faza drganiowa faza termiczna
PROCESY TOWARZYSZĄCE ZUśYCIU ŁOśYSK TOCZNYCH
Zatarcie się łoŜyska, praca bez smarowania,
pęknięcie kosza i rozsypanie się elementów
tocznych, bespośredni kontakt bieŜni
Dobrze widoczne
produkty zuŜycia bieŜni,
elementów tocznych,
koszyka w oleju lub
smarze
Pojawienie się
uszkodzeń w skali
makro np. ubytki
materiału w bieŜni
Chwilowe zacieranie
się elementów tocznych
wywołane obecnością
zanieczyszczeń
produktów zuŜycia
AWARIA
Wzrost
temperatury
Wzrost oporów
ruchu
Zanieczyszczenia smaru (oleju)
Wzrost drgań w paśmie początkowo wysokich
Pojawienie się mikropittingu i pierwszych
uszkodzeń bieŜni
i/lub elementów
tocznych
następnie średnich częstotliwości (częstotliwość
obniŜa się wraz z postępującym zuŜyciem łoŜyska
i rozmiarami uszkodzeń)
Wzrost poziomu emitowanego hałasu
(w paśmie dźwięków słyszalnych)
Pierwsze
uszkodzenia w
skali mikro
Pojawienie się sygnałów w paśmie ultradźwiękowym
20 kHz - 100 kHz
Pomiar emisji akustycznej
SPOSOBY ANALIZOWANIA
SYGNAŁU EMISJI
AKUSTYCZNEJ
EMISJA AKUSTYCZNA EA –sygnały
wysokoczęstotliwościowe („trzaski
materiałowe”) towarzyszące m.in.
pęknięciom materiału, wewnętrznemu
tarciu międzycząsteczkowemu, ruchom
dyslokacji.
Najczęściej stosowane pasmo:
100 (50) kHz - 1 MHz
(zaleŜnie od ośrodka i charakteru
zjawisk).
Stosowane metody analizy sygnału EA:
zliczanie impulsów,
analiza częstotliwości ich występowania,
średnia energia zdarzeń impulsowych.
Stosowana do oceny stanu łoŜysk
szczególnie odpowiedzialnych.
a) pomiar amplitudy
b) zliczanie impulsów powyŜej
progu detekcji
c) pomiar czasu trwania
impulsów
d) analiza częstotliwości
występowania zdarzeń
e) pomiar energii sygnału
Pojawienie się emisji akustycznej (pasmo 100 kHz – 1MHz)
[Cempel C, Tomaszewski F. Diagnostyka
Maszyn]
czas eksploatacji łoŜyska / zuŜycie łoŜyska
ZALETY: Bardzo wczesne wykrywanie uszkodzeń (detekcja początku degradacji, wejście w fazę przyspieszonego zuŜycia)
WADY: Brak zaleceń i norm zawierających zasady wartościowania i interpretacji wyników
1
Pomiar impulsów udarowych Metoda SPM
Pomiary drgań łoŜysk
(http://www.spminstrument.se/)
Wykorzystuje pomiar impulsów udarowych w
paśmie rezonansu przetwornika ok. 32 kHz.
Opracowano skale ocen jakości łoŜysk z
uwzględnieniem wielkości łoŜyska i prędkości
obrotowej.
RóŜnica pomiędzy SPM a pomiarem drgań
Ocena polega na porównaniu aktualnie
zmierzonego poziomu prędkości uderzeń z
poziomem łoŜyska bez defektów
ZALETY: Szybki Pomiar łatwa obsługa. Wczesne wykrywanie
uszkodzeń. Opracowano wartości kryterialne dla oceny
poszczególnych łoŜysk
WADY:
Przetwarzanie sygnału impulsu udarowego
Pomiar uzaleŜniony od miejsca pomiaru i sposobu mocowania
przetwornika. Inne źródła (np. kawitacja, udary w innych
elementach ) mogą zakłócać pomiar.
Faza
szumowa
