1
W 7. DIAGNOZOWANIE ŁO
ś
YSK TOCZNYCH
Dlaczego diagnozowanie ło
Ŝ
ysk tocznych jest tak istotne ?
• Ło
Ŝ
yska toczne s
ą
powszechnie u
Ŝ
ywanym elementem.
Znajduj
ą
si
ę
w ok. 80 % urz
ą
dze
ń
mechanicznych
eksploatowanych przez człowieka
• Stosowane s
ą
w celu minimalizacji tarcia pomi
ę
dzy
poruszaj
ą
cymi si
ę
wzgl
ę
dem siebie elementami maszyn.
Tarcie potoczyste jest od 100 do 1000 razy mniejsze od
tarcia
ś
lizgowego (posuwistego)
mniejsze zu
Ŝ
ycie par kinematycznych
oszcz
ę
dno
ść
energii
RODZAJE ŁO
ś
YSK TOCZNYCH
KLASYFIKACJA:
z uwagi na kształt elementu
tocznego
• kulkowe
• wałeczkowe
(walcowe, sto
Ŝ
kowe,
baryłkowe igiełkowe)
z uwagi na kierunek przenoszenia
obci
ąŜ
enia
• poprzeczne
• wzdłu
Ŝ
ne
• sko
ś
ne
BUDOWA
Ka
Ŝ
de ło
Ŝ
ysko toczne składa si
ę
z:
• dwóch pier
ś
cieni wraz z bie
Ŝ
niami ,
• kilku (kilkunastu) elementów
tocznych (o ró
Ŝ
nych kształtach)
• koszyka utrzymuj
ą
cego
odpowiednie dystans pomi
ę
dzy
elementami tocznymi
Program Leonardo da Vinci „ Signal processing for acoustic and vibration
diagnosis of rotating machines” (Module B)
PRZYCZYNY USZKODZE
Ń
ŁO
ś
YSK TOCZNYCH
NIEWSPÓŁOSIOWO
ŚĆ
WAŁÓW
szczególn
ą
uwag
ę
nale
Ŝ
y zwróci
ć
na poprawny monta
Ŝ
sprz
ę
gieł, wypoziomowanie
wałów.
DEFEKTY POWSTAJ
Ą
CE PRZED LUB W TRAKCIE MONTA
ś
U:
- niewła
ś
ciwe przechowywanie (korozja),
- niewła
ś
ciwy monta
Ŝ
(przyczyna 25- 40 % przedwczesnych uszkodze
ń
)
- złe osadzenie, niedostateczne oczyszczenie oprawy,
- nieodpowiednie przyrz
ą
dy do monta
Ŝ
u, nierównomierne przykr
ę
cenie kołnierza itd.
AGRESYWNE
Ś
RODOWISKO PRACY
- drgania zewn
ę
trzne np.: momenty
Ŝ
yroskopowe,
- fałszywe odciski Brinella -
lokalne zu
Ŝ
ycie na skutek drga
ń
zewn
ę
trznych gdy ło
Ŝ
ysko pozostaje w spoczynku,
- zabrudzenia smaru.
ZANIECZYSZCZENIA
- mało skuteczne uszczelnienia np. działanie wody, osady, kamie
ń
kotłowy itp..
ZŁE SMAROWANIE
- nieodpowiedni smar,
- niesprawno
ść
systemu smarowania
PRZYCZYNY USZKODZE
Ń
ŁO
ś
YSK TOCZNYCH
PRZEKROCZENIE GRANICZNEJ PR
Ę
DKO
Ś
CI
obrotowej ło
Ŝ
yska.
PRZEKROCZENIE NO
Ś
NO
Ś
CI
statycznej lub dynamicznej powodowane przez:
- przeci
ąŜ
enie
- zbyt ciasne pasowanie
- zjawiska termiczne
DRGANIA MASZYNY
- niewywa
Ŝ
enie, nieosiowo
ść
wałów itp..
ELEKTROEROZJA
- przepływ pr
ą
du elektrycznego –(wystarczy ró
Ŝ
nica potencjałów 0.5 V i pr
ą
d 0.01 A )
(exproof I< 2 mA).
