Diagnostika vad ozubených kol pomocí vibrační analýzy
Závady převodovky jsou to různé druhy opotřebení a poškození – opotřebení zubů, praskliny, excentricita, nesouosost –, které se vyskytují v ozubených soukolích používaných k přenosu výkonu v průmyslových strojích. Zazubování zubů ozubených kol je ze své podstaty hlučný a vibrační proces, takže nepoškozená ozubená kola vykazují velmi jasný a stabilní vibrační signaturu; jakákoli odchylka od této signatury je jasným signálem potíží. Protože analýza vibrací dokáže tyto odchylky odhalit již v rané fázi a zachytí závady převodovky dlouho předtím, než přerostou v katastrofální poruchu převodovky.
1. Vibrační charakteristika ozubených kol
Každé soukolí má ve frekvenční doméně charakteristický otisk, v němž dominuje frekvence záběru zubů a který je obklopen aktivitou související s otáčením jednotlivých hřídelí. Základní měření funkční převodovky je proto jedním z nejcennějších referenčních údajů, které může program spolehlivosti poskytnout: poruchy se diagnostikují nikoli na základě absolutních čísel, ale podle toho, jak se dnešní spektrum a časový průběh se liší od této ověřené charakteristiky. Úkolem diagnostiky převodovek je především správně rozpoznat tento rozdíl, a proto hrají převodovky tak významnou roli v běžné monitorování stavu.
2. Frekvence záběru ozubených kol (GMF)
Nejdůležitější frekvencí při analýze převodovky je Frekvence záběru ozubených kol (GMF) — rychlost, s jakou se zuby dvou do sebe zapadajících ozubených kol vzájemně dotýkají.
GMF = Počet zubů na ozubeném kole × Rychlost otáčení daného ozubeného kola
V funkční převodovce Spektrum FFT vykazuje jasný vrchol v pásmu GMF, obvykle s několika menšími harmonické (2×GMF, 3×GMF). Amplituda vrcholu GMF odráží zatížení ozubených kol, takže samotný vysoký vrchol GMF nemusí nutně znamenat poruchu – může to jednoduše znamenat, že převodovka pracuje pod velkým zatížením. Skutečné diagnostické informace se skrývají ve frekvencích around vrchol GMF, nikoli samotný vrchol. Jelikož GMF závisí jak na počtu zubů, tak na otáčkách, je snadné jej při ručním měření nesprávně identifikovat; a Kalkulátor frekvence záběru ozubených kol určí GMF a jeho postranní pásma pro danou sadu ozubených kol během několika sekund.
3. Využití postranních pásem k diagnostice poruch
Postranní pásma jsou nejúčinnějším nástrojem pro diagnostiku konkrétních problémů s převodovkou. Jedná se o malé špičky, které se objevují po obou stranách GMF a jeho harmonických a vznikají v případě, že porucha ovlivňuje proces záběru ozubených kol. Klíčovým vodítkem je jejich spacing: rozdíl mezi postranním pásmem a vrcholem GMF se rovná otáčkám hřídele, na které je namontováno vadné ozubené kolo, což vám okamžitě napoví který hřídel k prohlídce.
- Opotřebované nebo excentrické ozubené kolo: a worn, eccentric nebo vadné ozubené kolo moduluje GMF při své vlastní otáčkové frekvenci, čímž vytváří postranní pásma rozmístěná v odstupech rychlost běhu (1×) hřídele tohoto ozubeného kola. Pokud se postranní pásma shodují s otáčkami vstupního hřídele, závada je na vstupním ozubeném kole.
- Obecné opotřebení zubů: gear wear obvykle zvyšuje amplitudu GMF a jejích harmonických, přičemž se objevují 1× postranní pásma z příslušného převodového stupně.
- Prasklý nebo zlomený zub: Jeden prasklý nebo zlomený zub vyvolává silný špičkový signál při 1× provozní rychlosti daného ozubeného kola, často s mnoha harmonickými složkami a postranními pásmy kolem hlavní frekvence (GMF) v intervalech odpovídajících rychlosti ozubeného kola. Zvláště cenný je zde časový průběh signálu – ten ukazuje zřetelný periodický náraz pokaždé, když se poškozený zub pokusí zapadnout do ozubeného kola.
- Nesouosost ozubených kol: nesouosost Zubová kola často generují vysokou harmonickou 2×GMF, která je někdy vyšší než primární vrchol GMF, a opět je doprovázena postranními pásmy odpovídajícími provozní rychlosti.
Dalším zajímavým jevem, o kterém stojí za to vědět, je frekvence hledajícího zubu, velmi nízká frekvence, s jakou se konkrétní dvojice zubů opět zapojuje; poruchy, při nichž je na každém ozubeném kole jeden vadný zub, mohou tento jev vyvolat.
4. Specializované analytické metody
Vzhledem k tomu, že vibrace ozubených kol jsou velmi komplexní, je standardní spektrální analýza často doplněna o techniky, které izolují signál ozubených kol:
- Analýza časových průběhů: je nezbytné pro zjištění zlomených nebo prasklých zubů, které se projevují jako ostré, opakující se rázy synchronizované spíše s otáčením ozubeného kola než se záběrem zubů.
- Analýza kepstru: transformace, která zhušťuje celé skupiny rovnoměrně rozložených postranních pásem do jednotlivých, snadno čitelných složek, čímž zviditelňuje vzorce postranních pásem, které by jinak zůstaly skryty v přeplněné FFT.
- Analýza obálky: demoduluje vysokofrekvenční nosnou vlnu, aby odhalila nízkofrekvenční frekvenci nárazů v lokalizované zubní vadě, čímž doplňuje obraz z postranních pásem.
5. Fáze selhání ozubených kol
Analýza vibrací umožňuje sledovat vývoj poruchy ozubeného kola ve čtyřech rozpoznatelných fázích, což dává údržbářským týmům dostatek času na naplánování zásahu:
- 1. stupeň (počáteční): kolem GMF se objevují malé postranní pásma. Celková úroveň vibrací se nemusí vůbec změnit.
- 2. stupeň (střední): amplituda postranních pásem roste a začínají se objevovat harmonické GMF s vlastními postranními pásmy.
- 3. stupeň (závažný): GMF a její harmonické obsahují mnoho velkých postranních pásem, frekvence 1× problémového ozubeného kola začíná růst a zvyšuje se šumová hladina spektra.
- 4. stupeň (katastrofický): GMF může zmizet a být nahrazen hlučným signálem náhodných vibrací, pokud jsou zuby vážně poškozené nebo zničené.
6. Uplatnění v praxi
Diagnostika převodovek začíná přesným měřením v provozních podmínkách při provozních otáčkách a zatížení. K tomu lze použít přenosný dvoukanálový přístroj, jako je například Balanset-1A zaznamenává FFT spektrum a surový časový průběh signálu u každého ložiska, což umožňuje technikovi lokalizovat GMF, odečíst vzdálenost mezi postranními pásmy a tak přiřadit poruchu ke konkrétnímu hřídeli a sledovat na průběhu signálu charakteristický periodický náraz způsobený zlomeným zubem – to vše bez nutnosti otevírání převodovky. V případech, kdy převodovka zároveň pohání nebo podpírá rotor, tento přístroj ověřuje, zda zbytkové ložisko a vibrace způsobené nevyvážeností se drží v mezích norem, jako je například ISO 20816, takže potvrzená závada převodovky není maskována jinými, nesouvisejícími zdroji. Pokud je závada převodovky odhalena ve fázi 1 nebo 2, stává se z ní plánovaná oprava namísto neplánované poruchy.