brak uszkodzeń
pierwsze uszkodzenia
Faza
drganiowa
dominujące ubytki
masowe,
wzrost luzów
drgania czopa wału
Faza
termiczna
deformacje elementów
i znaczne ubytki
masowe;
wzrost oporów ruchu;
wzrost temperatury i
spadek wytrzymałości
(umoŜliwia to śledzenie luzów i zuŜycia ciernego łoŜysk)
Stosowane pasma pomiarowe:
10 Hz – 15 kHz (dla przyspieszeń),
zalecane pasmo powyŜej 3.5 kHz
10 Hz – 1kHz (lepiej 10 kHz) (dla prędkości)
Wartości graniczne drgań
Brak zaleceń normowych, przyjmowane są
indywidualnie na podstawie własnych pomiarów
i doświadczeń.
Jeśli ich nie mamy to w ostateczności wstępnie dla
pomiarów prędkości drgań moŜemy je przyjąć na
podstawie norm (np. VDI 2056 PN ISO 10816)
wystąpienia zakłóceń z innych źródeł i zjawisk.
Pomiar kurtozy
Postać widma
sygnału
drganiowego
Efekt
obserwacji
stetoskopowej
stan
szum
szerokopasmowy
szum morza
brak
uszkodzeń
upadek
pojedynczych
kamieni na tle
szumu morza
niewielkie
defekty
szum pasmowy
Pomiar drgań względnych
(stosowane bardzo rzadko tylko dla duŜych maszyn
wolnoobrotowych np. walcarek)–
mierzone są amplitudy przemieszczeń drgań
WADY:Ocena stanu ma charakter ogólny; niemoŜność identyfikacji defektów. Niejednoznaczność z uwagi na moŜliwość
Fazy degradacji łoŜysk a poziomy drgań
Nowe łoŜysko
•RMS - wartość skuteczna; zazwyczaj wzrasta
wraz z rozwojem uszkodzenia
•Wariancja zazwyczaj jest wyŜsza w
uszkodzonych łoŜyskach
•Współczynnik szczytu „K” wzrasta kiedy
uszkodzenie się pojawia, a następnie maleje w
trakcie dalszego rozwoju uszkodzenia
•Kurtoza teoretyczne wynosi 3 dla łoŜysk
nieuszkodzonych dla łoŜysk z defektami przyjmuje
wyŜsze wartości
Pomiar drgań bezwzględnych
mierzone są głównie wartości skuteczne:
- przyspieszeń drgań (preferowane)
- prędkości drgań (rzadko)
ZALETY: Szybka ocena, tanie oprzyrządowanie
Wymagana jest znajomość średnicy otworu łoŜyska i prędkości obrotowej
Przebieg degradacji
łoŜyska
•będzie zazwyczaj większa w pobliŜu miejsca
wystąpienia defektu (naleŜy pamiętać o tym przy
wyborze miejsca odbioru sygnału lokalizacji
czujnika),
•zaleŜy od rozmiar uszkodzenia,
•zaleŜy od obciąŜenia , prędkości obrotowej i
konstrukcji obudowy,
•w łoŜyskach promieniowych jest często
modulowana prze obciąŜenie.
MIARY SYGNAŁU DRGANIOWEGO
Istotne jest przestrzeganie zasad lokalizacji i
mocowania przetwornika
Faza
degradacji
W PRAKTYCE
AMPLITUDA DRGAŃ:
Shock pulse measurement (SPM® Method)
zaplanuj
wymianę w
przeciągu 3
tygodni
obniŜanie się
średniej
częstotliwości
drgań
lawina
spadających
kamieni
groźny
wymiana w
przeciągu
2 dni
dominacja
zjawisk
termicznych
-
katastrofalny;
wyłącz
natychmiast!
Zakres wartości RMS
przyspieszeń
drgań
[m/s2]
prędkości
drgań
[mm/s]
10-10kHz
0.1 – 1.0
0.25 – 4.5
T
• Wielkość bezwymiarowa definiowana jako:
K=
1 4
x (t )dt
T ∫0
1T 2