WADY MATERIAŁOWE I WYKONAWCZE ŁO
ś
YSKA
BŁ
Ę
DY KONSTRUKCYJNE I WYKONAWCZE W
Ę
ZŁA ŁO
ś
YSKOWEGO
- zła geometria obudowy
- nieprostok
ą
tny przekrój,
- nadmierny luz (po
ś
lizgi),
- niewspółosiowo
ść
.
PROCESY TOWARZYSZ
Ą
CE ZU
ś
YCIU ŁO
ś
YSK TOCZNYCH
czas eksploatacji ło
Ŝ
yska / zu
Ŝ
ycie ło
Ŝ
yska
fa
z
a
s
z
u
m
o
w
a
fa
z
a
d
rg
a
n
io
w
a
fa
z
a
t
e
rm
ic
z
n
a
Pojawienie si
ę
emisji akustycznej (pasmo 100 kHz – 1MHz)
Wzrost drga
ń
w pa
ś
mie pocz
ą
tkowo wysokich
nast
ę
pnie
ś
rednich cz
ę
stotliwo
ś
ci (cz
ę
stotliwo
ść
obni
Ŝ
a si
ę
wraz z post
ę
puj
ą
cym zu
Ŝ
yciem ło
Ŝ
yska
i rozmiarami uszkodze
ń
)
Wzrost poziomu emitowanego hałasu
(w pa
ś
mie d
ź
wi
ę
ków słyszalnych)
Pojawienie si
ę
sygnałów w pa
ś
mie ultrad
ź
wi
ę
kowym
20 kHz - 100 kHz
Zanieczyszczenia smaru (oleju)
Wzrost oporów
ruchu
Wzrost
temperatury
fa
z
y
d
e
g
ra
d
a
c
ji
t
e
c
h
n
ic
z
n
e
j
ł
o
Ŝ
y
s
k
a
Pierwsze
uszkodzenia w
skali mikro
Pojawienie się mikro-
pittingu i pierwszych
uszkodzeń bieŜni
i/lub elementów
tocznych
AWARIA
Nowe
ł
oŜysko
Pojawienie się
uszkodzeń w skali
makro np. ubytki
materia
ł
u w bieŜni
Dobrze widoczne
produkty zuŜycia bieŜni,
elementów tocznych,
koszyka w oleju lub
smarze
Chwilowe zacieranie
się elementów tocznych
wywo
ł
ane obecnością
zanieczyszczeń
produktów zuŜycia
Zatarcie się
ł
oŜyska, praca bez smarowania,
pęknięcie kosza i rozsypanie się elementów
tocznych, bespośredni kontakt bieŜni
EMISJA AKUSTYCZNA EA
–sygnały
wysokocz
ę
stotliwo
ś
ciowe („trzaski
materiałowe”) towarzysz
ą
ce m.in.
p
ę
kni
ę
ciom materiału, wewn
ę
trznemu
tarciu mi
ę
dzycz
ą
steczkowemu, ruchom
dyslokacji.
Najcz
ęś
ciej stosowane pasmo:
100 (50) kHz - 1 MHz
(zale
Ŝ
nie od o
ś
rodka i charakteru
zjawisk).
Stosowane metody analizy sygnału EA:
zliczanie impulsów,
analiza cz
ę
stotliwo
ś
ci ich wyst
ę
powania,
ś
rednia energia zdarze
ń
impulsowych.
Stosowana do oceny stanu ło
Ŝ
ysk
szczególnie odpowiedzialnych.
Pomiar emisji akustycznej
SPOSOBY ANALIZOWANIA
SYGNAŁU EMISJI
AKUSTYCZNEJ
a) pomiar amplitudy
b) zliczanie impulsów powy
Ŝ
ej
progu detekcji
c) pomiar czasu trwania
impulsów
d) analiza cz
ę
stotliwo
ś
ci
wyst
ę
powania zdarze
ń
e) pomiar energii sygnału
[Cempel C, Tomaszewski F. Diagnostyka
Maszyn]
ZALETY
:
Bardzo wczesne wykrywanie uszkodze
ń
(detekcja pocz
ą
tku degradacji, wej
ś
cie w faz
ę
przyspieszonego zu
Ŝ
ycia)
WADY
:
Brak zalece
ń
i norm zawieraj
ą
cych zasady warto
ś
ciowania i interpretacji wyników
2
Shock pulse measurement (SPM® Method)
(
http://www.spminstrument.se/
)
Wykorzystuje pomiar impulsów udarowych w
pa
ś
mie rezonansu przetwornika ok. 32 kHz.
Opracowano skale ocen jako
ś
ci ło
Ŝ
ysk z
uwzgl
ę
dnieniem wielko
ś
ci ło
Ŝ
yska i pr
ę
dko
ś
ci
obrotowej.
Ocena polega na porównaniu aktualnie
zmierzonego poziomu pr
ę
dko
ś
ci uderze
ń
z
poziomem ło
Ŝ
yska bez defektów
Istotne jest przestrzeganie zasad lokalizacji i
mocowania przetwornika
Pomiar impulsów udarowych Metoda SPM
Ró
Ŝ
nica pomi
ę
dzy SPM a pomiarem drga
ń
Przetwarzanie sygnału impulsu udarowego
ZALETY
: Szybki Pomiar łatwa obsługa. Wczesne wykrywanie
uszkodze
ń
. Opracowano warto
ś
ci kryterialne dla oceny
poszczególnych ło
Ŝ
ysk
WADY:
Pomiar uzale
Ŝ
niony od miejsca pomiaru i sposobu mocowania
przetwornika. Inne
ź
ródła (np. kawitacja, udary w innych
elementach ) mog
ą
zakłóca
ć
pomiar.
Wymagana jest znajomo
ść ś
rednicy otworu ło
Ŝ
yska i pr
ę
dko
ś
ci obrotowej
W PRAKTYCE
Pomiar drga
ń
bezwzgl
ę
dnych
mierzone s
ą
głównie warto
ś
ci skuteczne:
- przyspiesze
ń
drga
ń
(preferowane)
- pr
ę
dko
ś
ci drga
ń
(rzadko)
Pomiar drga
ń
wzgl
ę
dnych
(stosowane
bardzo rzadko tylko dla du
Ŝ
ych maszyn
wolnoobrotowych np. walcarek
)–
mierzone s
ą
amplitudy przemieszcze
ń
drga
ń
(umo
Ŝ
liwia to
ś
ledzenie luzów i zu
Ŝ
ycia ciernego ło
Ŝ
ysk)
Stosowane pasma pomiarowe:
10 Hz – 15 kHz (dla przyspiesze
ń
),
zalecane pasmo powy
Ŝ
ej 3.5 kHz
10 Hz – 1kHz (lepiej 10 kHz) (dla pr
ę
dko
ś
ci)
Warto
ś
ci graniczne drga
ń
Brak zalece
ń
normowych, przyjmowane s
ą
indywidualnie na podstawie własnych pomiarów
i do
ś
wiadcze
ń
.
Je
ś
li ich nie mamy to w ostateczno
ś
ci wst
ę
pnie dla
pomiarów pr
ę
dko
ś
ci drga
ń
mo
Ŝ
emy je przyj
ąć
na
podstawie norm (np. VDI 2056 PN ISO 10816)
Pomiary drga
ń
ło
Ŝ
ysk
ZALETY
:
Szybka ocena, tanie oprzyrz
ą
dowanie
WADY
:Ocena stanu ma charakter ogólny; niemo
Ŝ
no
ść
identyfikacji defektów. Niejednoznaczno
ść
z uwagi na mo
Ŝ
liwo
ść
wyst
ą
pienia zakłóce
ń
z innych
ź
ródeł i zjawisk.
MIARY SYGNAŁU DRGANIOWEGO
•
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
AMPLITUDA DRGAŃ:
•
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.
Fazy degradacji ło
Ŝ
ysk a poziomy drga
ń
powyŜej
60
powyŜej
300
katastrofalny;
wyłącz
natychmiast!