 ∫ x (t )dt 

T
 0

2
Dla łoŜysk bez defektów K wynosi ok. 3
4.5 – 10
1– 10
Wzrost kurtozy informuje o pogarszaniu się stanu łoŜyska
10 – 25
ZaleŜna jest od pasma częstotliwości w którym dokonywany jest
pomiar (przykładowo British Steel Corporation stosuje 5 pasm w
zakresie częstotliwości pasmo 2.5 – 80 kHz)
40 – 300
25 –60
Nie jest zaleŜna od prędkości obrotowej i obciąŜenia łoŜyska.
powyŜej
300
powyŜej
60
10 – 40
ZALETY:
Szybki i prosty pomiar
Nie jest wymagana znajomość wymiarów łoŜyska i warunków pracy
MoŜliwe jest wykrywanie uszkodzeń we wczesnej fazie ich rozwoju
WADY:
Konieczność indywidualnego doboru pasma pomiarowego dla danego węzła łoŜyskowego
Analiza widmowa drgań łoŜysk
SKŁAD WIDMOWY SYGNAŁU DRGANIOWEGO ŁOśYSKA
KaŜdy uszkodzony element łoŜyska generuje impulsy, których częstotliwość w większości przypadków
jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wału.
Analiza widmowa drgań łoŜysk - cd
Częstotliwości charakterystyczne defektów elementów łoŜysk tocznych
typ defektu
Częstotliwości powtarzania impulsów są zaleŜne od:
geometrii łoŜyska
liczby elementów tocznych
miejsca uszkodzenia (bieŜnia wewnętrzna, bieŜnia zewnętrzna, element toczny, kosz)
f pz =
uszkodzenie pierścienia
wewnętrznego
Sygnały odbierane przez czujniki drgań są w rzeczywistości drganiami strukturalnymi obudowy łoŜyska
pobudzanej przez (mikro/ makro) uderzenia występujące w łoŜysku;
- drgania w paśmie do 3 kHz zawierają składowe o częstotliwościach charakterystycznych dla
defektów poszczególnych elementów (uderzeń) oraz składowe nadharmoniczne,
- drgania paśmie powyŜej 10 kHz związane są głównie z rezonansami układu,
- znaczące impulsy w sygnale drganiowym w paśmie 1kHz - 3kHz często są efektem złego
smarowania łoŜyska.
uszkodzenie elementu
tocznego
W rzeczywistych maszynach drgania niskoczęstotliwościowe są „maskowane” przez drgania
pochodzące z innych źródeł.
Drgania wysokoczęstotliwościowe konstrukcji (ich częstotliwości własne) wywoływane przez defekty
łoŜysk są zazwyczaj bardziej widoczne niŜ drgania w niskim paśmie częstotliwości.
ZALETY:
Szybki i prosty pomiar jest najbardziej przydatne i w duŜej mierze stosowane w
Pasmo wysokoczęstotliwościowe
jest wymaganaSygnały
znajomość
wymiarówzłoŜyska
i warunków
pracy
diagnostyce i Nie
monitorowaniu.
związane
uderzeniami
są poddawane
ekstrakcji poprzez
wykrywanie uszkodzeń
we wczesnej
fazie
ich rozwoju
zastosowanieMoŜliwe
technikjest
demodulacyjnych
(analiza
widmowa
obwiedni
sygnału). .
zaleŜność
uszkodzenie pierścienia
zewnętrznego
n 
d

f  1 − cosα 

2 o
D
f pw =
ft =
n 
d

f  1 + cos α 

2 o
D
2

D  d
f 1 −   cosα 
d o   D

bicie kosza
fk =
fo 
d

 1 − cosα 

2
D
gdzie:
fo - częstotliwość obrotowa między pierścieniem wewnętrznym a zewnętrznym.
n - liczba elementów tocznych
WADY:
Konieczność indywidualnego doboru pasma pomiarowego dla danego węzła łoŜyskowego
2
Analiza widmowa drgań łoŜysk – cd.
Pomiar temperatury
KLASYCZNA WĄSKOPASMOWA ANALIZA WIDMOWA mało
przydatna.
ZALECANA ANALIZA szerokopasmowa do kilkudziesięciu kHz
.
Pozwala ona na ocenę stanu na podstawie porównania
składu widmowego
w poszczególnych pasmach
CZĘŚCIEJ STOSOWANE są bardziej subtelne i
zaawansowane techniki:
Temperatura łoŜyska nie powinna przekraczać 120 oC
Wzrost temperatury 10 - 20 oC w odniesieniu do
nominalnej świadczy złym smarowaniu lub o lawinowo
postępującej degradacji.
- Zoom FFT poprawa rozdzielczości w interesującym paśmie
moŜliwe odnalezienie kolejnych harmonicznych sygnału okresowego)
- Analiza cepstralna – widmo z widma ( identyfikacja
harmonicznych i wstęg bocznych (modulacyjnych)
- Analiza widmowa obwiedni sygnału
ZALETY:
- MoŜliwa separacja informacji diagnostycznych od zakłóceń
- MoŜliwość identyfikacji i śledzenia rozwoju uszkodzonego elementu (w przypadku technik zaawansowanych)
ZALETY:
- wysoka wiarygodność i pewność diagnozy
- nieskomplikowany pomiar
- prosta interpretacja wyników
WADY:
- bazuje na semistatycznym procesie resztkowym - duŜa bezwładność wskazań
- niektóre uszkodzenia nie powodują wzrostu temperatury
- zmiany termiczne następują w końcowej fazie Ŝycia łoŜyska – są zwiastunem lawinowego
rozwoju uszkodzenia – zwykle za mało czasu na podjęcie działań zapobiegawczych
WADY:
- Wymagana znajomość konstrukcji łoŜyska i danych katalogowych (przydatny program np.Atlas firmy SKF).
- Niezbędny jest analizator widmowy lub dedykowane oprogramowanie analizujące
- Brak wartości kryterialnych.
3