-
dominacja
zjawisk
termicznych
deformacje elementów
i znaczne ubytki
masowe;
wzrost oporów ruchu;
wzrost temperatury i
spadek wytrzymałości
Faza
termiczna
25 –60
40 – 300
groźny
wymiana w
przeciągu
2 dni
lawina
spadających
kamieni
obniŜanie się
ś
redniej
częstotliwości
drgań
dominujące ubytki
masowe,
wzrost luzów
drgania czopa wału
Faza
drganiowa
4.5 – 10
10 – 25
1– 10
10 – 40
niewielkie
defekty
zaplanuj
wymianę w
przeciągu 3
tygodni
upadek
pojedynczych
kamieni na tle
szumu morza
szum pasmowy
pierwsze uszkodzenia
Faza
szumowa
0.25 – 4.5
0.1 – 1.0
brak
uszkodzeń
szum morza
szum
szerokopasmowy
brak uszkodzeń
Nowe łoŜysko
prędkości
drgań
[mm/s]
10-10kHz
przyspieszeń
drgań
[m/s
2
]
Zakres wartości RMS
stan
Efekt
obserwacji
stetoskopowej
Postać widma
sygnału
drganiowego
Przebieg degradacji
łoŜyska
Faza
degradacji
Pomiar kurtozy
ZALETY
:
Szybki i prosty pomiar
Nie jest wymagana znajomo
ść
wymiarów ło
Ŝ
yska i warunków pracy
Mo
Ŝ
liwe jest wykrywanie uszkodze
ń
we wczesnej fazie ich rozwoju
WADY
:
Konieczno
ść
indywidualnego doboru pasma pomiarowego dla danego w
ę
zła ło
Ŝ
yskowego
•
Wielko
ść
bezwymiarowa definiowana jako:
( )
( )
2
0
2
0
4
1
1
=
∫
∫
T
T
dt
t
x
T
dt
t
x
T
K
Dla
ł
o
Ŝ
ysk bez defektów K wynosi ok. 3
Wzrost kurtozy informuje o pogarszaniu si
ę
stanu
ł
o
Ŝ
yska
Zale
Ŝ
na jest od pasma cz
ę
stotliwo
ś
ci w którym dokonywany jest
pomiar (przyk
ł
adowo British Steel Corporation stosuje 5 pasm w
zakresie cz
ę
stotliwo
ś
ci pasmo 2.5 – 80 kHz)
Nie jest zale
Ŝ
na od pr
ę
dko
ś
ci obrotowej i obci
ąŜ
enia
ł
o
Ŝ
yska.
Analiza widmowa drga
ń
ło
Ŝ
ysk
ZALETY
:
Szybki i prosty pomiar
Nie jest wymagana znajomo
ść
wymiarów ło
Ŝ
yska i warunków pracy
Mo
Ŝ
liwe jest wykrywanie uszkodze
ń
we wczesnej fazie ich rozwoju
WADY
:
Konieczno
ść
indywidualnego doboru pasma pomiarowego dla danego w
ę
zła ło
Ŝ
yskowego
SKŁAD WIDMOWY SYGNAŁU DRGANIOWEGO ŁO
ś
YSKA
Ka
Ŝ
dy uszkodzony element ło
Ŝ
yska generuje impulsy, których cz
ę
stotliwo
ść
w wi
ę
kszo
ś
ci przypadków
jest proporcjonalna do pr
ę
dko
ś
ci obrotowej wału.
Cz
ę
stotliwo
ś
ci powtarzania impulsów s
ą
zale
Ŝ
ne od:
geometrii ło
Ŝ
yska
liczby elementów tocznych
miejsca uszkodzenia (bie
Ŝ
nia wewn
ę
trzna, bie
Ŝ
nia zewn
ę
trzna, element toczny, kosz)
Sygnały odbierane przez czujniki drga
ń
s
ą
w rzeczywisto
ś
ci drganiami strukturalnymi obudowy ło
Ŝ
yska
pobudzanej przez (mikro/ makro) uderzenia wyst
ę
puj
ą
ce w ło
Ŝ
ysku;
- drgania w pa
ś
mie do 3 kHz zawieraj
ą
składowe o cz
ę
stotliwo
ś
ciach charakterystycznych dla
defektów poszczególnych elementów (uderze
ń
) oraz składowe nadharmoniczne,
- drgania pa
ś
mie powy
Ŝ
ej 10 kHz zwi
ą
zane s
ą
głównie z rezonansami układu,
- znacz
ą
ce impulsy w sygnale drganiowym w pa
ś
mie 1kHz - 3kHz cz
ę
sto s
ą
efektem złego
smarowania ło
Ŝ
yska.
W rzeczywistych maszynach drgania niskocz
ę
stotliwo
ś
ciowe s
ą
„maskowane” przez drgania
pochodz
ą
ce z innych
ź
ródeł.
Drgania wysokocz
ę
stotliwo
ś
ciowe konstrukcji (ich cz
ę
stotliwo
ś
ci własne) wywoływane przez defekty
ło
Ŝ
ysk s
ą
zazwyczaj bardziej widoczne ni
Ŝ
drgania w niskim pa
ś
mie cz
ę
stotliwo
ś
ci.
Pasmo wysokocz
ę
stotliwo
ś
ciowe jest najbardziej przydatne i w du
Ŝ
ej mierze stosowane w
diagnostyce i monitorowaniu. Sygnały zwi
ą
zane z uderzeniami s
ą
poddawane ekstrakcji poprzez
zastosowanie technik demodulacyjnych (analiza widmowa obwiedni sygnału). .
Analiza widmowa drga
ń
ło
Ŝ
ysk - cd
gdzie:
fo - cz
ę
stotliwo
ść
obrotowa mi
ę
dzy pier
ś
cieniem wewn
ę
trznym a zewn
ę
trznym.
n - liczba elementów tocznych
f
n
f
d
D
pz
o
=
−
2
1
cos
α
f
n
f
d
D
pw
o
=
+
2
1
cos
α
f
D
d
f
d
D
t
o
=
−
1
2
cos
α
f
f
d
D
k
o
=
−
2
1
cos
α
bicie kosza
uszkodzenie elementu
tocznego
uszkodzenie pier
ś
cienia
wewn
ę
trznego
uszkodzenie pier
ś
cienia
zewn
ę
trznego
zaleŜność
typ defektu
Cz
ę
stotliwo
ś
ci charakterystyczne defektów elementów ło
Ŝ
ysk tocznych
3
Analiza widmowa drga
ń
ło
Ŝ
ysk – cd.
ZALETY
:
-
Mo
Ŝ
liwa separacja informacji diagnostycznych od zakłóce
ń
- Mo
Ŝ
liwo
ść
identyfikacji i
ś
ledzenia rozwoju uszkodzonego elementu (w przypadku technik zaawansowanych)
WADY
:
- Wymagana znajomo
ść
konstrukcji ło
Ŝ
yska i danych katalogowych (przydatny program np.Atlas firmy SKF).
- Niezb
ę
dny jest analizator widmowy lub dedykowane oprogramowanie analizuj
ą
ce
- Brak warto
ś
ci kryterialnych.
KLASYCZNA W
Ą
SKOPASMOWA ANALIZA WIDMOWA
mało
przydatna.
ZALECANA ANALIZA
szerokopasmowa
do kilkudziesi
ę
ciu kHz
.
Pozwala ona na ocen
ę
stanu na podstawie porównania
składu widmowego
w poszczególnych pasmach
CZ
ĘŚ
CIEJ STOSOWANE s
ą
bardziej subtelne i
zaawansowane techniki:
- Zoom FFT
poprawa rozdzielczo
ś
ci w interesuj
ą
cym pa
ś
mie
mo
Ŝ
liwe odnalezienie kolejnych harmonicznych sygnału okresowego)
- Analiza cepstralna –
widmo z widma ( identyfikacja
harmonicznych i wst
ę
g bocznych (modulacyjnych)
- Analiza widmowa obwiedni sygnału
Pomiar temperatury
ZALETY
:
- wysoka wiarygodno
ść
i pewno
ść
diagnozy
- nieskomplikowany pomiar
- prosta interpretacja wyników
WADY
:
- bazuje na semistatycznym procesie resztkowym - du
Ŝ
a bezwładno
ść
wskaza
ń
- niektóre uszkodzenia nie powoduj
ą
wzrostu temperatury
- zmiany termiczne nast
ę
puj
ą
w ko
ń
cowej fazie
Ŝ
ycia ło
Ŝ
yska – s
ą
zwiastunem lawinowego
rozwoju uszkodzenia – zwykle za mało czasu na podj
ę
cie działa
ń
zapobiegawczych
Temperatura ło
Ŝ
yska nie powinna przekracza
ć
120
o
C
Wzrost temperatury 10 - 20
o
C w odniesieniu do
nominalnej
ś
wiadczy złym smarowaniu lub o lawinowo
post
ę
puj
ą
cej degradacji.